КПД электродвигателей
Электрическими двигателями переменного или постоянного тока комплектуются приводы станков, насосов и вентиляторов, а также других механизмов, используемых на предприятиях тяжелой и легкой промышленности. Рентабельность производства напрямую зависит от себестоимости продукции, на которую в большой степени влияет эффективность эксплуатации оборудования, поэтому КПД и мощность электродвигателя являются основными параметрами, на основании которых выполняется подбор привода.
Определение КПД электродвигателя
Принцип работы любой электрической машины основан на преобразовании энергии тока, протекающего по обмоткам статора и создающего магнитное поле, во вращение ротора. Коэффициент полезного действия (КПД) электродвигателя определяется соотношением вырабатываемой им механической мощности на валу (p2) к полной мощности, потребляемой из сети (p1) и выражается в процентах:
Исходя из формулы, следует, что чем ближе этот параметр к единице, тем выше будет эффективность использования оборудования.
Факторы, влияющие на величину КПД
Коэффициент полезного действия никогда не может быть равным единице, так как существуют неизбежные потери, снижающие полезную мощность. Они делятся на три группы:
- электрические;
- магнитные;
- механические.
Электрические потери зависят от степени нагрузки двигателя и являются следствием нагрева обмоток статора, вызванного работой тока по преодолению электрического сопротивления проводников, из которых они выполнены. Поэтому максимальный КПД электродвигателя достигается, когда нагрузка на двигатель составляет 75% от максимальной расчетной величины.
Магнитные потери происходят из-за неизбежного перемагничивания активного железа статора и ротора, а также возникновения в нем вихревых токов.
Третья группа обусловлена наличием трения в подшипниках, на которых вращается вал, а также сопротивлением, оказываемым воздухом крыльчатке вентилятора и самому ротору (якорю). Из-за наличия щеточно-коллекторного узла КПД электродвигателя постоянного тока несколько ниже коэффициента полезного действия машин с короткозамкнутым ротором. Это также относится к асинхронным электродвигателям с фазным ротором из-за дополнительного трения щеток об контактные кольца.
Способы повысить КПД двигателя
Следует помнить, что реальный коэффициент полезного действия может несколько отличатся от паспортных величин, указанных на шильдике двигателя. Чтобы выполнить расчет КПД электродвигателя в реальных условиях эксплуатации, необходимо учитывать неравномерность распределения питающего напряжения в фазах. В зависимости от величины асимметрии падение полезной мощности может достигать 5-7%.
Увеличение КПД электрической машины возможно только за счет снижения потерь и контроля качества силовой сети.
Механические потери можно уменьшить благодаря более качественным подшипникам, установки крыльчатки вентилятора, выполненной из современных материалов для уменьшения сопротивлению воздуху. Нагрев обмоток можно уменьшить благодаря использованию обмоточных проводов, выполненных из очищенной меди, имеющих меньшее сопротивление.
Снизить потери на перемагничивание активного железа и минимизировать влияние вихревых токов можно используя для набора сердечника необходимо использовать качественную электромагнитную сталь с надежной изоляцией. Кроме того, ведутся работы по разработке наилучшей геометрии зубцов статора, благодаря которым будет увеличена концентрация магнитного поля.
В реальности КПД асинхронного электродвигателя можно несколько увеличить за счет использования частотного преобразователя, позволяющего оптимизировать расход электроэнергии. Следует помнить, что эффективность эксплуатации двигателя с КПД 98% сильно упадет, если его использовать для приведения в движения механизма, имеющего более низкий коэффициент полезного действия.
КПД заявленный и КПД реальный
Актуальность энергоэффективности не просто пропагандируется с высоких трибун, но уже является ключевой характеристикой при создании новой современной продукции и сложных систем, соответствующих шестому технологическому укладу . Так как по мировой статистике примерно половина всей генерируемой электроэнергии расходуется именно на питание электродвигателей, то величина их КПД (коэффициент полезного действия) приобретает особое значение. А когда речь на бытовом уровне заходит про квадрокоптеры или электромобили, то все хотят, чтобы они летали и ездили как можно дольше без подзарядки.
Мном — номинальный крутящий момент (в режиме S1), Н·м; Ммакс — максимальный крутящий момент (в режиме S2), Н·м; Pном – номинальная мощность (в режиме S1), кВт; Pмакс – максимальная мощность (в режиме S2), кВт; N – номинальные обороты, об/мин
В двух словах КПД электрической машины (электродвигателя или электрогенератора) можно определить как отношение механической мощности к подводимой электрической.
Известно, что с понижением оборотов механическая мощность электродвигателя линейно уменьшается, а мощность электрических потерь при поддержании номинального момента остается почти постоянной. Это приводит к тому, что КПД с уменьшением оборотов неуклонно уменьшается, а на нулевых оборотах формально становится равным нулю.
Вообще, КПД электродвигателя зависит не только от оборотов, но и от величины крутящего момента. Если в рабочем диапазоне оборотов не требуется поддерживать максимальный или номинальный крутящий момент, то численный показатель КПД можно несколько улучшить за счёт уменьшения электрических потерь.
Все изготовители электродвигателей теперь стремятся достичь максимального КПД своего электродвигателя, желательно более 90%. Однако, далеко не у всех получается: у столь распространённых маломощных асинхронных и шаговых двигателей это в принципе невозможно, а у синхронных многое зависит от способа решения проблемы полюсного «залипания» и паразитных электрических потерь в статоре.
Специальные версии электродвигателей серии EM с предельными и рекордными удельными характеристиками в своём классе
Если Вы покрутите синхронную электрическую машину за вал, то в большинстве случаев почувствуете магнитное «залипание», при котором вал будет вращаться рывками. Данный эффект связан с наличием постоянных магнитов в роторе и сильно зависит от конструкции много-полюсной системы «статор-ротор» электрической машины. Некоторые синхронные электродвигатели даже невозможно провернуть рукой, настолько там сильное полюсное «залипание». При работе такие электродвигатели издают повышенный шум или тарахтение, которые тем громче, чем сильнее выражен эффект «залипания».
А вот у синхронных электродвигателей серий EM и iEM полюсное «залипание» практически отсутствует (менее 1 Н·м)! Достигается это благодаря запатентованной компоновки статора и ротора.
Полное отсутствие полюсного «залипания» и рекордный КПД благодаря запатентованной технологии композитного статора CCSC-3
В результате, для вращении этих электродвигателей не нужно расходовать дополнительную энергию на преодоление «залипания», что позволяет достигать более высокого КПД. В электродвигателях серий iEM , имеющих железный сердечник, КПД может достигать 95% , а в электрических машинах серий AW и EM , не имеющих железного сердечника в статоре, КПД может достигать рекордных 98,5% !
Для качественно измерения КПД электрической машины во всём рабочем диапазоне оборотов и крутящих моментов требуется специальный измерительный стенд, который есть только у изготовителей электродвигателей и электроприводов, да и то не у всех. Понимая свою безнаказанность, большинство инноваторов не стесняются публиковать высокие показатели КПД своих синхронных электродвигателей, несмотря на чудовищное «залипание» ротора своих образцов. Например, если номинальный крутящий момент синхронного двигателя составляет 100 Н·м, а момент полюсного «залипания» — 10 Н·м, то КПД электродвигателя никак не сможет достичь планки в 90% и выше, не нарушая закона сохранения энергии. Впрочем, изобретатели Perpetuum Mobile никогда не переведутся.
Какой максимальный кпд может быть у современных мощных электродвигателей
Вопрос по физике:
Какой максимальный КПД может быть у современных мощных электродвигателей?
Какими преимуществами обладают электрические двигатели по сравнению с тепловыми.
Трудности с пониманием предмета? Готовишься к экзаменам, ОГЭ или ЕГЭ?
Воспользуйся формой подбора репетитора и занимайся онлайн. Пробный урок — бесплатно!
- 18.06.2015 16:29
- Физика
- remove_red_eye 8657
- thumb_up 17
Ответы и объяснения 1
Кпд=98%
Преимущества:в сравнении с тепловыми имеют меньшие размеры,при работе не выделяют дыма и пара(не загрязняют воздух);им не нужун запас топлива и воды,можно установить в удобном месте.
- 19.06.2015 15:01
- thumb_up 37
Знаете ответ? Поделитесь им!
Как написать хороший ответ?
Чтобы добавить хороший ответ необходимо:
- Отвечать достоверно на те вопросы, на которые знаете правильный ответ;
- Писать подробно, чтобы ответ был исчерпывающий и не побуждал на дополнительные вопросы к нему;
- Писать без грамматических, орфографических и пунктуационных ошибок.
Этого делать не стоит:
- Копировать ответы со сторонних ресурсов. Хорошо ценятся уникальные и личные объяснения;
- Отвечать не по сути: «Подумай сам(а)», «Легкотня», «Не знаю» и так далее;
- Использовать мат — это неуважительно по отношению к пользователям;
- Писать в ВЕРХНЕМ РЕГИСТРЕ.
Есть сомнения?
Не нашли подходящего ответа на вопрос или ответ отсутствует? Воспользуйтесь поиском по сайту, чтобы найти все ответы на похожие вопросы в разделе Физика.
Трудности с домашними заданиями? Не стесняйтесь попросить о помощи — смело задавайте вопросы!
Физика — область естествознания: естественная наука о простейших и вместе с тем наиболее общих законах природы, о материи, её структуре и движении.
Электродвигатели с высокой энергоэффективностью
Экологическое мышление мотивирует многих, а экология сама по себе является темой повседневной жизни. К сожалению, не в сфере бизнеса, хотя именно там любое ограничение потребления энергии означает огромную экономию. Электродвигатели с высоким КПД могут помочь в реализации этой задачи, тем более, что все более жесткие нормы во многих странах просто требуют этого.
Стоит знать, что когда говорят о двигателях с высоким КПД, то это относится обычно к традиционным асинхронным двигателям. Индукционные двигатели выпускаются в стандартном энергетическом исполнении, в исполнении с повышенной эффективностью и суперэффективные, – говорит Дэвид Хансен, глобальный менеджер продукта Kinetix Motion Control Rockwell Automation. — Двигатели же с постоянными магнитами выпускаются только по одному энергетическому классу.
Не случайно двигатели с постоянными магнитами предлагаются только в одном энергетическом классе: их конструкция сама по себе обеспечивает высокий КПД, поскольку исключает потребность намагничивания ротора. Джон Малиновски, старший продукт-менеджер в фирме Baldor Electric Company подчеркивает, что существует группа индукционных двигателей, которые соответствуют международным стандартам IEC 60034-30 по категории IE3 (высшая категория) и американским NEMA по категории Premium (тоже высшая категория).
По этой причине обсуждение ограничится универсальными асинхронными двигателями, роторы которых изготовлены из ферромагнитных материалов. Характеристики эффективности двигателей с постоянными магнитами будут обсуждены в другой раз.
— Двигатели энергетической категории Premium (аналог IE3) более чувствительны к исполнению, чем более старые двигатели, они создают меньше шума и вибрации, выделяют меньше тепла и являются более долговечными, — утверждает Малиновски.
— Более высокий КПД современных асинхронных двигателей является результатом совершенствования конструкции, правильной геометрии обмоток, использования более качественных материалов (в том числе меди в роторе), что приводит к более эффективному преобразованию электрической энергии в механическую, — утверждает Петер Фишбах, менеджер промышленного сектора в фирме Rexroth.
Что определяет КПД двигателя
— Ключом к более высокому КПД является ограничение потерь – констатирует Малиновски. – Больше меди в обмотке — меньше потери в проводимости, а в свою очередь более качественная магнитная сталь уменьшает потери на перемагничивание. Меньшие потери мощности — это меньший нагрев, следовательно, и меньший охлаждающий вентилятор – очередная выгода.
Фишбах добавляет, что б?льшая часть потерь ? это потери на проводимости в роторе и статоре, часто называемые потерями на гистерезиса или потерями в железе.
Хансен перечисляет по пунктам список конструктивных решений, повышающих энергоэкономичность их приводов:
- Сопротивление обмоток. ? С ростом сопротивления обмоток снижается КПД. Чтобы повысить эффективность двигателей, проектировщики стараются снизить сопротивление за счет увеличения количества меди в желобках и уменьшения обмоток, выступающих за статор.
- Ламинирующее средство. – Потери в обмотках статора зависят непосредственно от качества примененной магнитной стали и от ламинирующего средства. Тонкий изолирующий слой приводит к меньшим потерям в сердечнике, нежели толстый слой.
- Геометрия зубьев. – Специальная геометрия зубьев увеличивает концентрацию магнитного потока внутри двигателя. Б?льшая концентрация ? это меньшее рассеяние энергии, а следовательно, более высокий КПД
Важен комплекс
— Целью большинства промышленных применений является сочетание высокого КПД с высокой производительностью, – считает Фишбах. — Ключ к успеху — анализ, моделирование и оптимизация всей системы, предшествующие принятию решения о закупке отдельных компонентов, таких, как двигатели.
С этим соглашается Малиновски: — Замена двигателей — это простой шаг в стремлении к большей эффективности, но выгода здесь ограничена. Стоит иметь двигатели с КПД порядка 95%, но они должны взаимодействовать с высококачественными трансмиссиями с КПД 90-95%, а не с изношенными конструкциями с КПД 50-60%.
Фишбах подтверждает: — Более высокая эффективность — понятие относительное, поскольку надо учитывать и другие факторы, влияющие на общую эффективность системы, такие, как время цикла или объем производства. Например, моментный двигатель с КПД 80% может потреблять меньше энергии, чем сервопривод с КПД 95%, поскольку не требует применения трансмиссии, а это может дополнительно увеличивать производительность системы.
Чего не делать
— Самые большие ошибки совершают те инженеры, которые все внимание сосредотачивают на щитке двигателя и ожидают пропорционального роста эффективности в их приложении, – предостерегает Фишбах.
Любой, в том числе и энергосберегающий двигатель имеет свою характеристику, поэтому он должен быть подобран к конкретному применению. Например, двигатель энергетического класса «премиум» не сэкономит много энергии, если он будет загружен частично или будет использоваться спорадически.
Малиновски приводит пример замены старого двигателя, работающего с центробежным насосом, на новый премиум-класса. Ротор насоса, который был спроектирован под взаимодействие со старым двигателем, не заменяют. Новый, более производительный двигатель будет, вероятно, работать с более высокими оборотами, что вызовет общий рост потребления энергии. Система может быть более энергоэффективна, но дополнительная работа, которая будет совершена, может быть ненужной.
— Проектировщики, которые действительно заинтересованы увеличением эффективности, не будут стремиться исключительно к замене двигателя, а проанализируют всю систему на предмет расходования энергии, – советует Хансен. — Даже самый производительный двигатель, работая с низкоэффективной передачей, не принесет существенных энергетических выгод. Любая механическая передача между двигателем и нагрузкой — это потеря энергии. Очень точные геликоидальные трансмиссии сразу после извлечения из упаковки имеют КПД 90-95%. Изношенная трансмиссия — это КПД на уровне 50-60%.
— Самым лучшим решением с точки зрения эффективности машины был бы отказ от механических трансмиссий и применение моментных двигателей (с постоянными магнитами) – заключает он.
А вы включаете в проект, а потом покупаете двигатели с высоким КПД? Будьте к этому готовы.