Avtoargon.ru

АвтоАргон
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

ПОТЕРИ КПД У АСИНХРОННЫХ МАШИН

ПОТЕРИ КПД У АСИНХРОННЫХ МАШИН

Преобразование энергии в асинхронном двигателе, как и в других электрических машинах, связано с потерями энергии. Эти потери делятся на механические, магнитные и электрические.

Из сети в обмотку статора поступает мощность Р1. Часть этой мощности расходуется на покрытие магнитных потерь в сердечнике статора рс1, а также в обмотке статора на покрытие электрических потерь, обусловленных нагревом обмотки,
рэ1 = m1I12r1.
Оставшаяся часть мощности при помощи магнитного потока передается на ротор и поэтому называется электромагнитной мощностью
Рэм = Р1 — (рc1 + рэ1).
Часть электромагнитной мощности затрачивается на покрытиеэлектрических потерь в обмотке ротора
рэ2 = m2I22r2 = m1I’22r’2.
Остальная часть электромагнитной мощности преобразуется в механическую мощность двигателя, называемую полной механической мощностью
Р’2 = Рэм — рэ2.

Таким образом, полная механическая мощность
Р’2 = m1I’22r’2[(1-s)/s] = рэ2[(1-s)/s].
Выполнив несложные преобразования, получим
рэ2[(1-s)/s] = Рэм — рэ2 и
рэ2= sРэм,
т.е. мощность электрических потерь в роторе пропорциональна скольжению.Поэтому работа асинхронного двигателя более экономична при малых скольжениях.

Следует отметить, что в роторе двигателя возникают также и магнитные потери, но ввиду небольшой частоты тока ротора (f2 = f1s) эти потери настолько малы, что ими обычно пренебрегают.

Механическая мощность на валу двигателя Р2 меньше полной механической мощности Р’2 на величину механических рмех и добавочных рдпотерь
Р2 = Р’2 — (рмех + рд).

Механические потери в асинхронном двигателе обусловлены трением в подшипниках и трением вращающихся частей о воздух. Добавочные потери вызваны наличием в двигателе полей рассеяния и пульсацией поля в зубцах ротора и статора.

Таким образом, полезная мощность асинхронного двигателя
Р2 = Р1 — ∑р,
где ∑р – сумма потерь в асинхронном двигателе,
∑р = рс1 + рэ1 + рэ2+ рмех + рд.

Коэффициент полезного действия асинхронного двигателя

η = Р2/ Р1 = 1 — ∑р/ Р1.

Благодаря отсутствию коллектора КПД асинхронных двигателей выше, чем у двигателей постоянного тока. В зависимости от величины мощности асинхронных двигателей их КПД при номинальной нагрузке может быть в пределах от 83 до 95% (верхний предел соответствует двигателям большой мощности).

СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Синхронный двигатель. Принцип действия и устройство.Синхронный двигатель может работать в качестве генератора и двигателя. Синхронный двигатель выполнен так же, как и синхронный генератор. Его обмотка якоря I (рис. 291, а) подключена к источнику трехфазного переменного тока; в обмотку возбуждения 2 подается от постороннего источника постоянный ток. Благодаря взаимодействию вращающегося магнитного поля 4, созданного трехфазной обмоткой якоря, и поля, созданного обмоткой возбуждения, возникает электромагнитный момент М (рис. 291,б), приводящий ротор 3 во вращение. Однако в синхронном двигателе в отличие от асинхронного ротор будет разгоняться до частоты вращения n = n1, с которой вращается магнитное поле (до синхронной частоты вращения).

Электромагнитный момент. Электромагнитный момент в синхронном двигателе возникает в результате взаимодействия магнитного потока ротора (потока возбуждения Фв) с вращающимся магнитным полем, создаваемым трехфазным током, протекающим по обмотке якоря (потоком якоря Фв). При холостом ходе машины оси магнитных полей статора и ротора совпадают (рис. 292,а). Поэтому электромагнитные силы I, возникающие между «полюсами» статора и полюсами ротора, направлены радиально (рис. 292, б) и электромагнитный момент машины равен нулю. При работе машины в двигательном режиме (рис. 292, в и г) ее ротор под действием приложенного к валу внешнего нагрузочного момента Мвнсмещается на некоторый угол 0 против направления вращения.

Пуск в ход и регулирование частоты вращения.Синхронный двигатель не имеет начального пускового момента. Если подключить обмотку якоря к сети переменного тока, когда ротор неподвижен, а по обмотке возбуждения проходит постоянный ток, то за один период изменения тока электромагнитный момент будет дважды менять свое направление, т. е. средний момент за период будет равен нулю. Следовательно, для пуска в ход синхронного двигателя необходимо разогнать его ротор с помощью внешнего момента до частоты вращения, близкой к синхронной. Для этой цели применяют метод асинхронного пуска.

Синхронный двигатель пускают в ход как асинхронный, для чего его снабжают специальной короткозамкнутой пусковой обмоткой 3 (рис. 293). В полюсные наконечники ротора 2 синхронного двигателя закладывают медные или латунные стержни, замкнутые накоротко двумя торцовыми кольцами. Пусковая обмотка выполнена подобно беличьей клетке асинхронной машины, но занимает лишь часть окружности ротора. В некоторых двигателях специальная короткозамкнутая обмотка

КПД и стоимость синхронного реактивного двигателя

В статье приводится сравнение синхронного реактивного двигателя (СРД), разработанного ООО «ЭМАШ», с другими типами серийно производимых двигателей для регулируемого привода: асинхронным (АД) и синхронным двигателем с постоянными магнитами (ПМ) (рис. 1). Параметрами сравнения являются энергоэффективность, масса и стоимость активных материалов, необходимых для производства машины.

Рис. 1. Эскизы конструкции

Асинхронные двигатели (рис. 1а) широко применяются в самых различных приложениях благодаря низкой стоимости и высокой надежности. Тем не менее к настоящему времени они уже достигли предела своего конструктивного и технологического совершенствования. Дальнейшее улучшение КПД этих двигателей возможно лишь экстенсивными методами: использование большего количества меди и стали, а также использование медной беличьей клетки ротора вместо алюминиевой, применяемой традиционно.

Основным недостатком таких решений является увеличение размеров АД и его стоимости. Более того, наличие медной беличьей клетки ротора приводит к значительному усложнению и удорожанию технологии производства этих двигателей из-за высокой температуры плавления меди. Оставаясь приемлемыми по стоимости, они могут соответствовать лишь классу эффективности IE3. Классы энергоэффективности (IE-классы) здесь и далее определены, согласно стандарту IEC 60034-30-2 Rotating electrical machines – Part 30-2:Efficiency classes of variable speed AC motors (IE-code).

Будем знакомы

Научно-исследовательская компания ООО “ЭМАШ” (г. Екатеринбург) специализируется на разработке энергоэффективных электрических двигателей и генераторов для производителей электрических машин. Основные электромашины, проектируемые компанией, — синхронные реактивные двигатели, высокоскоростные двигатели и многополюсные безредукторные высокомоментные двигатели.

Традиционно самым энергоэффективным типом двигателя считается синхронный двигатель с ПМ. Многие производители (например, WEG, Yaskawa, Emerson и др.) предлагают комплектные электроприводы на базе двигателя с магнитами в роторе (англ. interior permanent magnet synchronous motor, рис. 1в). Основным недостатком такого решения является высокая стоимость по причине применения в конструкции двигателя дорогостоящих редкоземельных магнитов.

Цены на редкоземельные магниты не только высокие, но и нестабильные, так как монополией на добычу сырья для них владеет Китай. Из-за этого стоимость магнитов может измениться в 2–3 раза в течение нескольких лет. Для примера, рис. 2 демонстрирует динамику цен на некоторые редкоземельные металлы за 2008–2014 годы [1].

Рис. 2. История цен на редкоземельные металлы на мировом рынке [1].

Наряду с вышеупомянутыми типами двигателей все большее распространение получает синхронный реактивный двигатель (СРД, рис. 1б). Он отличается отсутствием в конструкции постоянных магнитов, что обуславливает значительно большую надежность конструкции и намного меньшую стоимость производства, в сравнении с двигателями с ПМ. В настоящее время СРД с классами энергоэфективности IE3 и IE4 производятся рядом европейских производителей (ABB, Siemens, KSB, Sicme Motori и др.). Кроме того, можно отметить отечественные компании – «РУСЭЛПРОМ» и ПАО «НИПТИЭМ» разработали несколько синхронных реактивных двигателей, а предприятие «Автоматизированные системы и комплексы» начало разработку алгоритма управления для СРД в своем преобразователе частоты (ПЧ). На выставке Hannover messe-2018 китайская компания Shenzhen Best Motion Technology Limited продемонстрировала 15 кВт СРД, а корейская компания Hyosung разместила на своем сайте информацию о своих СРД.

Читать еще:  Что такое башмак в двигателе газели

Многими компаниями также производятся преобразователи частоты, поддерживающие работу с СРД без датчика положения ротора (ABB, Siemens, KSB, Danfoss, Invertek, KEB, Delta Electronics, Yaskawa, Schneider Electric и др.).

Компанией ООО «ЭМАШ» был разработан СРД оригинальной запатентованной конструкции, соответствующий классу энергоэффективности IE5 (на рис. 3а изображен лист ротора).

Рис.3

Типичными приложениями регулируемого привода являются насосные установки систем отопления, вентиляции и кондиционирования, а также промышленные центробежные насосы. В таких приложениях двигатель большую часть времени работает с нагрузкой меньше, чем номинальная. Поэтому в этом случае требуется высокий КПД двигателя не только в номинальном режиме, но и в широком диапазоне скоростей и моментов. Зависимость механического момента на валу T от скорости вращения двигателя n в таких приложениях в первом приближении можно считать квадратичной.

Рис. 4 и рис. 5 демонстрируют сравнение КПД приводов (показан суммарный КПД «двигатель + ПЧ») мощностью 1,1 кВт/3000 об/мин для насосной нагрузки (T

n 2 ). КПД СРД оказывается существенно выше, чем у других приводов, во всем диапазоне скоростей и нагрузок. В диапазоне от 175 Вт до 1,1 кВт КПД СРД привода, по крайней мере, на 10 % выше, чем у асинхронного двигателя. В режиме номинальной нагрузки КПД выше, чем у двигатель с ПМ на 4,6 %. Однако в режиме малых нагрузок эта разница составляет уже около 18 %. Рассматриваемому диапазону мощности соответствует диапазон скорости вращения от 1500 до 2950 об/мин.

Рис. 4. КПД в зависимости от механической мощности для приводов 1,1 кВт, 3000 об/мин (T


Рис. 5 КПД в зависимости от скорости вращения для приводов 1,1 кВт, 3000 об/мин (T

Основным фактором низких потерь СРД при малой нагрузке в сравнении с асинхронным двигателем является отсутствие электрических потерь в беличьей клетке ротора. Если сравнивать СРД с ПМ двигателем – здесь основным фактором становится отсутствие нерегулируемого потока постоянных магнитов, который вызывает в машинах такого типа большие потери холостого хода.

Результаты по КПД для СРД (производитель «ЭМАШ») и двигателя с ПМ были измерены, согласно IEC 60034-30-2:2016 Rotating electrical machines – Part 2-3: Specific test methods for determining losses and efficiency of converter-fed AC induction motors, при применении «прямого» метода 2-3-C (Input-output) (рис. 3б).

Результаты по КПД для АД (модель M2BAX 80 MB 2, класс IE2, производитель ABB) были получены с использованием программы ABB DriveSize Simulation Tool.

Таблица 1 показывает оценку массы и стоимости активных материалов, необходимых для производства рассматрива- емых двигателей. При расчете были приняты следующие цены: 1 $/кг для стали, 7 $/кг для меди, 2 $/кг для алюминия, 98 $/кг для постоянных магнитов.

Табл. 1. Масса и стоимость активных материалов двигателей 1,1 кВт, 3000 об/мин

Потери и КПД асинхронного двигателя

Преобразование электрической энергии в меха­ническую в асинхронном двигателе, как и в других электрических машинах, связано с потерями энер­гии, поэтому полезная мощность на выходе двигате­ля Р2 всегда меньше мощности на входе (потребляе­мой мощности) Р1 на величину потерь Р :

Р2 = Р1 Р (13.1)

Потери Р преобразуются в теплоту, что в ко­нечном итоге ведет к нагреву машины. Потери в электрических машинах разделяются на основные и добавочные. Основные потери включают в себя магнитные, электрические и механические.

Магнитные потери Рм в асинхронном двигателе вызваны потерями на гистерезис и потерями на вих­ревые токи, происходящими в сердечнике при его перемагничивании. Величина магнитных потерь пропорциональна частоте перемагничивания Рм = f β ,

где β = 1,3 ÷ 1,5. Частота перемагничивания сердеч­ника статора равна частоте тока в сети (f = f1), а частота перемагничивания сердечника ротора f = f2 =f1s.При частоте тока в сети f 1 = 50 Гц при номинальном скольжении sном = 1 ÷ 8 % частота перемагничивания ротора f = f2 = 2 ÷ 4 Гц, поэтому магнитные потери в сердечнике ротора настолько малы, что их в практи­ческих расчетах не учитывают.

Электрические потери в асинхронном двигателе вызваны нагревом обмоток статора и ротора прохо­дящими по ним токами. Величина этих потерь про­порциональна квадрату тока в обмотке (Вт):

электрические потери в обмотке статора

электрические потери в обмотке ротора

Здесь r1 и r2 — активные сопротивления обмоток фаз статора и ротора пересчитанные на рабочую температуру Θраб (см. § 8.4):

где r1.20 и r2.20 — активные сопротивления обмоток при температу­ре Θ1 = 20 °С; α — температурный коэффициент, для меди и алю­миния α = 0,004.

Электрические потери в роторе прямо пропорциональны скольжению:

где Рэм — электромагнитная мощность асинхронного двигателя, Вт:

Из (13.5) следует, что работа асинхронного двигателя эконо­мичнее при малых скольжениях, так как с ростом скольжения растут электрические потери в роторе.

В асинхронных двигателях с фазным ротором помимо пере­численных электрических потерь имеют место еще и электрическиe потери в щеточном контакте Рэ.щ = 3 I2 ΔUщ /2, где Uщ =2,2 В — переходное падение напряжения на пару щеток.

Механические потери Рмех — это потери на трение в подшип­никах и на вентиляцию. Величина этих потерь пропорциональна квадрату частоты вращения ротора (Рмех = n 2 2). В асинхронных двигателях с фазным ротором механические потери происходят еще и за счет трения между щетками и контактными кольцами ротора.

Добавочные потери включают в себя все виды трудноучитываемых потерь, вызванных действием высших гармоник МДС, пульсацией магнитной индукции в зубцах и другими причинами. В соответствии с ГОСТом добавочные потери асинхронных двигателей принимают равными 0,5% от подводимой к двигателю мощности Р1:

При расчете добавочных потерь для неноминального режима следует пользоваться выражением

где β = I1/ I1ном —коэффициент нагрузки.

Сумма всех потерь асинхронного двигателя (Вт)

P = Рэм + Рэ1 + Рэ2 + Рмех + Рдоб. (13.9)

На рис. 13.1 представлена энергетическая диаграмма асинхронного двигателя, из которой видно, что часть подводимой к двигателю мощности Р1 = m1 U1 I1 cos φ1 затрачивается в статоре на магнитные Ры и электрические Рэ1 потери. Оставшаяся после этого электромагнитная мощность Рэм [см. (13.6)] передается на ротор, где частично расходуется на электрические потери Рэ2 и преобра­зуется в полную механическую мощность Р′2. Часть мощности идет на покрытие механических Рмех и добавочных потерь Рдоб, а оставшаяся часть этой мощности Р2 составляет полезную мощ­ность двигателя.

У асинхронного двигателя КПД

η = Р2/ Р1 =1 — P. (13.10)

Электрические потери в об­мотках РЭ1 и РЭ2 являются пере­менными потерями, так как их величина зависит от нагрузки дви­гателя, т. е. от значений токов в обмотках статора и ротора [см. (13.2) и (13.3)]. Переменными яв­ляются также и добавочные потери (13.8). Что же касается магнитных Рм и механических Рмех, то они практически не зависят от нагруз­ки (исключение составляют двига­тели, у которых с изменением на­грузки в широком диапазоне меняется частота вращения).

Коэффициент полезного дей­ствия асинхронного двигателя с изменениями нагрузки также ме­няет свою величину: в режиме хо­лостого хода КПД равен нулю, а затем с ростом нагрузки он увели­чивается, достигая максимума при нагрузке (0,7 ÷ 0,8)Рном. При дальнейшем увеличении нагрузки КПД незначительно снижается, а при перегрузке (P2 > Рном) он резко убывает, что объясняется ин­тенсивным ростом переменных потерь (Рэ1 + Рэ2 + Рдоб), величина которых пропорциональна квадрату тока статора, и уменьшением коэффициента мощности. График зависимости КПД от нагрузки η = f (β) для асинхронных двигателей имеет вид, аналогичный представленному на рис. 1.41 (см. рис. 13.7).

КПД трехфазных асинхронных двигателей общего назначения при номинальной нагрузке составляет: для двигателей мощностью от 1 до 10 кВт ηном = 75 ÷ 88%, для двигателей мощностью более 10 кВт ηном =90 ÷ 94%.

Рис. 13.1. Энергетическая диа­грамма асинхронного двигателя

Пример 13.1.Трехфазный асинхронный двигатель работает от сети напряжением 660 В при соединении обмоток статора звездой. При номинальной нагрузке он потребляет из сети мощность Р1 = 16,7 кВт при коэффициенте мощности cos φ1 = 0,87. Частота ηвращения nном = 1470 об/мин. Требуется определилить КПД двигателя η hоm, если магнитные потери Рм = 265 Вт, а механические потери Рмех = 123 Вт. Активное сопротивление фазы обмотки статора r1.20 = 0,8 Ом, и класс нагревостойкости изоляции двигателя F (рабочая температура Θра6 =115 °С).

Решение. Ток в фазе обмотки статора

I1ном = = =16,8 А

где U1 = 660/ = 380 В.

Сопротивление фазы обмотки статора, пересчитанное на рабочую температуру

r1 = r1.20 [1 + α (Θраб — 20)] = 0,8[1 + 0,004(115 — 20)] = 1,1 Ом.

Электрические потери в обмотке статора по (13.2)

Рэ1 = m1 I 2 1ном r1 = 3 • 16,8 2 • 1,1 = 93 1 Вт.

Электромагнитная мощность двигателя по (13.6)

РЭМ = Р1 — (Рм + Рэ1) = 16,7 • 10 3 — (265 + 931) = 15504 Вт.

Номинальное скольжение sном = (n1 – nном)/ n1 = (1500 — 1470)/1500 = 0,020 . Электрические потери в обмотке ротора по (13.5)

Добавочные потери по (13.7)

Рдо6 = 0,005 Р1 =0,005 • 16,7 • 10 3 =83 Вт.

Суммарные потери по (13.9)

Р = Рм + Рэ1 + Рэ2 + Рмех + Рмех = 265 + 931 + 310 + 123 + 83 = 1712 Вт.

КПД двигателя в номинальном режиме по (13.10)

ηном = 1 — Р/ Р1 = 1 — 1712/ (16,7 • 10 3 ) = 0,898 , или 89,8%.

Коэффициент полезного действия является одним из основ­ных параметров асинхронного двигателя, определяющим его энергетические свойства — экономичность в процессе эксплуатации. Кроме того, КПД двигателя, а точнее величина потерь в нем, регламентирует температуру нагрева его основных частей и в первую очередь его обмотки статора. По этой причине двигатели с низким КПД (при одинаковых условиях охлаждения) работают при более высокой температуре нагрева обмотки статора, что ведет к сниже­нию их надежности и долговечности (см. § 8.4).

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Узнаем как ой 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:

  • n = p2/p1

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.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector