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.
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 , AEM , iEM и sEM 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.
ПОТЕРИ И КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ. КПД ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ
Работа каждой электрической машины сопровождается потерями энергии: в стали, от трения, в проводах обмоток и добавочными.
Потери в стали Рст, или магнитные, возникают при перемагничивании тела якоря и полюсных наконечников, от гистерезиса и вихревых токов. Мощность потерь зависит от частоты перемагничивания f = р n /60 и максимального значения магнитной индукции Вм.
Потери механические Рмех, или потери от трения, получаются в подшипниках, при трении вращающихся частей о воздух и трения щеток о коллектор. Мощность механических потерь пропорциональна скорости вращения машины n. Потери Рст + Рмех постоянны, при постоянной скорости вращения и неизменном токе возбуждения I в и не зависят от нагрузки машины. Они называются потерями холостого хода Рх.
Потери электрические возникают при прохождении тока по обмотке якоря и переходному контакту между щетками и коллектором, а также во всех обмотках возбуждения и дополнительных полюсов.
Потери в щеточном контакте Рщ = ∆UЩ I Я определяются по падению напряжения ∆UЩ, которое принимается: 2 в — для угольных, графитных и электрографитированных щеток и 0 ,6 в — для металлоугольных щеток.
Потери добавочные Р ДОБ в обмотке и стали якоря вызываются искажением магнитного поля реакцией якоря и полями, возникающими вокруг секций, в которых происходит коммутация. Эти потери оцениваются от 0,01 до 0,005 UнIн и считаются пропорциональными I 2 я. Как известно, к. п. д. называется отношение полезной мощности машины Р2 к полной мощности Р1, получаемой машиной. Тогда для генератора
ηг = Р2/P1 = UI/UI + (Рст + Рмех + Рэ + Рдоб) 100%
ηдв = Р2/P1 = ((UI — (Рст + Рмех + Рэ + Рдоб))/UI) 100%
Изменение величины к.п.д. от нагрузки показано на
рис. 8-33. При малых нагрузках к.п.д. мал, так как полезная мощность Р2 мала, а потери холостого хода Рх значи тельны по сравнению Р2 Потери холостого хода пост оянны к поэтому с ростом полезной мощности к.п .д. быстро нарастает. В дальнейшем пропорционально квадрату тока увеличиваются электрические потери Рэ рост к. п. д. за медляется и величина его, достигнув некоторого макси мума, начинает уменьшаться. Наибольшее значение к. п. обычно наступает при (75—100)% Рн, и равно 70—93%. Большие цифры относятся к машинам большей мощности.
Статья на тему КПД электрической машины
Похожие страницы:
РАБОТА МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА На рис. 8-7 показана схема включения машины постоянного тока. Пусть ток возбуждения Iв, подаваемый в обмотку возбуждения 1 от.
СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ Механическая энергия превращается в электрическую почти исключительно синхронными генератор а м и. Так называются электрические машины, у которых.
ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА ОБМОТКИ ЯКОРЯ При вращении якоря генератора или двигателя в магнитном поле в его обмотке будет наводиться э. д.
УСТРОЙСТВО МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА Устройства, предназначенные для превращения механической энергии в электрическую или обратно, называются электрическим и машинами. Машина, превращающая механическую энергию в электрическую.
Простые эфиры Простыми эфирами называются органические соединения, молекулы которых состоят из двух углеводородных радикалов, связанных с атомом кислорода. Примером может.
ЭЛЕКТРОМАШИННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ (ЭМУ) В ряде производств приходится управлять большими мощностями при помощи слабых сигналов, посылаемых датчиками. Эти сигналы должны быть усилены.
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.
Энергетические соотношения и КПД машин постоянного тока
Мощность и потери. Характер подводимой к машине мощности зависит от ее режима работы: у генераторов это механическая мощность P1 = k1Mn, у двигателей – электрическая мощность P1 =UI. Характер снимаемой с машины полезной мощности – противоположный: у генератора это электрическая мощность P2 = UI, у двигателя – механическая P2=k2Mn. В машине всегда есть мощность потерь ∆Р, которая складывается из мощности электрических потерь (потери в меди) ∆Рэл = RI 2 , идущих на нагрев обмоток, мощности магнитных потерь (потери в стали) ∆Рмаг, мощности механических потерь (потери на трение) ∆Рмех и мощности добавочных потерь ∆Рдоб ≈ 0,01 Рном, где Рном – номинальная мощность. Таким образом, ∆Р = ∆Рмех + ∆Рмаг + ∆Рэл +∆Рдоб и Р1 = Р2 + ∆Р.
КПД машины. КПД машины можно рассчитать по формуле η = P 2 / P1. При экспериментальном определении КПД проще и, главное, точнее измерять не механическую мощность, а электрическую, и рассчитывать потери. Поэтому для определения КПД генератора пользуются формулой
и КПД двигателя
КПД машин постоянного тока растет с увеличением мощности машин. Так, у микромашин мощностью до 0,1 кВт он составляет всего 30 – 40 %, у машин мощностью 10 кВт – 83 % и у машин 1000 кВт — 96 %.
КПД меняется также в зависимости от нагрузки (рис. 1.15). Из графика следует, что при малых нагрузках КПД резко падает, поэтому недогруженную машину невыгодно эксплуатировать.