Способы повышения кпд электродвигателя

Какой КПД электродвигателя? Как повысить эффективность электродвигателя?

Электродвигатели появились достаточно давно, но большой интерес к ним возник тогда, когда они стали представлять собой альтернативу двигателям внутреннего сгорания. Особо интересен вопрос КПД электродвигателя, который является одной из главных его характеристик.

Каждая система обладает каким-либо коэффициентом полезного действия, который характеризует эффективность ее работы в целом. То есть он определяет, насколько хорошо система или устройство отдает или преобразовывает энергию. По значению КПД величины не имеет, и чаще всего оно представляется в процентном соотношении или числе от нуля до единицы.

Параметры КПД в электродвигателях

Основная задача электрического двигателя сводится к преобразованию электрической энергии в механическую. КПД определяет эффективность выполнения данной функции. Формула КПД электродвигателя выглядит следующим образом:

В данной формуле p1 — это подведенная электрическая мощность, p2 — полезная механическая мощность, которая вырабатывается непосредственно двигателем. Электрическая мощность определяется формулой: p1=UI (напряжение умноженное на силу тока), а значение механической мощности по формуле P=A/t (отношение работы к единице времени). Так выглядит расчет КПД электродвигателя. Однако это самая простая его часть. В зависимости от предназначения двигателя и сферы его применения, расчет будет отличаться и учитывать многие другие параметры. На самом деле формула КПД электродвигателя включает намного больше переменных. Выше был приведен самый простой пример.

Снижение КПД

Механический КПД электродвигателя должен обязательно учитываться при выборе мотора. Очень большую роль играют потери, которые связаны с нагревом двигателя, снижением мощности, реактивными токами. Чаще всего падение КПД связано с выделением тепла, которое естественным образом происходит при работе двигателя. Причины выделения теплоты могут быть разными: двигатель может нагреваться в процессе трения, а также по электрическим и даже магнитным причинам. В качестве самого простого примера можно привести ситуацию, когда на электрическую энергию было потрачено 1 000 рублей, а работы было произведено на 700 рублей. В таком случае коэффициент полезного действия будет равен 70%.

Для охлаждения электрических двигателей применяются вентиляторы, которые прогоняют воздух через созданные зазоры. В зависимости от класса двигателей, нагрев может осуществляться до определенной температуры. Например, двигатели класса A могут нагреваться до 85-90 градусов, класса B — до 110 градусов. В том случае, когда температура превышает допустимую границу, это может свидетельствовать о замыкании статора.

Средний КПД электрических двигателей

Стоит отметить, что КПД электродвигателя постоянного тока (и переменного тоже) изменяется в зависимости от нагрузки:

1. При холостом ходе КПД равен 0%.
2. При нагрузке 25% КПД равен 83%.
3. При нагрузке 50% КПД равен 87%.
4. При нагрузке 75% КПД равен 88%.
5. При нагрузке 100% КПД равен 87%.

Одна из причин падения коэффициента полезного действия — асимметрия токов, когда подается разное напряжение на каждой из трех фаз. Если, к примеру, на первой фазе будет напряжение 410 В, на второй — 403 В, а на третьей — 390 В, то среднее значение будет равно 401 В. Асимметрия в данном случае будет равна разнице между максимальным и минимальным напряжением на фазах (410-390), то есть 20 В. Формула КПД электродвигателя для расчета потерь будет иметь вид в нашей ситуации: 20/401*100 = 4.98%. Это значит, что мы теряем 5% КПД при работе из-за разности напряжений на фазах.

Общие потери и падение КПД

Негативных факторов, которые оказывают влияние на падение КПД электродвигателя, очень много. Есть определенные методики, позволяющие их определять. К примеру, можно определить, есть ли зазор, через который частично передается мощность из сети к статору и далее — на ротор.

Потери в стартере также имеют место, и они состоят из нескольких значений. В первую очередь это могут быть потери, имеющие отношение к вихревым токам и перемагничиванию сердечников статора.

Если двигатель асинхронный, то имеют место дополнительные потери из-за зубцов в роторе и статоре. Также в отдельных узлах двигателя могут возникать вихревые токи. Все это в сумме снижает КПД электродвигателя на 0,5%. В асинхронных моторах учитываются все потери, которые могут возникать при работе. Поэтому диапазон коэффициента полезного действия может варьироваться от 80 до 90%.

Автомобильные двигатели

История развития электрических двигателей начинается с момента открытия закона электромагнитной индукции. Согласно ему, индукционный ток всегда движется таким образом, чтобы противодействовать вызывающей его причине. Именно эта теория легла в основу создания первого электрического двигателя.

Современные модели основаны на этом же принципе, однако кардинально отличаются от первых экземпляров. Электрические моторы стали намного мощнее, компактнее, но самое главное — их КПД значительно увеличился. Мы уже писали выше о том, какой КПД электродвигателя, и по сравнению с двигателем внутреннего сгорания это потрясающий результат. К примеру, максимальный КПД двигателя внутреннего сгорания достигает 45%.

Преимущества электрического двигателя

Высокий КПД — это главное достоинство подобного мотора. И если двигатель внутреннего сгорания тратит более 50% энергии на нагрев, то в электрическом моторе на нагрев уходит небольшая часть энергии.

Вторым преимуществом является небольшой вес и компактные размеры. Например, компания Yasa Motors создала мотор с весом всего 25 кг. Он способен выдавать 650 Нм, что очень приличный результат. Также такие моторы долговечные, не нуждаются в коробке передач. Многие владельцы электрокаров говорят об экономичности электрических двигателей, что логично в некоторой степени. Ведь при работе электромотор не выделяет никаких продуктов сгорания. Однако многие водители забывают о том, что для производства электроэнергии необходимо использовать уголь, газ или обогащенный уран. Все эти элементы загрязняют окружающую среду, поэтому экологичность электродвигателей — это очень спорный вопрос. Да, они не загрязняют воздух в процессе работы. За них это делают электростанции при производстве электроэнергии.

Повышение эффективности электродвигателей

Электрические двигатели обладают некоторыми недостатками, которые плохо влияют на эффективность работы. Это слабый пусковой момент, высокий пусковой ток и несогласованность механического момента вала с механической нагрузкой. Это приводит к тому, что КПД устройства снижается.

Для повышения эффективности стараются обеспечить нагрузку двигателя до 75% и выше и увеличивать коэффициенты мощности. Также есть специальные приборы для регулирования частоты подаваемого тока и напряжения, что тоже приводит к повышению эффективности и росту КПД.

Одним из самых популярных приборов для увеличения КПД электродвигателя является устройство плавного пуска, которое ограничивает скорость роста пускового тока. Также уместно использовать и частотные преобразователи для изменения скорости вращения мотора путем изменения частоты напряжения. Это приводит к снижению расхода электроэнергии и обеспечивает плавный пуск двигателя, высокую точность регулировки. Также увеличивается пусковой момент, а при переменной нагрузке стабилизируется скорость вращения. В результате эффективность электродвигателя повышается.

Максимальный КПД электродвигателя

В зависимости от типа конструкции, коэффициент полезного действия в электрических двигателях может варьироваться от 10 до 99%. Все зависит от того, какой именно это будет двигатель. Например, КПД электродвигателя насоса поршневого типа составляет 70-90%. Конечный результат зависит от производителя, строения устройства и т. д. То же самое можно сказать и про КПД электродвигателя подъемного крана. Если он равен 90%, то это значит, что 90% потребляемой электроэнергии пойдет на выполнение механической работы, остальные 10% — на нагрев деталей. Все же есть наиболее удачные модели электродвигателей, коэффициент полезного действия которых приближается к 100%, но не равен этому значению.

Возможен ли КПД свыше 100%?

Ни для кого не секрет, что электрические двигатели, КПД которых превышает 100%, не могут существовать в природе, так как это противоречит основному закону о сохранении энергии. Дело в том, что энергия не может взяться из ниоткуда и точно так же исчезнуть. Любой двигатель нуждается в источнике энергии: бензине, электричестве. Однако бензин не вечен, как и электроэнергия, ведь их запасы приходится пополнять. Но если бы существовал источник энергии, который не нуждался в пополнении, то вполне возможно было бы создать мотор с КПД свыше 100%. Российский изобретать Владимир Чернышов показал описание двигателя, который основан на постоянном магните, и его КПД, как уверяет сам изобретатель, составляет более 100%.

Гидроэлектростанция как пример вечного двигателя

Для примера возьмем гидроэлектростанцию, где энергия вырабатывается за счет падения с большой высоты воды. Вода вращает турбину, и та производит электричество. Падение воды осуществляется под действием гравитации Земли. И хотя работа по производству электроэнергии совершается, гравитация Земли не становится слабее, то есть сила притяжения не уменьшается. Далее вода под действием солнечных лучей испаряется и снова поступает в водохранилище. На этом цикл завершается. В результате электроэнергия выработана, затраты на ее производство возобновлены.

Конечно, можно сказать, что Солнце не вечно, это так, но пару-тройку миллиардов лет оно протянет. Что касается гравитации, то она постоянно совершает работу, вытягивая влагу из атмосферы. Если сильно обобщить, то гидроэлектростанция — это двигатель, который преобразует механическую энергию в электрическую, и его КПД составляет более 100%. Это дает понять, что искать пути создания электродвигателя, КПД которого может быть более 100%, прекращать не стоит. Ведь не только гравитацию можно использовать в качестве неисчерпаемого источника энергии.

Постоянные магниты как источники энергии для двигателей

Второй интересный источник — постоянный магнит, который ниоткуда не получает энергию, а магнитное поле не расходуется даже при совершении работы. Например, если магнит что-либо притянет к себе, то он выполнит работу, а его магнитное поле слабее не станет. Это свойство уже не раз пытались использовать для создания так называемого вечного двигателя, но пока что ничего более-менее нормального из этого не получилось. Любой механизм износится рано или поздно, но сам источник, которым является постоянный магнит, практически вечен.

Впрочем, есть специалисты, которые утверждают, что со временем постоянные магниты теряют свои силы в результате старения. Это неправда, но даже если бы и было правдой, то вернуть его к жизни можно было бы всего лишь одним электромагнитным импульсом. Двигатель, который бы требовал перезарядку раз в 10-20 лет, хоть и не может претендовать на роль вечного, но очень близко к этому подходит.

Уже было много попыток создать вечный двигатель на базе постоянных магнитов. Пока что не было удачных решений, к сожалению. Но учитывая тот факт, что спрос на такие двигатели есть (его просто не может не быть), вполне возможно, что в скором будущем мы увидим что-то, что очень близко подойдет к модели вечного мотора, который будет работать на возобновляемой энергии.

Заключение

КПД электродвигателя — это самый важный параметр, который определяет эффективность работы того или иного мотора. Чем выше КПД, тем лучше мотор. В двигателе с КПД 95% почти вся затрачиваемая энергия уходит на выполнение работы и только 5% расходуется не по нужде (например, на нагрев запчастей). Современные дизельные двигатели могут достигать значения КПД 45%, и это считается классным результатом. КПД бензиновых двигателей и того меньше.

Источник

Как повысить эффективность электродвигателя

Большинство насосов приводятся в действие с помощью асинхронных электродвигателей, это означает, что двигатели вносят вклад в общую эффективность насосной системы.

Данная статья посвящена исследованию ключевых аспектов эффективности электродвигателя, которые находятся под контролем пользователя. 2/3 всей вырабатываемой электроэнергии, потребляются электродвигателями, которые используются в различном оборудовании на промышленных площадках всего мира.

Электродвигатели развиваются на протяжении последних 150 лет. Не смотря на то, что существует большой выбор из различных конструкций двигателей (например синхронные, асинхронные или постоянного тока), наиболее используемым в промышленности на сегодняшний день является асинхронный электродвигатель переменного тока, т.к. является более надежным. Также асинхронный электродвигатель предпочтительнее при использовании частотного преобразователя. Достаточно высокая эффективность в сочетании с простотой изготовления, высокой надежностью и низкой ценой делает его самым широко-применяемым типом двигателя по всему миру.

Рисунок 1: Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором

На рисунке 1 показана обычная компоновка асинхронного электродвигателя с тремя обмотками статора, которые расположены вокруг сердечника. Обмотка ротора состоит из медных или алюминиевых стержней, торцы которых накоротко замкнуты кольцами. Кольца изолированы от ротора. В подшипниковом узле, как правило, используются шарикоподшипники с консистентной смазкой, за исключением очень больших двигателей. Смазка масляным туманом может значительно увеличить срок службы подшипников. Во всех асинхронных электродвигателях используется трехфазный ток, за исключением самых маленьких промышленных процессов (ниже 2 л.с.). Для запуска фазных двигателей необходимы другие средства, такие как щетки или конденсаторный пуск (использование конденсатора во время пуска).

Проблема эффективности двигателя

При использовании электродвигателя в качестве привода насоса потери энергии и падение давления в результате неэффективности насоса обычно гораздо больше, чем потери энергии связанные с неэффективностью электродвигателя, но они не являются незначительными. Оптимизация эффективности электродвигателя насоса может обеспечить реальную экономию стоимости рабочего цикла на протяжении всего срока службы насоса/электродвигателя. Ключевыми факторами, которые влияют на эффективность асинхронного двигателя являются:

• относительная нагрузка двигателя (негабаритные двигатели находящиеся под нагрузкой)
• скорость вращения (число полюсов)
• размер двигателя (номинальная мощность)
• класс двигателя: обычный КПД в сравнении с энергоэффективностью в с равнении с высоким КПД

Эффективность электродвигателя при частичной загрузке

Как показано на рисунке 2, эффективность асинхронного электродвигателя изменяется вместе с
относительной нагрузкой на электродвигатель по сравнению с номинальной характеристикой. Вплоть до нагрузки в 50% эффективность большинства электродвигателей остается линейной и для некоторых электродвигателей достигает пика у отметки 75%. Электродвигатели могут работать при нагрузке меньше 50% только в течение короткого промежутка времени и не могут эксплуатироваться при нагрузках меньше 20% от номинальных. Таким образом, когда отрегулированные рабочие колеса или насосы возвращаются к своим кривым «напор-подача», необходимо оценить воздействие относительной нагрузки на электродвигатель.

Рисунок 2: Эффективность электродвигателя для 100-сильных моторов — Обычные кривые характеристик при нормальном диапазоне нагрузок электродвигателя

На рисунке 2 также показано влияние скорости вращения на максимально-достижимую эффективность. 4-х полюсный электродвигатель при номинальных 1800 об/мин выходит на самый высокий КДП, а 2-х полюсный при номинальных 3600 об/мин дает низкую эффективность. Таким образом, хотя насосы с номинальной частотой вращения 3600 об/мин могут быть более эффективными (и иметь низкую закупочную стоимость), чем насосы со скоростью вращения 1800 об/мин, электродвигатели последних могут быть более эффективными, плюс эти насосы, как правило, имеют более низкий NPSHR и энергию всасывания, не говоря уже о более длительном сроке службы. Также следует отметить, что номинальная мощность электродвигателя влияет на его эффективность, большие электродвигатели имеют большую эффективность, чем малые.

Скорость вращения асинхронного электродвигателя

Синхронная скорость вращения асинхронного электродвигателя рассчитывается по следующей формуле:
n = 120*f/p
где:
n = скорость вращения в об/мин
f = частота питающей сети (Гц)
p = количество полюсов (min = 2)

Для регулирования частоты вращения электродвигателя без использования внешних механических устройств необходимо регулировать напряжение и частоту подаваемого тока. Некоторые электродвигатели могут быть изготовлены с несколькими обмотками (количество полюсов) для достижения двух или более различных скоростей вращения.

Асинхронные электродвигатели вращаются со скоростью, которая меньше скорости вращения магнитного поля (на 1-3% при полной нагрузке). Разница между фактической и синхронной частотой вращения называется скольжением. Для новых более энергоэффективных электродвигателей скольжение имеет тенденцию уменьшаться в отличие от старых электродвигателей с обычным КПД. Это означает, что при заданной нагрузке энергоэффективные электродвигатели работают немного быстрее.

Рисунок 3. Эффективность при полной и частичной загрузке двигателя с низким и высоким КПД

Электродвигатели с высоким КПД

На рисунке 3 изображен пример возможного повышения эффективности, когда старый электродвигатель с обычной эффективностью заменяется новым, имеющим более высокий КПД. Как упоминалось ранее, электродвигатели с высоким КПД работают с меньшим скольжением, что дает некоторое увеличение скорости вращения, а следовательно напор насоса и производительность становятся несколько больше.

Однако, использование электродвигателей с высоким КПД в некоторых (с изменением подачи) процессах будет не оправданно, из-за большей скорости вращения (и напора насоса), до тех пор пока существующие электродвигатели по-прежнему слабо загружены (работающие с низким КПД). Т.к. входная мощность на валу насоса пропорциональна скорости в кубе, простая замена старого электродвигателя новым с высоким КПД не обязательно приведет к снижению потребления энергии.

С другой стороны, если немного большая подача и напор для насоса — это хорошо, замена старого
электродвигателя с обычным КПД на новый с высоким КПД может быть оправдана.

Коэффициент мощности электродвигателя

Другая проблема, которая входит в игру с характеристиками асинхронного электродвигателя (которая имеет косвенное влияние на энергопотребление) называется «Коэффициент Мощности«. Некоторые
коммунальные предприятия обязывают клиентов платить дополнительные сборы за низкие значения
коэффициентов мощности. Потери в сети происходят за счет того, что при меньшем коэффициенте
мощности требуется большее количество тока, что приводит к серьезным потерям энергии. Как и КПД,
коэффициент мощности электродвигателя также снижается с уменьшением нагрузки на него практически по линейному закону приблизительно до 50% нагрузки.

Определение коэффициента мощности:
Фазовый сдвиг (задержка) синусоидальной волны тока от синусоиды напряжения, который выбарабывает меньшее количество полезной мощности.
Сдвиг, вызванный необходимым током намагничивания двигателя
PF = Pi/KVA
Где:
KVA = VxIx(3) 0.5 /1,000

Нижняя формула показывает, как коэффициент мощности влияет на входную мощность трехфазного
электродвигателя (кВт). Обратите внимание, что чем ниже коэффициент мощности (больший сдвиг фазы ток-напряжение VA), тем меньше входная мощность при данном входном токе и напряжении.
Где:
Pi = VxIxPF(3) 0.5 /1,000

Pi= трехфазный вход кВт
V= среднеквадратичное напряжение (среднее от 3 фаз)
I= среднеквадратичное значение силы тока в амперах (берется от 3 фаз)
PF= коэффициент мощности в виде дроби

Хотя коэффициент мощности не влияет напрямую на КПД электродвигателя, он оказывает влияние на потери в сети, как это упоминалось выше. Однако, есть способы увеличения PF (коэффициента мощности), а именно:

• покупка электродвигателей с изначально высоким PF
• не покупайте слишком большие электродвигатели (коэффициент мощности падает вместе с уменьшением
• нагрузки на электродвигатель)
• установка компенсирующих конденсаторов параллельно с обмотками электродвигателя
• увеличить полную загрузку коэффициента мощности до 95% (Max)
• преобразование в привод с частотным регулированием

Пусковые конденсаторы электродвигателей являются одним из наиболее поппулярных способов увеличения коэффициента мощности и имеют следующий список преимуществ:

• увеличение PF
• меньшение реактивного тока от электрооборудования через кабели и пускатели электродвигателейменьшее тепловыделение и потери мощности кВт
• По мере уменьшения нагрузки на электродвигатель растет возможность экономии, а PF
• падает ниже 60%-70%. (возможная экономия 10%)
• Уменьшение сборов за коэффициент мощности
• Увеличение общей производительности системы
• Интеллектуальная система управления электродвигателем
• Частотно-регулируемый электропривод

Более высокое напряжение
Другим способом повышения КПД электродвигателя является повышение рабочего напряжения. Чем выше напряжение, тем ниже ток и, тем самым будут ниже потери в сети. Однако, высокое напряжение приведет к увеличению цены частотно-регулируемого привода и сделает работу более опасной.

Выводы
Таким образом, когда вы пытаетесь сократить энергопотребление насосных систем не забывайте о
КДП электродвигателя и факторах, перечисленных выше, которые на него влияют.

Источник