КПД электродвигателей. Кпд электродвигателя в процентах.

Электродвигатели существуют уже некоторое время, но интерес к ним возрос после того, как они стали альтернативой двигателям внутреннего сгорания. Особый интерес представляет КПД электродвигателя, который является одной из его основных характеристик.

Содержание

КПД электродвигателей

Электродвигатели переменного или постоянного тока используются для привода станков, насосов и вентиляторов, а также других машин в тяжелой и легкой промышленности. Рентабельность производства напрямую зависит от себестоимости продукции, на которую большое влияние оказывает эффективность работы оборудования, поэтому КПД и производительность электродвигателя являются наиболее важными параметрами при выборе привода.

Принцип работы любого электродвигателя основан на преобразовании энергии тока, проходящего через обмотки статора и создающего магнитное поле, во вращение ротора. КПД электродвигателя — это отношение между механической мощностью на валу (p2) и полной мощностью, потребляемой из сети (p1), выраженное в процентах:

Формула показывает, что чем ближе этот параметр к единице, тем выше эффективность устройства.

Факторы, влияющие на величину КПД

КПД никогда не может быть равен единице, поскольку существуют неизбежные потери, которые уменьшают полезную мощность. Они делятся на три группы:

электрические;
магнитные;
механические.

Электрические потери зависят от степени зарядки двигателя и являются следствием нагрева обмоток статора, вызванного работой тока по преодолению электрического сопротивления составляющих их проводников. Таким образом, максимальный КПД электродвигателя достигается, когда нагрузка на двигатель составляет 75% от расчетного максимального значения.

Магнитные потери обусловлены неизбежным перемагничиванием активного железа в статоре и роторе и возникновением биполярных токов в последнем.

Третья группа обусловлена трением в подшипниках, на которых вращается вал, и сопротивлением воздуха крыльчатке вентилятора и самому ротору (якорю). Из-за щеточно-коллекторного узла КПД двигателя постоянного тока несколько ниже, чем у двигателя с короткозамкнутой клеткой. Это также относится к асинхронным двигателям с намотанным фазным ротором из-за дополнительного трения щеток о контактные кольца.

Способы повысить КПД двигателя

Помните, что фактическая мощность может незначительно отличаться от значений, указанных на заводской табличке двигателя. При расчете КПД электродвигателя в реальных условиях эксплуатации необходимо учитывать неравномерное распределение напряжения питания между фазами. В зависимости от степени асимметрии, падение полезной мощности может составлять 5-7 %.

Повышение эффективности электрической машины возможно только за счет снижения потерь и контроля качества электросети.

Механические потери можно уменьшить, используя более качественные подшипники и устанавливая крыльчатки вентиляторов из современных материалов для снижения сопротивления воздуха. Нагрев обмотки можно уменьшить, используя обмоточные провода из рафинированной меди с меньшим сопротивлением.

Снижение потерь на намагничивание в активном железе и минимизация влияния разветвления может быть достигнуто за счет использования высококачественной электромагнитной стали с надежной изоляцией для всего сердечника. Кроме того, ведутся работы по разработке оптимальной геометрии зубцов статора, которая увеличивает концентрацию магнитного поля.

На самом деле, эффективность асинхронного двигателя можно легко повысить, используя преобразователь частоты для оптимизации энергопотребления. Следует помнить, что двигатель с КПД 98% будет иметь гораздо меньший КПД, если его использовать для привода двигателя с более низким КПД.

Чтобы сделать заказ, позвоните менеджерам Kabel.RF® по телефону +7 (495) 646-08-58 или отправьте запрос по электронной почте zakaz@cable.ru, указав модель двигателя, назначение и условия эксплуатации. Наш менеджер поможет вам выбрать подходящую марку в соответствии с вашими потребностями и требованиями.

Немного истории и современности

Самым важным толчком к развитию электродвигателей стало открытие закона электромагнитной индукции. Он гласит, что индуцированный ток движется таким образом, что нейтрализует причину. Это послужило основой для создания первого электродвигателя.

Современное производство электродвигателей следует той же теории, но сегодняшние модели во многом отличаются от прототипа. Электромоторы мощнее, меньше и, прежде всего, эффективнее. Если сравнить это с эффективностью двигателя внутреннего сгорания, то результат будет отнюдь не в пользу последнего. Наибольший КПД такого двигателя составляет максимум 45 %.

Основные характеристики работы моторов

Основная функция двигателя — преобразование электрической энергии в механическую. Эффективность — это мера эффективности, с которой выполняется эта функция. Формула для КПД электродвигателя выглядит следующим образом:

Где p1 — подводимая электрическая мощность, а p2 — полезная механическая мощность, вырабатываемая электродвигателем.

Однако все не так просто. Функция и применение двигателя, а также многие другие переменные улучшают расчет и делают его более индивидуальным.

В чем плюсы электромотора

Электродвигатели имеют много преимуществ перед двигателями внутреннего сгорания. Вот некоторые из них:

Высокий КПД.
ДВС тратит примерно половину энергии на нагрев мотора. В случае с электрическим двигателем на это затрачивается совсем небольшое количество энергии.
Электромотор гораздо меньше весит и более компактен. Новый двигатель фирмы Yasa Motors весит всего двадцать пять кг, при этом являясь достаточно мощным.
Долгий срок эксплуатации.
Автомобилям с электрическим двигателем не нужна коробка передач.
Экологичность: машина не производит вредных выбросов в атмосферу. Однако это лишь отчасти правдиво, потому что для получения энергии электростанции используют природные ресурсы — газ, уголь, атомные реакции, и это является вредоносным фактором.

Мощность и коэффициент полезного действия электродвигателей

Электродвигатели имеют высокий коэффициент полезного действия (COP), но они все еще далеки от идеальных размеров, к которым стремятся конструкторы. Это происходит потому, что силовая установка преобразует одну форму энергии в другую, выделяя тепло и вызывая неизбежные потери. Рассеивание тепловой энергии может быть зафиксировано в различных компонентах любого типа двигателя. Потери мощности в электродвигателях являются результатом местных потерь в обмотке, в стальных деталях и во время механической работы. Дополнительные потери вносят свой вклад в эти потери, пусть даже в незначительной степени.

Магнитные потери мощности

Во время обмотки в магнитном поле якоря двигателя возникают магнитные потери. Их величина, которая складывается из суммы двухтоковых потерь и потерь на перемагничивание, зависит от частоты намагничивания, магнитной индукции спинки якоря и зубцов якоря. Толщина используемых электротехнических листов и качество изоляции также играют важную роль.

Читайте также: Какие материалы не проводят электричество Тест

Механические и электрические потери

Механические потери электродвигателя, как и магнитные потери, постоянны. Они состоят из потерь на трение в подшипниках, потерь на трение в щетках и потерь на вентиляцию двигателя. Минимизация механических потерь возможна благодаря использованию современных материалов, характеристики которых улучшились с годами. С другой стороны, электрические потери не являются постоянными и зависят от нагрузки на электродвигатель. В основном они вызваны нагревом щеток и щеточных контактов.

Добавочные потери

Дополнительные потери мощности в электродвигателях состоят из потерь, возникающих в изодинамическом соединении, и потерь, возникающих из-за неравномерной индукции в стали якоря при высокой нагрузке. Общая сумма дополнительных потерь обусловлена разветвлением, а также потерями на полюсных зажимах. Поскольку точно определить все эти величины сложно, их сумма обычно принимается равной 0,5-1 %. Эти цифры используются для расчета общих потерь, чтобы определить КПД двигателя.

КПД и его зависимость от нагрузки

КПД электродвигателя — это соотношение между активной мощностью привода и потребляемой мощностью. Для двигателей мощностью до 100 кВт этот показатель составляет от 0,75 до 0,9. Для генераторных установок большей мощности КПД гораздо выше: от 0,9 до 0,97. Определив общие потери в электродвигателях, можно с достаточной степенью точности рассчитать КПД любой генераторной установки. Этот метод определения эффективности называется косвенным и может применяться к машинам различной мощности.

Он быстро и стабильно достигает пика, но после достижения максимума начинает медленно снижаться. Это связано с увеличением электрических потерь при нагрузках, превышающих 80% от номинальной мощности. Падение КПД невелико, что указывает на высокую эффективность электродвигателей в широком диапазоне мощности.

Характеристики КПД в электродвигателях

Электродвигатели относятся к категории устройств, преобразующих электрическую энергию в механическую. Эффективность этих устройств определяет, насколько эффективно они выполняют свою основную функцию.

Как определить КПД двигателя? Формула для КПД электродвигателя: ƞ = P2/P1. В этой формуле P1 обозначает подводимую электрическую мощность, а P2 — полезную механическую мощность, вырабатываемую двигателем. Значение электрической мощности (P) определяется по формуле P = UI, а механической мощности — по формуле P = A/t, как отношение работы к единице времени.

Основные характеристики работы моторов

Что характеризует кпд электродвигателя. Кпд электродвигателей и что влияет на его значение

В электродвигателе, когда электрическая энергия преобразуется в механическую, часть энергии теряется в виде тепла, которое сразу же рассеивается на различные части двигателя и частично в окружающую среду. Все потери делятся на три типа: механические потери, потери в обмотке и потери в стали. Однако есть и другие потери.

Расчет потерь в электрическом двигателе

Для расчета потерь в электродвигателе используют специальные формулы. На диаграммах можно заметить, что часть мощности, которая подается к статору из электросети, передается на ротор через зазор. Рэм – это электромагнитная мощность.

Потери мощности непосредственно в статоре – это слагаемое потерь на вихревые токи и на частичное перемагничивание сердечника самого статора. Если рассматривать потери в стали, они настолько незначительные, что редко принимаются во внимание. Объяснить такое можно достаточно просто. Скорость вращения самого статора электродвигателя значительно выше скорости, создаваемой магнитным потоком. Так происходит только в том случае, если скорость вращения ротора полностью соответствует техническим характеристикам электромотора, заявленным производителем.

Механическая мощность на валу ротора, как правило, меньше мощности Рэм ровно на количество потерь в обмотке. Механические потери в основном приходятся на определенное трение в подшипниках, а также на трение щеток, что характерно для электродвигателей с фазными роторами и на трение вращающихся частей, встречающих воздушную преграду.

Добавочные потери в асинхронных электродвигателях обусловлены наличием зубчатости статора и ротора, вихревых потоков в разных узлах электродвигателя и иными потерями. При расчете такие потери уменьшают КПД электродвигателя на половину процента от номинальной мощности.

КПД асинхронного двигателя уменьшается на сумму потерь мощности, рассчитанных по формуле. Общие потери напрямую зависят от нагрузки на двигатель. Чем выше нагрузка, тем выше потери и тем ниже КПД.

Асинхронный электродвигатель разработан с учетом всех потерь при максимальной нагрузке. Поэтому эта маржа может быть довольно большой. КПД большинства асинхронных двигателей составляет 80-90%. Имеются высокопроизводительные двигатели с КПД 90-96%.

Потеря магнитной энергии

Механические и электрические потери

Механические потери электродвигателя, как и магнитные потери, постоянны. Они состоят из потерь на трение в подшипниках, потерь на трение в щетках и потерь на вентиляцию двигателя. Минимизация механических потерь возможна благодаря использованию современных материалов, характеристики которых улучшаются с годами. С другой стороны, электрические потери не являются постоянными и зависят от нагрузки на электродвигатель. В основном они вызваны нагревом щеток и щеточных контактов. Потери в якоре и поле снижают КПД. Механические и электрические потери являются основными причинами колебаний мощности в двигателях.

Сравнение электродвигателя без противоЭДС с обычным, по мощности потребления

Для упрощения анализа возьмем любой коммутаторный или вентильный двигатель. Он состоит из ротора и статора. Обмотки возбуждения могут находиться на роторе со статором или на одном роторе или статоре (если используются постоянные магниты). Когда на двигатель подается напряжение, ротор и статор начинают двигаться относительно друг друга, и в обмотках ротора или статора (если ротор возбуждается постоянными магнитами) индуцируется электромагнитное напряжение, всегда против внешнего напряжения питания. По мере увеличения скорости вращения ротора (действительной или кажущейся линейной скорости проводника относительно поля магнитного возбуждения) ток в обмотках уменьшается под действием этой ЭЭД и, следовательно, уменьшается крутящий момент. Для увеличения этого показателя необходимо увеличить напряжение (мощность) питания двигателя. В современных электродвигателях почти вся подводимая мощность расходуется на преодоление противоэлектромагнитного заряда.

Например, стандартный электродвигатель постоянного тока типа 4PN 200S имеет следующие характеристики: мощность 60 кВт, напряжение 440 В, сила тока 149 А, скорость вращения 3150/3500 об/мин, КПД 90,5%, длина статора 377 мм, диаметр ротора 250 мм, потери напряжения 41,8 В, напряжение для преодоления наведенного электромагнитного напряжения 398,2 В, мощность для преодоления потерь 6228 Вт, крутящий момент (3500 об/мин) 164,6 Нм.

Получается, что если отменить обратный ЭДС, то двигателю нужно не 440 вольт, а всего 42 вольта, и это при том же токе в 150 А. Таким образом, потребляемая мощность при полной нагрузке составляет 6300 Вт при механической выходной мощности 60 кВт. Управление выходной мощностью двигателя без противовключения может осуществляться путем изменения напряжения питания или с помощью импульсного управления.

Из сравнительного анализа видно, что использование электродвигателя без антиэлектрического поля может радикально изменить всю экономику человечества. Это один из способов навсегда покончить с использованием ископаемого топлива для энергетических и транспортных нужд человечества. Эти электродвигатели могут быть даже объединены на одном валу с небольшими генераторами для создания самоподдерживающейся системы! Все, что необходимо для его запуска, — это аккумулятор. Кроме того, ведутся разработки в области бестопливных генераторов, которые можно использовать в сочетании с такими электродвигателями. Это приводит к значительной экономии, так как требуется генератор гораздо меньшей мощности. Совместное использование BTG и описанных выше электродвигателей позволит в ближайшем будущем создать полностью автономные электромобили, способные работать без топлива до механического износа. Большинство известных сегодня автомобилей могут быть построены по этому принципу. К ним относятся самолеты и даже космические корабли, поскольку существуют также варианты устройств электрического поля, создающих тягу без разряженной массы. Это совершенно новая эра в истории человечества, и трудно даже представить себе последствия таких разработок.

Двигатель прост в изготовлении и дешев.

Разница между ним и существующими двигателями невелика. Однако предлагаемый двигатель будет потреблять во много раз меньше энергии, чем аналогичный промышленный двигатель.

Предельный показатель функциональности

В зависимости от конструкции коэффициент ТЭ для электродвигателей может составлять от 10 до 99 процентов. Это зависит от типа двигателя. КПД двигателя поршневого насоса, например, составляет от 70 до 90 процентов. Конечный результат зависит от производителя, конструкции устройства и т.д.

То же самое относится и к мощности двигателя крана. Если это значение достигает 90 %, это означает, что 90 % потребляемой электроэнергии используется для работы машины, а оставшийся процент — для нагрева компонентов. Однако до сих пор существуют очень удачные модели двигателей, КПД которых достигает почти 100 %, даже если он не соответствует этому значению.

Читайте также: Антибактериальная обработка салона автомобиля «Сухой туман»

Это интересно

Научно доказано, что эффективность любого механизма всегда меньше единицы. Это объясняется вторым законом термодинамики.

Для сравнения приведены КПД различных устройств:

гидроэлектростанций 93-95%;
АЭС – не более 35%;
тепловых электростанций – 25-40%;
бензинового двигателя – около 20%;
дизельного двигателя – около 40%;
электрочайника – более 95%;
электромобиля – 88-95%.

Наука и техника не стоят на месте; постоянно находятся новые способы снижения теплопотерь, уменьшения трения между деталями машин и повышения энергоэффективности машин.

Элементы, влияющие на мощность

Электродвигатели имеют некоторые недостатки, которые неудовлетворительно сказываются на производительности. Среди особенно неприятных примеров можно привести следующие:

слабый электропусковой механизм,
сильный уровень пускового тока;
неслаженность машинного вала с нагрузкой.

Это приводит к снижению полезности машины. Для повышения эффективности нагрузка на двигатель снижается до 75%, а коэффициент мощности увеличивается. Существуют также специальные устройства для регулировки диапазонов тока и мощности, что также приводит к повышению эффективности и результативности.

Одним из наиболее известных устройств для повышения эффективности работы двигателя является устройство плавного пуска, которое ограничивает увеличение пускового тока. Частотные преобразователи также могут использоваться для изменения скорости двигателя путем изменения частоты напряжения. Это обеспечивает более низкое потребление энергии, плавный пуск двигателя и высокую точность балансировки. Кроме того, увеличивается пусковой момент и стабилизируется рабочая скорость при изменяющихся нагрузках. Это повышает эффективность работы двигателя.