От чего зависит кпд электрической машины

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:

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.

От чего зависит кпд электрической машины

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.

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.

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.

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:

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?

Какой 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.

Вычисление формулы КПД электрического двигателя

Электродвигатели стали делать много лет назад, но наивысший интерес они пробудили, когда стали заменять двигатели, работающие на бензине. КПД электрического двигателя — это один из важнейших показателей мотора. Он показывает продуктивность работы системы в целом, характеризуя, насколько хорошо механизм преобразует энергию. Показатель уровня полезного действия измеряется в процентах или градируется по шкале от 0 до 1.

Немного истории и современности

Главным толчком к развитию электрических двигателей послужило открытие закона электромагнитной индукции. Он гласит, что индукционный ток двигается так, чтобы оказать противодействие тому, что его вызвало. На этой основе и появился первый электрический двигатель.

Сегодняшнее производство электромоторов происходит согласно этой же теории, но теперешние модели имеют много отличий от первоначальных. Мощность электродвигателей возросла, они стали меньше в размерах, и, что немаловажно, коэффициент полезного действия повысился. Если сравнить его с КПД двигателя внутреннего сгорания, то результат будет далеко не в пользу последнего. Самый большой КПД такого мотора составляет не более 45%.

Основные характеристики работы моторов

Главная функция двигателя — превращение электрической энергии в механическую. КПД является показателем продуктивности выполнения данной функции. Формула КПД электродвигателя строится так:

где p1 — это подведенная электрическая мощность, а p2 — полезная механическая мощность, вырабатываемая электромотором.

Однако, не всё так просто. Функции двигателя и область его использования, многие другие переменные будут уточнять расчет и делать его более индивидуальным.

В чем плюсы электромотора

Существует много преимуществ электрических двигателей над двигателями внутреннего сгорания. Вот некоторые из них:

1. Высокий КПД.
2. ДВС тратит примерно половину энергии на нагрев мотора. В случае с электрическим двигателем на это затрачивается совсем небольшое количество энергии.
3. Электромотор гораздо меньше весит и более компактен. Новый двигатель фирмы Yasa Motors весит всего двадцать пять кг, при этом являясь достаточно мощным.
4. Долгий срок эксплуатации.
5. Автомобилям с электрическим двигателем не нужна коробка передач.
6. 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.

Потеря энергии при нагревании движка

Важную роль в работе электродвигателя играют потери энергии при нагревании двигателя. Наиболее часто падение КПД происходит от естественной теплоотдачи при работе механизма.

Электродвигатель обычно нагревается от трения, а еще из-за электрических и магнитных сил, действующих на него в процессе работы. К примеру, энергозатраты работы мотора составили 100 рублей, а механическая энергия была оценена в 80 рублей. В данном случае КПД электродвигателя будет равен 80%.

Чтобы охладить электрический двигатель, существуют специальные вентиляторы, прогоняющие воздух через работающий мотор и тем самым создающие более оптимальную температуру для его работы.

Степень нагрузки оказывает огромное влияние на работу электродвигателя. Без нагрузки мотор работает с КПД, равным 0%. Если нагрузить двигатель на 25%, то КПД будет равняться 83%. В режиме стопроцентной нагрузки КПД будет равен 87%.

Причины падения эффективности

Существует много показателей, уменьшающих КПД электродвигателя. К счастью, есть способы определить, из-за чего именно упал коэффициент полезного действия. Например, можно отследить наличие зазора, который частично сообщает мощность от электросети к статору, а потом передает на ротор. В стартере также могут быть потери энергии.

Также встречается утечка энергии из-за вихревых токов и перемагничивания сердечников статора. В асинхронном двигателе также встречаются потери из-за зубцов в роторе и статоре. В некоторых узлах мотора могут появиться вихревые токи. По таким причинам КПД может понизиться на половину процента. Асинхронные двигатели строятся с учетом этих особенностей, и КПД в таких моторах составляет от 80 до 90 процентов.

Элементы, влияющие на мощность

Электродвигатели имеют некоторые минусы, которые неудовлетворительно влияют на производительность работы. К числу особо неприятных моментов относят:

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

Перечисленное приводит к тому, что полезное действие приспособления понижается. Для увеличения результативности стремятся обеспечить нагрузку движка до 75 процентов и повышать пропорции мощности. Также существуют специальные аппараты для регулирования диапазонов подаваемого тока и его мощности, что также ведёт к росту эффективности и КПД.

Одним из наиболее известных устройств для роста отдачи электродвигателя считается механизм мягкого пуска, который ограничивает быстроту роста стартерного тока. Также можно применять и преобразователи частоты для перемены скорости вращения двигателя посредством перемены частоты напряжения. Перечисленное ведёт к уменьшению трат электроэнергии и осуществляет мягкий старт движка, высокую точность балансировки. Кроме того возрастает пусковой момент, а при неустойчивой нагрузке стабилизируется быстрота движения. В итоге производительность двигателя возрастает.

Предельный показатель функциональности

Исходя из разновидности конструкции, коэффициент ПД в электродвигателях может колебаться в пределах 10 — 99 процентов. Все зависит от конкретного типа двигателя. К примеру, отдача двигателя насоса поршневого вида достигает 70−90%. Окончательный эффект зависит от изготовителя, структуры устройства и проч.

То же самое справедливо будет отнести и к КПД двигателя подъемного крана. Когда это значение повышается до 90%, означает, что 90% расходуемой электроэнергии уходит на совершение машинной работы, а оставшиеся проценты — на нагревание деталей. Все же есть особенно успешные модели двигателей, коэффициент ПД которых доходит практически до 100%, однако не равен указанному значению.

Бывает ли значение выше 100%

Всем известно, что электродвигатели, эффективность которых превосходит 100%, невозможны согласно законам природы, поскольку это противоречит главному закону сохранении энергии. Все объясняется тем, что энергия не берется из ниоткуда и никуда не исчезает. Поэтому каждый двигатель имеет необходимость в источнике энергии. Ими могут быть:

• топливо;
• электричество;
• солнечный свет и т. д.

Но при этом ни один из перечисленных источников не вечен, к тому же запасы каждого необходимо аккумулировать. Однако если бы имелся источник энергии, нуждающийся в сборе и аккумуляции, то вполне вероятно было бы создание движка, полезное действие которого было бы более 100%.

Гидроэлектростанция — прототип вечного механизма

Если рассмотреть принцип работы гидроэлектростанции, то можно увидеть, что электричество вырабатывается в ней за счет воды, которая падает с большой высоты. Электроэнергия производится турбиной, которую вращает падающая вода. Вода стремится вниз благодаря земному притяжению.

Оно действует постоянно, не ослабевая и не пропадая. После того как вода выработала некоторое количество энергии, она превращается в пар и естественным образом возвращается в водохранилище. Это может повторяться много раз. Как следствие — электрическая энергия вырабатывается без потери ресурсов.

Солнце нагревает землю, участвуя в испарении воды, гравитация совершает двойную работу, участвуя в падении воды, а также в производстве осадков — ведь именно из-за притяжения земли вода из облаков стремится упасть вниз. В целом получается, что гидроэлектростанция — это механизм, преобразующий энергию падения воды в электрическую с коэффициентом полезного действия больше ста процентов.

Из этого видно, что поиски двигателя с КПД больше 100% небеспочвенны, потому что есть и другие ресурсы, кроме гравитации, которые невозможно исчерпать.

Постоянные магниты — производители электроэнергии

Постоянный магнит может также явиться интересным предметом для получения энергии, ведь она не поступает к нему извне, а магнитное поле остается неизменным даже после того, как работа уже совершена.

Магнит имеет свойство притягивать различные вещи из железа и его сплавов. Притянув к себе некий предмет, он не расходует свою энергию, это просто свойство, которым он обладает и которое не может исчерпать. Поэтому на основе магнитов можно было бы сделать двигатель, близкий к вечному. Безусловно, нельзя не принимать во внимание изнашиваемость деталей, но сам принцип работы магнита создает условия для постоянной работы без растраты средств.

Правда, некоторые ученые считают, что со временем магнит теряет свои свойства. Это непроверенная информация, но не учитывать такой поворот событий тоже нельзя.

На основе магнитов много раз пытались создать подобие вечного двигателя, но пока эти попытки ни к чему не привели. Конечно, хочется верить, что в обозримом будущем учёные сделают прорыв и изобретут двигатель, который будет работать на возобновляемой энергии.

Интересно, что один из отечественных изобретателей — В. Чернышов — недавно продемонстрировал описание мотора, основанного на статичном магните, и его КПД, как удостоверяет сам экспериментатор, равняется более чем 100%.

Коэффициент ПД электродвигателя — это чрезвычайно важный показатель, который обусловливает производительность работы какого-либо движка. Чем его показатель выше, тем эффективнее движок. В моторе с КПД 95% почти вся затрачиваемая мощность расходуется на осуществление работы и всего 5% тратится не на требуемое действие (к примеру, на разогрев частей). Нынешние дизельные двигатели способны добиваться значения КПД 45%. Коэффициент маленький, но тем не менее он считается одним из самых производительных. КПД карбюраторных двигателей, работающих на бензине, еще более низкий.