От чего зависит кпд электрической машины
Перейти к содержимому

От чего зависит кпд электрической машины

  • автор:

Понятие КПД электродвигателя

КПД электродвигателя

Эффективность работы любого электропривода, в первую очередь, определяется коэффициентом полезного действия электродвигателя (КПД). Говоря простым языком, электрическая машина, потребляя электрическую энергию, преобразует её в механическую для работы различных устройств, станков, инструментов и проч. Соотношение величин полезной механической мощности на валу двигателя (Р 2 ) к мощности, потребляемой из сети (Р 1 ), и есть КПД (η). КПД является номинальной величиной и указывается в процентах: η = (Р 2 / Р 1 ) х 100%.

Совершенно очевидно: чем большая механическая мощность развивается на валу электродвигателя, тем больше полезной работы выполняется и выше КПД электрической машины .

Важность такого показателя как КПД обусловлена прежде всего тем, что около 70% вырабатываемой во всём мире электроэнергии потребляется электродвигателями, начиная от простейших бытовых электроприборов до вентиляционных установок и приводов оборудования крупнейших предприятий.

Величины КПД современных электродвигателей

У большинства современных электродвигателей КПД лежит в пределах 80-90%. Нередко встречаются маломощные модели с КПД до 75%.

Для машин, работающих в особых условиях, современные технологии позволяют увеличивать КПД до 96%. Это достигается не только за счёт их высокоточного производства, но и благодаря использованию дорогостоящих материалов для сердечников, перемагничивание которых не сопряжено с высокими энергетическими затратами.

КПД электродвигателя

Факторы, влияющие на изменение КПД электрической машины

Сразу следует сделать уточнение: КПД электропривода никогда не превышает 100%.

Это объясняется расходом потребляемой мощности на нагрев обмоток двигателя, перемагничивание статора (в асинхронных двигателях), вихревые токи, механическое сопротивление при движении ротора.

Нагрев обмоток двигателя – явление закономерное. Из курса физики известно:

  1. при прохождении электрического тока проводник нагревается;
  2. чем однороднее среда, тем легче происходит теплоотдача.

Если с первым пунктом всё ясно, то пункт 2 требует дополнительных объяснений. Традиционно внимание акцентируется на том, что пропитка обмоток статора делается для их защиты от влияния влаги или агрессивной среды. Но также следует учитывать, что после пропитки не остаётся свободных зазоров между обмоткой и сердечником статора, а это позволяет значительно увеличить теплоотдачу и снизить нагрев во время работы. Для этой же цели предусмотрена такая конструктивная особенность как монолитная отливка корпуса с охлаждающими рёбрами, что в значительной мере стабилизирует рабочий нагрев электропривода и препятствует снижению КПД.

КПД электродвигателя

Бывает так, что во время работы электродвигателя наблюдается стремительный рост температуры. Зачастую это происходит из-за замыкания в обмотках статора .

Расчётная температура нагрева для двигателей класса “А” лежит в пределах 90℃, для класса “В” не превышает 110℃.

Любая электрическая машина — это воплощение взаимодействия электрических и магнитных полей. Поэтому в обязательном порядке следует учитывать такое явление как перемагничивание сердечника статора в результате изменения направления тока в обмотках. Чтобы не углубляться в теорию, достаточно вспомнить, что магнитная индукция (В) запаздывает от изменения напряжённости магнитного поля (Н). Эта зависимость отражается на графике под названием “петля гистерезиса”. Дешёвые материалы для сердечников почти всегда имеют широкий график, что указывает на большие энергозатраты на более длительное перемагничивание. И наоборот: чем уже петля гистерезиса, тем быстрее перемагничивается сердечник, и выше КПД двигателя.

Вихревые токи или токи Фуко (иногда можно встретить термин “паразитарные токи”) возникают в металлических элементах там, где есть переменное магнитное поле. Согласно закону Ленца они являются причиной наведения магнитных потоков, противодействующих рабочему магнитному потоку вокруг катушек. Понятно, что это влияет на крутящий момент и вызывает дополнительный нагрев двигателя, снижая КПД.

Для уменьшения потерь от вихревых токов надо увеличить электрическое сопротивление магнитопровода. Поэтому магнитопроводы и сердечники якорей набирают (шихтуют) из очень тонких (до 0,5 мм) пластин электротехнической стали, иногда с добавлением кремния, покрытых специальным лаком для их изоляции друг от друга. До сих пор существуют производственные участки, где для этой цели применяют тяжёлый ручной труд.

Механические факторы снижения КПД электродвигателя возникают в результате конструктивных изменений, трения в подшипниках, воздушного сопротивления

Нередко в процессе эксплуатации наблюдаются искривление вала и другие дефекты, вызывающие вибрации на опорных подшипниках ротора, и, соответственно, увеличение механического сопротивления.

Бывает так, что в случае заводского брака при изготовлении обмоток (несоблюдении расчётного количества витков одной из обмоток) нарушается плавность хода ротора, что тоже сказывается на эффективности работы электродвигателя. (Утверждение, что опытный электромеханик определяет эту неполадку на слух, является правдой.)

Также следует указать на недопустимость превышения номинальной нагрузки , как на один из факторов снижения КПД. В этом случае нагрев элементов электродвигателя приближается к критическому, и коэффициент полезного действия начинает снижаться.

Важно помнить: никогда производитель электродвигателей не указывает КПД при максимальной (предельной) нагрузке на валу электрической машины. В техническом паспорте прописывается величина КПД при номинальной нагрузке .

Может ли КПД быть более 100%?

Если говорить об электродвигателях, то следует однозначно заявить: нет!

Выше уже отмечалось, что в электрических машинах мы сталкиваемся с энергией магнитного поля, электрической энергией, тепловой и механической. Достаточно минимальных знаний из области физики и основ электротехники, чтобы раз и навсегда усвоить: преобразованию одного вида энергии в другой всегда сопутствуют процессы обратной направленности. Для примера можно вспомнить токи Фуко.

Существует ещё один важный аргумент в пользу утверждения о невозможности достижения КПД свыше 100%. На данном этапе развития человечество не обладает технологиями производства универсальных материалов, которые не нагревались бы в процессе работы или демонстрировали молниеносное перемагничивание, а также не подвергались бы механической усталости.

КПД электродвигателя

Многочисленные энтузиасты не оставляют попыток создать устройства, которые могли бы, выполнять механическую работу и одновременно вырабатывать электроэнергию, покрывая потери и собственные энергозатраты. При этом они не учитывают элементарный принцип обратимости электрических машин: либо генератор, либо двигатель.

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.

Какой КПД у электродвигателя

Современные модели электрических двигателей характеризуются высоким коэффициентом полезного действия (КПД). Тем не менее, работа двигателя любой модели сопровождается выделением теплоты в процессе преобразования электроэнергии в энергию механическую. Локальные потери мощности могут происходить:

  • в деталях из стали;
  • в обмотках.

Показатели мощности в результате неизбежно снижаются, не достигая максимально возможных. В этой статье перечислены основные факторы, от которых зависит, какой КПД у электродвигателя.

Какой КПД у электродвигателя: принцип расчёта

Существует несколько методов определения КПД электродвигателя. Если использовать для расчета показатели полезной и потребляемой мощности электродвигателя, то их соотношение и составит искомую величину, которая может быть:

  • 0,75-0,9 (если мощность агрегата не выше 100 кВт);
  • до 0,97 (для более мощных моделей).

Существует также косвенный метод расчета коэффициента полезного действия, который основан на определении суммарных потерь мощности.

Потери мощности — основные виды

Значимые потери мощности, от которых зависит величина КПД электродвигателя, делятся на следующие группы:

  • магнитные (относятся к постоянным);
  • электрические (постоянными не являются);
  • механические (постоянные).

Помимо основных, наблюдаются также добавочные потери (например, в полюсных наконечниках), которые сложно поддаются точному расчету. Незначительный уровень таких потерь позволяет принять их сумму условно равной 0,5-1 % и учитывать это значение при расчете общей величины КПД.

Остановимся подробнее на основных разновидностях потерь мощности.

Магнитные, электрические и механические потери

Значение магнитных потерь, которые происходят в результате перемагничивания якорного сердечника, складывается из показателей потерь от вихревых токов в стали и от гистерезиса. От толщины стальных листов, из которых изготовлен сердечник, и качества изоляции может зависеть исходная величина. Также на объем магнитных потерь влияет частота, с которой происходит перемагничивание.

Электрические потери, показатели которых меняются с изменением уровня нагрузки оборудования, происходят:

  • в якорных обмотках;
  • в щетках;
  • в цепях возбуждения.

Основной причиной механических потерь является трение разных видов. Это может быть трение в подшипниках, а также трение щеток о контактные кольца и коллектор, трение ротора и пр. Потери также возникают в процессе вентиляции. Механические и электрические потери воздействуют на эффективность эксплуатируемого двигателя в наибольшей степени.

Изменение КПД двигателя

В процессе работы асинхронного двигателя значение КПД не остается постоянной величиной. Показатели меняются, быстро достигая пиковой величины (при нагрузке, составляющей примерно 80% от номинальной) и далее постепенно снижаясь. Это объясняется существенным ростом электрических потерь, который наблюдается при нагрузках.

Чтобы повысить среднюю величину КПД, необходимо снизить потери мощности. Для этого существует ряд возможностей:

  • механические потери сокращаются, если использовать современные материалы с более совершенными эксплуатационными характеристиками;
  • электрические потери будут ниже, если двигатель работает при малых скольжениях.

Поскольку коэффициент полезного действия является определяющим параметром для экономичности эксплуатации оборудования, в процессе разработки новых моделей электродвигателей конструкторы ставят своей целью минимизировать неизбежные потери мощности и добиться повышения КПД.

1.6 Потери энергии и коэффициент полезного действия

Любое преобразование энергии, в том числе и электромеханическое, сопровождается потерями, т.е. тепловыделением в различных элементах машины. Имеет место три основных вида потерь: механические, магнитные и электрические;

Механические потери обусловлены трением в подшипниках, скользящих электрических контактах, а также затраты на вентиляцию. Механические потери определяются только частотой вращения и не зависят от величины нагрузки (тока обмотки якоря).

Потери в подшипниках определяются их типом (качения — скольжения, шариковые – роликовые), состояние трущихся поверхностей, видом смазки.

Потери на трение в щёточных контактах

,

где — коэффициент трения;

— удельное давление на щетку;

— площадь контактной поверхности всех щеток;

— окружная скорость коллектора:

где — диаметр коллектора;

— скорость вращения коллектора в об/мин.

В самовентилируемых машинах потери на вентиляцию определяются по эмпирической формуле:

где коэффициент зависит от конструкции машин;

-расход воздуха;

— окружная скорость вентилятора по наружному диаметру лопаток.

Общие механические потери:

В машинах средней мощности (10÷500 кВт) эти потери приблизительно составляют 2 ÷ 0,5 % от номинальной мощности.

Магнитные потери включают в себя потери на гистирезис (перемагничивание) и вихревые токи.

Потери на гистерезисе определяются площадью его петли, пропорциональны частоте и квадрату индукции

Потери на вихревые токи:

где К — коэффициент определяемый качеством стали магнитопровода;

— толщина листов шихтовки магнитопровода;

— удельное электрическое сопротивление материала магнитопровода.

К магнитным потерям добавляются некоторые неучтенные потери

Таким образом, магнитные потери в электрических машинах:

Существующие электрические стали имеют магнитные потери 1 ÷ 2,5 Вт/кг при = 1 Тл, = 50 Гц.

Электрические потери , или потери в обмотках, Они зависят от нагрузки электрической машины. В свою очередь сопротивление обмотки зависит от его температуры.

КПД электрической машины:

где , — подведённая и полезная мощности соответственно;

Составляющие потерь приблизительно:

общих потерь

КПД электрических машин колеблется в пределах 0,7 до 0,985

1.7 Нагревание и охлаждение электрических машин

Решающую роль при работе электрической машины играет нагрев его обмоток. Этот нагрев, как отличалось обусловлен различными потерями (потери в обмотках статора и ротора, на гистерезис, трение и т.п.), которые учитываются коэффициентом полезного действия:

где — суммарная мощность потерь в электродвигателе, превращающаяся в тепло;

— номинальная мощность электродвигателя;

— номинальный КПД электродвигателя.

Вследствие непрерывного выделения тепла при работе двигателя его температура постепенно повышается. Данное повышение продолжается до тех пор, пока количество тепла, отдаваемое поверхностью двигателя окружающей среде, не будет равным количеству тепла, возникающего в электродвигателе. Наибольшая допустимая температура двигателя ограничивается термической стойкостью изоляции его обмотки, которая является самым ответственным элементом машины, определяющим срок службы электродвигателя с максимальным использованием его мощности. Изоляционные материалы, обмоток применяемые в электрических машинах, делятся по нагревостойкости на основные классы, которые показаны в таблице 1.1.

Таблица 1.1 Классы изоляции обмоток по нагревостойкости

температура,

В настоящее время наибольшее количество двигателей изготавливаются с изоляцией классов В и F. К классу В относятся слюда, асбест, стеклянное волокно и др. неорганические материалы. Изоляция класса F включает те же изоляционные материалы, что и для класса В, но сочетание с синтетическими связующими и пропитывающими составами, модифицированными кремнийорганическими соединениями.

Для двигателей нормируется не допустимая температура обмотки и др. частей машины, а допустимое превышение температуры обмотки над температурой окружающей среды. Эта величина определяется разностью между предельно допустимой температурой и стандартной температурой окружающей среды, которая равна 40 (установлены ГОСТ).

где — допустимое превышение температуры,

— предельно — допустимая температура,

— стандартная температура окружающей среды (40).

Исследование тепловых переходных процессов в двигателе производится при следующих допущениях:

двигатель представляет собой однородное тело с одинаковой теплоемкостью по всему объёму и одинаковой теплоотдачей по всей поверхностью;

теплоотдача во внешнюю среду пропорциональна первой степени разности температур двигателя и окружающей среды;

температура окружающей среды постоянна;

теплоёмкость двигателя, мощность тепловых потерь и теплоотдача не зависят от температуры двигателя.

Уравнение теплового баланса двигателя при неизменной нагрузке и при приведённых допущениях имеет вид

где – количество теплоты, выделяемое двигателем в единицу времени ();

– теплоотдача двигателя – количество теплоты, отдаваемое двигателем в окружающую среду в единицу времени при разности в 1;

– превышение температуры двигателя над температурой окружающей среды;

– теплоёмкость двигателя – количество теплоты, необходимое для повышения температуры двигателя на 1 .

Уравнение теплового баланса показывает, что выделяемое в машине тепло расходуется на повышение температуры двигателя на за время (член ), а часть тепла передается окружающей среде ().

Решение дифференциального уравнения при начальных условиях, имеет следующий вид

где — соответственно конечное (установившееся) и начальное значение превышения температуры двигателя над температурой окружающей среды.

— постоянная времени нагрева двигателя – время, в течение которого превышение температуры от достигло бы установившегося значения при и отсутствии теплоотдачи в окружающую среду,. Если, то

На рисунке 1.3 приведены кривые 1 и 2 нагрева двигателя, соответственно для и при одной и той же

Рисунок 1.3 Тепловые переходные процессы при нагреве двигателя

Если двигатель будет нагружен меньше (), то этому случаю отвечает кривая 3 при условии, что. Если предположить, что процесс нагрева двигателя происходит без отдачи тепла в окружающую среду, то превышение температуры его будет изменяться по линейному закону. Отсюда следует, что постоянная времени нагрева (охлаждения) двигателя равна отрезку, заключенному между перпендикуляром к оси абсцисс, проведённым через точку касания касательной к экспоненциальной кривой , и точкой пересечения этой касательной с осью ординат.

Уравнение охлаждения электродвигателя можно получить из предыдущего выражения, если принять .

где — постоянная времени охлаждения двигателя.

Рисунок 1.4 Тепловые переходные процессы охлаждения двигателя

На рисунке 1.4 представлены кривые процесса охлаждения. Здесь кривая 1 соответствует уменьшению нагрузки, а кривая 2 – отключению двигателя от сети. Кривая 3 – отключению двигателя от сети при начальной температуре двигателя .

В реальных условиях, как показывают эксперименты, экспоненциальная кривая нагрева отличается от теоретической. В начале процесса действительный нагрев идёт быстрее, чем это предусмотрено теоретической кривой. Только при температуре 0,5…0,6 до действительная кривая приближается к экспоненциальной. Поэтому точнее пользоваться средним значением из трёх полученных методом трех касательных: в начале процесса, при; ; .

Постоянная времени охлаждения больше постоянной времени нагрева в 2…3 раза по причине ухудшения условий теплопередачи.

Вопросы для самопроверки по главе

Что изучает электромеханика?

Какие устройства осуществляют электромеханическое преобразование энергии (ЭМП)?

Взаимосвязь каких явлений обуславливает электромеханическое преобразование энергии?

Закон электромагнитной индукции по Максвеллу. Напишите математическое описание.

Перечислите условия возникновения ЭДС.

Отличие ЭДС пульсации от ЭДС движения.

Что выступает в качестве энергоносителя в электромеханических преобразованиях энергии?

Как можно определить направление ЭДС в проводнике пересекающем магнитные силовые линии?

Закон Ампера в математической форме.

От чего зависит направление электромагнитной силы действующей на проводник с током в магнитном поле?

Справедливо ли утверждение, что КПД ЭМП не может быть больше 100%?

Что понимается под принципом обратимости электрических машин?

Какие основные физические элементы необходимы для реализации ЭМП?

Отличие волновой обмотки от петлевой.

Шаг обмотки (результирующий, частичные), соотношения между ними.

Потери энергии в ЭМП.

Методы уменьшения потерь в магнитопроводе ЭМП.

Зависимость КПД электрической машины от нагрузки.

Уравнение теплового баланса электрической машины.

Постоянные нагреватели и охлаждения электрической машины.

Чем определяется предельное значение температуры обмоток электрической машины?

Какие основные активные и изоляционные материалы используются в электрических машинах?

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *