От чего зависит кпд электрической машины
Перейти к содержимому

От чего зависит кпд электрической машины

  • автор:

6 Потери мощности и коэффициент полезного действия (КПД) коллекторной машины постоянного тока

В МПТ, как и в других электрических машинах, имеют место основные и добавочные потери мощности.

а) Основные потери

1) Магнитные потери Р м

Происходят только в сердечнике якоря, так как только этот элемент магнитной цепи машины подвергается перемагничиванию (так как якорь вращается в магнитном поле).

Величина магнитных потерь, состоящих из потерь от гистерезиса (на перемагничивание) и потерь от вихревых токов зависит от:

— частоты перемагничивания f=pn/60 ;

— значения магнитной индукции в зубцах и спинке якоря;

— толщины листов электротехнической стали, её магнитных свойств и качества изоляции этих листов в сердечнике якоря.

2) Механические потери Р мех

Они складываются из потерь на трение щеток о коллектор, трения в подшипниках и на вентиляцию.

Механические и магнитные потери при постоянной частоте вращения можно считать постоянными. Сумма этих потерь составляют потери х.х.

3) Электрические потери

Они обусловлены нагревом обмоток и щеточного контакта.

Потери в обмотке якоря:

Потери в цепи возбуждения определяются потерями в обмотке возбуждения и в реостате, включенном в цепь возбуждения:

Р э.в =U в ·I в . (3)

Электрические потери в щеточном контакте:

Р э.щ =ΔU щ ·I а , (4)
где ΔU щ – переходное падение напряжения на паре щеток, В, принимаемое по стандарту в соответствии с маркой щеток.

Электрические потери зависят от нагрузки машины, поэтому эти потери называют переменными .

б) Добавочные потери Р д

Эти потери складываются из:

— потерь на вихревые токи в меди обмоток;

— потерь в уравнительных соединениях;

— потерь в стали якоря из-за неравномерного распределения индукции при нагрузке;

— потерь в полюсных наконечниках из-за пульсации основного потока вследствие зубчатости якоря.

Добавочные потери не поддаются точному определению и в соответствии с Государственным стандартом их принимают равными:

— для машин без компенсационной обмотки -1% от полезной мощности для генераторов или 1% от потребляемой мощности для двигателей;

— для машин с компенсационной обмоткой значение добавочных потерь принимают равными соответственно 0,5%.

Мощность на входе машины (потребляемая мощность), вт:

— для генератора (механическая мощность)

— для двигателя (электрическая мощность)

Мощность на выходе машины (полезная мощность), Вт:

— для генератора (электрическая мощность)

— для двигателя (механическая мощность)

Здесь М 1 и М 2 – моменты на валу машины, Н·м; n — частота вращения якоря, об/мин.

Коэффициент полезного действия

КПД это отношение полезной мощности Р 2 к потребляемой Р 1:

Определив суммарную мощность потерь

получим формулы для определения КПД:

КПД машин постоянного тока мощностью от 1 до 100 кВт составляет 0,75-0,90, а для машин мощностью свыше 100 кВт 0,90-0,97.

Зависимость КПД от нагрузки выражается графиком η=f(P 2 )

Из графика видно, что при увеличении нагрузки КПД начинает увеличиваться, достигая максимального значения при нагрузке около 80% от номинальной, а затем начинает резко убывать из-за интенсивного роста электрических потерь.

КПД электрической машины можно определять:

а) методом непосредственной нагрузки по результатам измерений потребляемой мощности Р 1 и полезной мощности Р 2, но он применим только для машин малой мощности;

б) косвенным методом по результатам измерений потерь.

Существует несколько косвенных способов определения КПД. Наиболее прост способ холостого хода двигателя, когда потребляемая мощность затрачивается только на потери х.х. Р 0 м мех. Электрические и добавочные потери при этом определяют расчетным путем.

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 6-му 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.

Графики зависимости крутящего момента и мощности от оборотов

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

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 , AEM , iEM и sEM полюсное «залипание» практически отсутствует (менее 1 Н·м)! Достигается это благодаря запатентованной компоновки статора и ротора.

Полное отсутствие полюсного

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.

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:

КПД электродвигателя

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.

Для оформления заказа позвоните менеджерам компании Кабель.РФ ® по телефону +7 (495) 646-08-58 или пришлите заявку на электронную почту zakaz@cable.ru с указанием требуемой модели электродвигателя, целей и условий эксплуатации. Менеджер поможет Вам подобрать нужную марку с учетом Ваших пожеланий и потребностей.

КПД электродвигателя

Для начала стоит понять, что же такое электродвигатель. В общем понимании — это устройство, служащее для преобразования одного вида энергии в другой. В данном случае электрической в механическую по средствам электромагнитной индукции. Кроме того, предусмотрена возможность работы и в обратном режиме, превращая механическую энергию в электрическую.

Как и любая электрическое устройство, электродвигатель обладает рядом основных рабочих характеристик: момент вращения, мощность, частота вращения, заявленные величины тока и напряжения, ну и, конечно же, коэффициент полезного действия.

Вращающий момент – это, по сути, сила вращения вала двигателя. Именно моментом вращения определяется мощность двигателя. Расчёт производится по формуле:

Мощность – параметр, показывающий величину полезной работы, совершаемой двигателем. Формула для расчёта:

Частота вращения – параметр, который, как правило, указан в паспорте изделия и зависит напрямую от числа пар полюсов. Расчётная формула: .

Номинальный ток – та величина тока, при которой оборудование может работать неограниченное количество времени при нагреве токоведущих частей.

Номинальное напряжение – напряжение на которое спроектирована сеть, либо конкретное оборудование.

Коэффициент полезного действия – параметр, показывающий эффективность процесса преобразования одного вида энергии в другой. То есть, чем выше КПД, тем эффективнее работа электродвигателя.

Каким образом КПД определяется.

Формула расчёта КПД очень проста: это отношение полезной мощности к подведённой. Вид записи следующий:

Где – полезная мощность, — подведённая мощность.

Величина эта лежит в диапазоне от 0 до 1. Чем значение больше, тем эффективнее работа. Например, при КПД равно 0,6 40% мощности будет потеряны в процессе преобразования, такой электродвигатель эффективным считаться не может.

Важно: КПД не является статичным параметром и может изменяться в зависимости от нагрузки.

Причины снижения КПД.

К сожалению, привести КПД к единице, или же 100% просто физически невозможно. Обусловлено это рядом потерь, приводящих к снижению коэффициента:

Электрические – зависят от величины загрузки самого оборудования. Возникают из-за перегрева обмотки статора, что происходит при преодолении сопротивления материала силой тока;

Магнитные – в основном, возникают из-за образования вихревых токов, а так же при перемагничивании железа статора и ротора;

Механические – являются следствием работы подшипников, на которых вращается вал, потери возникают из-за трения. И в малой доли сопротивлением воздуха крыльчатке вентилятора.

Способы повышения КПД.

Для начала стоит понимать, что реальный КПД может отличаться от заявленного изготовителем на величину от 4 до 7%, что чаще всего является следствием неравномерности распределения фаз и напряжения питания. Поднять коэффициент полезного действия электродвигателя можно, но сделать это нелегко.

Если говорить открыто, то прямого способа именно повысить КПД не существует, есть лишь способы сократить потери.

Так электрические можно сократить, уменьшив температуру и скорость нагрева материалов, из которых выполнена обмотка, что достигается за счёт использования проводов с меньшим удельным сопротивлением. Однако, это приведёт к удорожанию.

Механические можно свести к минимуму благодаря использованию подшипников из более качественных материалов, а так же замене материала крыльчатки на более современный, что позволит свести сопротивление воздуху к минимальным значениям.

Для снижения магнитных потерь необходимо при наборе сердечника использовать электромагнитную сталь высшего класса с надёжной изоляцией.

Кроме того, можно «выиграть» пару процентов за счёт частотного преобразователя, однако вариант доступен только для асинхронной машины.

Мнение эксперта: зачастую поднять КПД на пару процентов помогает контроль уровня напряжения электрической сети.

Средний и максимальный КПД электродвигателя.

Немного выше указывалось, что КПД зависит не только от потерь, но и от заданной нагрузки. Рассмотрим простой пример: есть электродвигатель с заявленным КПД 92%, питающая сеть не идеальна, есть лёгкая асимметрия токов.

На холостом ходу КПД равен 0. При полной нагрузке максимальное КПД составит 87%. Нагрузив двигатель на 25%, КПД его станет 83%, нагрузив на 50% — получим КПД 87%, при нагрузке в 75% КПД составим 88%. Что из этого следует?

Не трудно проследить, что средний КПД электродвигателя в данном случае составляет 87%, он же отличается от заявленного на 5% ввиду асимметрии токов.

Максимальный же КПД составил 88% при нагрузке 0,7 – 0,8 от номинальной. Данный режим работы является наиболее эффективным и экономически выгодным – максимум пользы при минимуме затрат.

Может ли быть КПД выше 100%? Нет, даже в теории это невозможно. Хотя бы даже по той причине, что энергия не может возникнуть из ниоткуда, точно так же она не может попросту раствориться. Единственный вариант – нескончаемый источник энергии, при существовании которого КПД двигателя может составить 100%, а, возможно, вовсе превзойти его.

Подводя итоги, смело можно заявить – КПД двигателя важнейший параметр, определяющий эффективность работы и мощность. Тут принцип простой до глупости: больше – лучше. Конечно, достижение максимального результата в 100% на данный момент технически невозможно ввиду большого количества факторов, влияющих на работу. Но прогресс не стоит на месте и кто знает, может быть через 10, а то и через 5 лет, максимум уже будет достигнут.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *