Коэффициент полезного действия (КПД) — важнейший показатель эффективности работы любого устройства, включая современный электродвигатель. С его помощью определяют отношение полезной работы к затраченной. В данной статье мы рассмотрим особенности расчета и факторы, влияющие на КПД электродвигателей различных типов.
Определение и единицы измерения
КПД представляет собой отношение полезной мощности (квт), которую двигатель передает нагрузке, к потребляемой им электрической энергии. Это показатель того, насколько эффективно устройство преобразует электрическую энергию в механическую работу.
При проведении математических расчетов КПД все типы энергии и механическая работа представляются в одних и тех же единицах измерения, основываясь на механическом эквиваленте тепла. Благодаря этой универсальности понятие КПД дает возможность проводить сравнение и оценку с единой точки зрения различных систем, таких как:
- атомные реакторы;
- теплоэнергетическое оборудование;
- электрические генераторы и моторы;
- биологические организмы и прочие объекты;
- полупроводниковые устройства.
КПД измеряется в процентах и всегда меньше 100%, так как часть энергии неизбежно теряется при работе двигателя. Например, если КПД составляет 90%, это означает, что 90% потребленной электроэнергии превращается в полезную механическую мощность, а оставшиеся 10% уходят на различные виды потерь. Также он может записываться в виде десятичной дроби.
Как определить коэффициент полезного действия
Для определения КПД используется следующая формула:
Здесь η — коэффициент полезного действия, P2 — полезная мощность на выходе, P1 — потребляемая мощность.
Когда определяете коэффициент полезного действия, помните, что показатель может меняться в зависимости от того, какая нагрузка подключается к электрическому двигателю. Максимальные значения достигаются в случае, когда электродвигатель нагружается до 80% от номинала.
КПД электродвигателя определяет эффективность использования энергоресурсов. После ремонта КПД двигателя снижается, увеличивая потери электроэнергии. На снижение КПД влияет множество факторов, таких как зазоры между статором и ротором, потери в стартере, вихревые токи. В асинхронных двигателях учитывается весь спектр возможных потерь, поэтому КПД варьируется от 80 до 90%.
Основные потери
Есть три вида потерь:
- магнитные;
- механические;
- электрические.
Магнитные потери связаны с перемагничиванием сердечника, и они считаются постоянными, то есть не зависят от нагрузки двигателя. Механические потери — потери на трение в подшипниках и на вентиляцию. Величина этих потерь пропорциональна квадрату частоты вращения ротора. Электрические потери чаще всего возникают из-за нагрева обмоток статора и ротора проходящими по ним токами.
Как изменяется коэффициент полезного действия электрического двигателя
Коэффициент полезного действия асинхронного двигателя постоянного тока меняется в процессе работы, достигая максимума при нагрузке около 80% от номинальной. Затем показатели постепенно падают из-за роста электрических потерь.
Повышение средней величины КПД возможно за счет снижения механических и электрических потерь, используя современные материалы и малые скольжения. Разработчики стремятся минимизировать потери мощности и повысить эффективность техники. Для улучшения экономичности оборудования они используют современные материалы, снижающие механические потери. Устройства плавного пуска и частотные преобразователи также помогают добиться сохранения КПД на нужном уровне. Они ограничивают рост пускового тока, регулируют скорость вращения и повышают общую эффективность двигателя.
Максимальный, высокий и средний КПД электродвигателя
Средний КПД большинства промышленных электродвигателей составляет 85–90%. Этот уровень позволяет обеспечить достаточную экономичность эксплуатации оборудования. Показатели зависят от того, насколько большая нагрузка прилагается:
- холостой ход — КПД = 0%;
- нагрузка 25% — КПД = 83%;
- нагрузка 50% — КПД = 87%;
- нагрузка 75% — КПД = 88%;
- полная нагрузка — КПД = 87%.
КПД в основном снижается по причине асимметрии токов, возникающей при различии напряжений на фазах. Например, при напряжении 410 В на первой фазе, 403 В на второй и 390 В на третьей, средняя величина составит 401 В. Разница между максимальной и минимальной фазами (410 - 390 = 20 В) указывает на потерю 5% КПД из-за неравномерности напряжений.
Высоким считается КПД от 90 до 95%. Такие двигатели применяются в ответственных системах, где важна высокая эффективность преобразования энергии. В них реализованы специальные схемы, позволяющие снизить большую часть потерь.
Максимально возможный КПД достигается в том случае, если отсутствуют все факторы, провоцирующие его снижение. Такой режим работы является оптимальным с точки зрения экономической выгоды, обеспечивая максимальную отдачу при минимальных затратах.
Теоретически КПД выше 100% невозможен, так как энергия не может появиться из ничего и не исчезает бесследно. Только при наличии бесконечного источника энергии КПД мог бы достичь 100%, но превысить этот предел нереально.
Что влияет на коэффициент электродвигателя
Эффективность электродвигателя определяется такими факторами, как:
- Температура рабочего тела. Увеличение температуры повышает КПД, так как возрастает разница температур между рабочим телом и окружающей средой, улучшая использование тепловой энергии.
- Расход рабочего тела. Рост расхода обычно снижает КПД из-за увеличения потерь на трение и других несовершенств процесса.
- Трение. Потери энергии из-за трения уменьшают КПД. Минимизируя эти потери, можно увеличить эффективность двигателя.
Понимая принципы расчёта КПД и зная, какие факторы на него влияют, можно принимать меры для оптимизации работы устройств и повышения их эффективности. В конечном итоге это способствует экономии ресурсов и улучшению экологических показателей производства.
