А я хочу поделится большой статьёй — тут сразу три больших статьи — читайте любые:— Сравнение КПД электромобиля и двигателя внутреннего сгорания— Взгляд на Илона Маска как Прогрессора. При этом автор достаточно негативно относится к Прогрессорству— Квалификация Аналитического Центра про Правительстве РФ
Мои комментарии и вопросы — наклонные и другим цветом
Сравнение КПД электромобиля и двигателя внутреннего сгоранияВ отношении автомобиля на ДВС ответ на вопрос о КПД будет разным, поскольку в одном случае речь будет о «полезной работе», в другом о КПД на вале двигателя («полезной мощности»), в третьем о КПД «на колесе».Проще всего проиллюстрировать КПД картинкой
ИсточникКогда говорят о КПД двигателя чаще всего речь идет о «полезной работе», которая в определенных режимах на больших чаще всего судовых дизельных ДВС может достигать 54%, у автомобильного дизеля КПД «полезной работы» максимум 42%, у бензинового ДВС КПД «полезной работы» еще ниже 35%.Если же вести речь о КПД «полезной мощности» учитывающей топливную эффективность и механические потери, то итоговый КПД «полезной мощности» составляет около 25% у автомобильного дизеля и 20% у бензинового ДВС.Вал двигателя с колесами соединяет трансмиссия, т.е. коробка передач и привод, в среднем КПД трансмиссии принимают равным 90% механическая коробка передач, 85-87% автоматическая коробка передач.Итоговый КПД автомобиля на ДВС «колесе» составляет около 22,5% дизельный двигатель и 18% бензиновый двигатель.
ЭлектромобильТяговый электродвигатель значительно проще устроен и имеет одно значение КПД «полезной мощности» - 90-95% Сслыка на ВикипедиюЭлектродвигатель Tesla model S имеет КПД – 95%.Трансмиссия Tesla model S также очень проста и представляет собой одноступенчатый редуктор с КПД 98-99%.Итоговый КПД Tesla model S «на колесе» - 94%.Запас хода Tesla model S с батареей 85 кВт*ч – 426 км, время полной зарядки на заправочной станции 30 минут.Серийный выпуск Tesla model S с июня 2012 года.Масса Tesla model S - 2108 кг, вес батареи - 450 кг.Источник
Итак: автомобиль с дизельным ДВС имеет КПД «на колесе» 22,5%, КПД серийного электромобиля Tesla model S «на колесе» - 94%.
Тут бы ещё привести цифры по эффективности переработки разных видов топлива на электростанциях и эффективности электросетей для полноты
Посчитаем цену эксплуатации Основываясь на этих данных, посчитаем сравнительную эффективность автомобиля с дизельным ДВС и электромобиля Tesla model S.
Удельная теплоемкость 1 литра солярки - 35 мдж или 9,72 кВт*ч.Количество энергии от 1 литра солярки «на колесе» составляет 9,72 кВт*ч Х на КПД дизельного ДВС 22,5% = 2,19 кВт*ч.Количество энергии Tesla model S «на колесе» от батареи составляет 85 кВт*ч Х на КПД Tesla model S «на колесе» 94% = 79,90 кВт*ч.Соответственно батарея Tesla model S примерно равна 36,5 литров солярки.Проверяем 36,5 литров солярки на 426 км дают средний расход 8,6 литра солярки на 100 км, нормальный показатель для автомобиля весом 2 100 кг.Считаем затраты на заправку Tesla model S и автомобиля с дизельным ДВС по ценам к примеру Германии, где электроэнергия стоит довольно дорого 30 евроцентов кВт*ч, а дизельное топливо около 1,07 Евро за 1 литрСоответственно одна заправка автомобиля с дизельным ДВС обойдется: 36,53 литра Х 1,07 Евро = 39,09 Евро, одна заправка Tesla model S обойдется: 85 кВт*ч Х 30 евроцентов = 25,5 Евро.Таким образом даже в условиях дорогой электроэнергии в Германии серийный электромобиль Tesla model S существенно экономически эффективнее автомобиля с дизельным ДВС.Следует отметить, что ключевыми показателями для конкурентоспособности электромобиля являются запас хода (минимум 300-400 км) и время перезарядки на электрозаправках (менее 1 часа), поскольку именно достижение указанных показателей позволяет перевести на электротягу всю грузовую и пассажирскую автомобильную логистику.
Квалификация Аналитического Центра про Правительстве РФ
Интерес к электромобилям носит отнюдь не праздный характер. Россия – нефтяная страна, которая живет с экспорта углеводородов. Соответственно, быстрое развитие электромобилей может сократить потребление нефти в мире => сократить экспорт нефти из России => уменьшить доходы РФ в целом и каждого гражданина в частности.В 2014 году Институт энергетических исследований РАН (ИНЭИ РАН) и Аналитический центр при Правительстве РФ опубликовали капитальный стратегический труд «Прогноз развития энергетики России и мира до 2040 года» (далее – «Прогноз»).В открытом доступе опубликован на личном сайте Леонида Марковича Григорьева, Ссылка на прогноз в PDF
Страницы 79-84 Прогноза посвящены электромобилям.На странице 79-80 авторы Прогноза несколько раз повторяют, что электромобили неконкурентноспособны по сравнению с автомобилям с ДВС, но в перспективе к 2030 году могут составить конкуренцию.
На странице 82 Прогноза содержится расшифровка, чего должны достичь электромобили к 2030 году , чтобы составить конкуренцию автомобилям с ДВС:1) Запас хода на одной заправке до 300 км (серийная Tesla model S в 2012 году имела запас хода 426 км).2) Снижение стоимости батареи с 20 тыс. $ до 10 тыс. $ (батареи китайских электромобилей уже дешевле этой цифры).3) Срок службы батареи не менее 7 лет (срок службы батареи серийной Tesla model S в 2012 году 5 лет).4) Тройное уменьшение веса до 100 кг (вес батареи Tesla model S - 450 кг, 100 или 450 честно говоря непринципиально).5) Сокращение времени полного заряда батареи от электросети 220 В до 30-40 минут (от бытовой сети 220 В сократить время заряда батареи до 30-40 минут невозможно по физическим причинам, а специальные электрозаправки существуют и заряжают за 30-40 минут).
Как несложно убедиться практически все что, авторы прогноза в 2013 году хотели увидеть в будущем на уровне опытных образцов к 2030 году, существовало в серийном виде в 2012 году.
На 84 странице Прогноза авторы сделали смелое предположение, что «Для обеспечения конкурентоспособности электромобилей на протяжении всего прогнозного периода цена на электроэнергию не должна превышать 15 центов за кВт*ч».Как видно из расчета даже для Германии при цене электричества 30 евроцентов за кВт*ч, и стоимости солярки 1,07 Евро за литр (при нефти 45 $ за баррель), электромобили выигрывают в конкурентоспособности у автомобилей с ДВС.
Но может быть авторам Прогноза не было известно в 2014 году о выпуске серийной Tesla model S?
Отнюдь. На сайте Аналитического центра при Правительстве РФ в декабре 2013 года выложен бюллетень «Электрический и гибридный транспорт в мире» (далее – «бюллетень») Ссылка на бюллетень в PDF.На странице 7 бюллетеня выложена таблица, согласно которой электромобили (в таблице обозначены BEV) должны достичь запаса хода 250 км к 2030 году.В тоже время на странице 10 авторы бюллетеня пишут про то, что средний запас хода электромобиля 150-200 км, и продолжает увеличиваться (уже есть модели 300-400 км.).Как авторы бюллетеня могут сочетать прогноз о запасе хода 250 км к 2030 году с утверждением, что в 2013 году есть модели с запасом хода 300-400 км? Загадка, но не суть.Главное, что в 2013 году в Аналитическом центре при Правительстве РФ было известно о существовании электромобилей с запасом хода 300-400 км, но стратегический прогноз развития энергетики России и мира до 2040 года был основан на устаревших абсолютно недостоверных данных.
Если допустить, что прогнозный 2030 по электромобилям наступил уже в 2013, то как следует из графика на странице 83 Прогноза (сценарий «перспективные электромобили») в ближайшие 10 лет Россию ждет значительное сокращение экспорта нефти в связи со снижением спроса на нефть на мировом рынке.В выступлениях руководства страны постоянно звучит тема развития инноваций, между тем анализ Прогноза и бюллетеня приводит к неутешительному выводу: отечественная академическая экономическая наука абсолютно беспомощна в оценке ключевых инноваций, выпускающихся серийно , не говоря уже об оценке и прогнозировании влияния на экономику России и мира перспективных направлений научно-технического прогресса.Вместе с тем Аналитический центр при Правительстве РФ достоин всяческой похвалы за публикацию своих пусть не вполне блестящих прогнозов. Публичность предполагает возможность обсуждения и критики, а значит улучшения качества публикуемых прогнозов.
Прогноз BPИнститут энергетических исследований РАН (ИНЭИ РАН) и Аналитический центр при Правительстве РФ не одиноки в оценке радужных перспектив мирового рынка углеводородов. В традиционном ежегодном исследовании BP также содержатся вполне радужные перспективы рынка нефти до 2035 года.Ссылка на прогноз BP в PDFВ чем причина столь радужного настроя BP при том факте, что у автомобиля с ДВС есть конкурент - реальный электромобиль, который эффективнее и экономически и экологически?Может показаться бессмыслицей, но странам ОЭСР невыгодно переходить на более эффективные электромобили по причине построения в странах ОЭСР социального государства.
Я думаю они перестроятся легче, чем думает автор — В.В.
Социальное государство определить просто и сложно, но если коротко государство становится социальным тогда когда реально берет на себя обязанность поддерживать определенный стандарт жизни для каждого лояльного гражданина. В понятие социального государства входит как одно из основных обязательствогосударства по обеспечению занятости и сохранению рабочих мест.Какие экономические последствия повлечет полный переход от автомобилей с ДВС на электромобили?Из очевидного, резко на 80% сократится добыча и потребление нефти. Сокращение рабочих мест в нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности не является крупной проблемой для стран ОЭСР.Совсем другая картина открывается если посмотреть на автомобильную отрасль.Автомобиль с ДВС представляет собой сочетание сложных механизмов, работающих в жестких условиях.Современный ДВС – это сложнейшая система впуска, блок цилиндров в котором в минуту происходит несколько тысяч циклов воспламенения горючей смеси (читай несколько тысяч взрывов в минуту), сложнейшая трансмиссия для передачи импульса от коленвала на привод. Иными словами автомобиль с ДВС – технологическое чудо, для производства которого, а самое главное обслуживания, требуется труд многих людей.Современный электромобиль – это тяговый электродвигатель, в котором нет ни давления, ни воспламенения, ни постоянно сопрягающихся механизмов, простейшая трансмиссия в виде одноступенчатого редуктора, батарея.
Очевидно, что производство и обслуживание примерно соответствующего текущему уровню автомобилизации количества электромобилей потребует значительно меньшего количества рабочих рук, возможно, в разы, если не в десятки раз.В экономике есть устоявшийся мем, что «один работник на коневейере автомобильного завода обеспечивает работой 10 человек в автомобильной и смежных отраслях экономики».На примере той же Германии: число работников Фольксвагена 550 000, Мерседеса – 279 000, БМВ – 100 000, Опель – 25 000.Не все работают в Германии, не все работают на конвейере, но совершенно очевидно, что в автомобильной и смежных отраслях в Германии занято несколько миллионов человек.
Соответственно, при переходе на электромобили уволенными без перспективы найти аналогичную по доходам и статусу работу окажутся несколько миллионов человек из автомобильной и смежных отраслей.Всех уволенных и членов их семей социальное государство Германия обязано будет содержать до конца жизни уволенных работников.Введение в формулу расчета социального государства с легкостью перечеркивает экономический эффект перехода от автомобилей с ДВС на электромобили.Таким образом, резкий переход на электромобили крайне невыгоден странам ОЭСР как социальным государствам.Прогнозы энтузиастов электромобилестроения начала 2010-х о миллионах электромобилей в странах ОЭСР и миллионах заправок остались прогнозами, была выбрана стратегия на плавный «органический» рост, при котором электромобили будут составлять значимую долю парка к 2050-2060 году и негативные экономические эффекты в результате исполнения странами ОЭСР обязательств социального государства будут сглажены до удовлетворительных показателей.Поэтому прогноз BP имеет право на жизнь, но к большому сожалению для BP, в частности, и мировой нефтяной отрасли, в целом, круг производителей и потребителей электромобилей не исчерпывается странами ОЭСР.
Взгляд на Илона Маска как Прогрессора.
По большому счету текущая ситуация на рынке электромобилестроения следствие действий одного человека – Илона Маска.Илон Маск после начала серийного выпуска Tesla model S сделал удивительную для предпринимателя вещь: открыл все патенты на электромобиль Tesla.С позиций «экономикс», с позиций научного приоритета – это явная глупость, непонятная отечественным аналитикам.Отечественная наука проспала смену парадигмы научного познания с «науки приоритета» на «науку открытого кода».
Хотелось бы какие-то данные, что именно патенты компании Маска были использованы. Это была бы статья огромного значения — В.В.
«Наука приоритета» основана на конкуренции отдельных ученых и/или научных коллективов с итоговой оценкой научной деятельности отдельных личностей либо коллективов.«Наука открытого кода» основана на сотрудничестве отдельных ученых и/или научных коллективов с целью умножения научного знания (к примеру, коллаборации ученых как форма научной организации).Инновационный бизнес по логике вещей является формой научной деятельности, и также может быть основан на «приоритете» или «открытом коде».Если смотреть шире то «приоритет» и «открытый код» не сводятся к науке или бизнесу, а гораздо более значимые явления социальной жизни.Для целей настоящего исследования важен факт приверженности Илона Маска «открытому коду». Маск выступил если смотреть с негативного угла штрейхбрейкером электромобилестроения, а с позитивного культуртрегером прогресса, современным Прометеем.
Конечно они – китайцыРезультатами просветительской деятельности Илона Маска воспользовался Китай.Если оценить результаты 2015 года, то объем продаж легковых электромобилей составил 549 000, из них 189 000 пришлось на Китай (рост по отношению к 2014 году 223%), 115 000 на США (падение по отношению к 2014 году 4%), 192 000 на Европу (рост по отношению к 2014 году 99%) ИсточникВпечатляющие цифры, но только для тех, кто за деревьями не видит леса.Как сообщает Газета.ру «Китай в 2015 году вышел на первое место в мире по продажам электромобилей, передает РИА «Новости».Об этом заявил министр науки и технологий КНР Вань Ган на пресс-конференции.
По его словам, в прошлом году количество новых электромобилей, проданных на территории Китая, превысило 370 тыс. единиц, а общее количество электромобилей в стране оценивается в 497 тыс. единиц» .
370 000 и 189 000 слабо пересекающиеся цифры, если не обращать внимание, что цифра 189 000 касается продаж легковых электромобилей в Китае в 2015 году.
Соответственно более 180 000 единиц составили продажи электрического грузового и грузопассажирского транспорта и это очень серьезно.
Экономическая эффективность электромобилей для целей легкового транспорта не более чем один из многих показателей в ряду, а для грузового и грузопассажирского транспорта - это основной показатель.Следует отметить, что парк грузового и грузопассажирского транспорта существенно (в разы) меньше легкового, но общее потребление моторного топлива грузовым и грузопассажирским транспортом сравнимо с потреблением моторного топлива легковым транспортом.При текущих темпах производства электрических грузовиков Китай уже к 2025 году может полностью заместить свои 20-25 млн. единиц коммерческого транспорта с ДВС на электромобили, что автоматически означает сокращение спроса на нефть со стороны Китая на 20-30%, или 4-5 млн. баррелей в день минимум.
Чтобы понять насколько велик разрыв по грузовому электротранспорту между к примеру Европой и Китаем, достаточно погуглить с какой помпой в 2015 году компания BMW обставила приобретение 1 (одного) голландского грузовика Terberg для целей доставки деталей со складского терминала на завод BMW.Сравните с 180 000 единиц электрического коммерческого транспорта, выпущенных в Китае в том же 2015 году.Перевод коммерческого транспорта на электротягу даст/дает Китаю огромное преимущество в производительности труда.Страны ОЭСР будут вынуждены закрывать образующийся разрыв, поэтому к сожалению для BP и нефтезависимых стран электромобили будут развиваться не «органически», а скачкообразно особенно в сфере коммерческого транспорта, что приведет к сильному падению спроса на нефть.
Хорошая новость для России, которую не упустили из виду авторы Прогноза (страница 84 Прогноза) электромобилизация повлечет рост спроса на электричество и рост спроса на газ прежде всего со стороны Китая, причем возможно рост китайского спроса на газ будет значительно более впечатляющим, чем представляют себе авторы Прогноза.
verola.livejournal.com
Коэффицент полезного действия электродвигателя
Правильный выбор электродвигателя напрямую связан с его КПД, потери КПД электродвигателя это бич промышленности и производства. Реактивные токи, сильный нагрев электродвигателя, понижение мощности и в целом складывается потеря КПД электродвигателя.
В любом электродвигателе электрическая энергия с потерей мощности превращается в механическую энергию. Потери складываются из нескольких факторов, которые я перечислю ниже.
Причины полных потерь КПД в электродвигателе
1. Магнитные (в железе статора и ротора перемагничивание, плюс еще и вихревые токи)
2. Электрических ( обмотки статора и ротора)
3. Механические потери (трение подшипников и т.д.)
КПД (коэффициент полезного действия электродвигателя) это – сравнивание отдаваемой механической энергией электродвигателя с потребляемой электродвигателем электрической энергией. Более проще звучит так, скушал электричества на три рубля, а отдал на рубль, да еще и нагрелся.
Для электродвигателя с коротко замкнутым ротором мощностью 1-17 kW КПД, как правило, равно 0.78 – 0,87, для тех кто не слишком в теме чуть разъясню. Для двигателя в 15 kW потеря в 1950 ватт считается нормой. Для любопытных поясняю эта электроэнергия преобразуется в тепло в результате, которого электродвигатель нагревается.
Охлаждение электродвигателя происходит с помощью вентилятора, который прогоняет воздух через специальные воздушные зазоры. Допускаемая норма нагрева электродвигателя класса А порядка 85 – 90С для класса В 110С градусов . Из своего опыта могу сказать если при прикосновении рука терпит , значит этот двигатель еще поработает, ну а если руку нельзя держать больше двух секунд то дело плохо и межвитковое замыкание статора уже совсем близко. Охлаждение электродвигателя это тема для другой статьи и мы к ней еще вернемся.
КПД Эл. Двигателя также зависит от нагрузки и зависимости от нагрузки меняет свое значение.
Холостой ход – КПД 0
1/4 нагрузки - КПД 0,83
1/2 нагрузки - КПД 0,87
3/4 нагрузки – КПД 0,88
Полная нагрузка - КПД 0,87
Если в сети асимметрия токов то это тоже фактор снижения КПД электродвигателя. (на трех фазах разный вольтаж) Ниже на таблице приведен пример.
Многие спрашивают от чего зависит КПД электродвигателя? - из выше перечисленных фактов мы познакомились с этим термином, в общих чертах. Для каждого типа электродвигателя свои параметры, влияющие на его коэффициент полезного действия. Прежде чем устанавливать электрооборудование необходимо просчитать все факторы, негативно влияющие на КПД электродвигателя.
Анонс: Для любителей все делать своими руками предлагаем статью Сложный ремонт дрели зачем нести в мастерскую когда можно отремонтировать самому.
elektro-blog.ru
КПД и мощность - это то, на что в первую очередь стоит обратить внимание при выборе асинхронного электродвигателя АИР. Суть работы любого эл двигателя заключается в том, что электрическая энергия, с сопутствующими преобразованию потерями, превращается в механическую. Чем меньше потери при протекании данного процесса, тем выше его КПД и тем эффективнее эл двигатель. Но, при всей важности коэффициента полезного действия, не стоит забывать о мощности мотора. Ведь даже при чрезвычайно высоком КПД и выдаваемой им мощности может быть недостаточно для решения необходимых вам задач. Поэтому при покупке очень важно знать не только, чему равен КПД электродвигателя, но и какую полезную мощность он сможет выдать на своем валу. Оба эти значения должны быть указаны производителем. Порой бывает и такое, что нет доступа к паспорту мотора (например, если вы покупаете его “с рук”, что крайне не рекомендуется делать) и приходится самостоятельно вычислять столь важные параметры. Для начала стоит определить: что такое коэффициент полезного действия, или попросту КПД. И так, это отношение полезной работы к затраченной энергии.
Получается, для того чтобы определить этот параметр необходимо сравнить выдаваемую им энергию с энергией, необходимой ему чтобы функционировать. Вычисляется КПД с помощью выражения:
η=P2/P1 
где η - КПД
P2- полезная механическая мощность электромотора, Вт P1- потребляемая двигателем электрическая мощность, Вт;
Коэффициент полезного действия это величина, находящаяся в диапазоне от 0 до 1, чем ближе ее значение к единице, тем лучше. Соответственно, если КПД имеет значение 0,95 - это показывает, что 95 процентов электрической энергии будут преобразованы им в механическую и лишь 5 процентов составят потери. Стоит отметить, что КПД не является постоянной величиной, он может меняться в зависимости от нагрузки, а своего максимума он достигает при нагрузках в районе 80 процентов от номинальной мощности, то есть от той, которую заявил производитель мотора. Современные асинхронные электродвигатели имеют номинальный КПД (заявленные производителем) 0,75 - 0,95. Потери при работе двигателя в основном обусловлены нагревом мотора (часть потребляемой энергии выделяется в виде тепловой энергии), реактивными токами, трением подшипников и другими негативными факторами. Под мощностью мотора понимают механическую мощь, которую он выдает на своем валу. В целом же мощность - это параметр, который показывает, какую работу совершает механизм за определенную единицу времени.
КПД электродвигателя это очень важный параметр определяющий, прежде всего эффективность использования энергоресурсов предприятия. Как известно КПД электродвигателя значительно снижается после его ремонта, об этом мы писали в этой статье. При уменьшении коэффициента полезного действия будут соответственно увеличены потери электроэнергии. В последнее время набирают популярность энергоэффективные электродвигатели разных производителей, в России популярны моторы производства ОАО «Владимирский электромоторный завод». Любые асинхронные электродвигатели представлены в каталоге продукции. Дополнительную полезную информацию Вы можете посмотреть в каталоге статей.
www.uesk.org
Для повышения КПД асинхронного двигателя используются преобразователи частоты и устройства плавного пуска.Подробнее...
Частотный преобразователь в комплекте с асинхронным электродвигателем поможет значительно сократить расходы на потребление электроэнергии. Перейти в каталог...
Устройство плавного пуска позволяет решить проблему «просадок» напряжения, снизить вероятность перегрева и повысить срок службы электродвигателей. Посмотреть варианты...
Контроллеры асинхронных электродвигателей предохраняют оборудование от короткого замыкания и обладают функцией коррекции коэффициента мощности. Посмотреть модельный ряд...
Несмотря на высокую эффективность современных электромеханических преобразователей, в процессе их работы все же возникают потери магнитной, электрической и механической энергии, сопровождающиеся выделением тепла, усилением шума и вибрации. Это обусловлено трением элементов, перемагничиванием в магнитном поле сердечника якоря электродвигателя, скачками нагрузок… Можно ли минимизировать эти «утечки», повысив тем самым КПД, и если да, то как этого добиться? Об этом мы и поговорим в данной статье.
Согласно общепринятой классификации электрические машины бывают синхронными — с одинаковой частотой вращения ротора и магнитного поля, и асинхронными — в которых магнитное поле вращается с более высокой скоростью, чем ротор. Электродвигатели последнего типа получили более широкое распространение: порядка 90% всех двигателей на планете являются асинхронными. Они применяются во всех отраслях промышленности, сельского хозяйства и сферы ЖКХ. Такая популярность объясняется тем, что данные механизмы просты в изготовлении, надежны, доступны по цене и не требуют больших эксплуатационных затрат. Кроме того, КПД асинхронного электродвигателя значительно выше, чем синхронного.
Но есть у подобной техники и существенные недостатки. В частности, высокий пусковой ток, недостаточный пусковой момент, несогласованность механического момента на валу привода с механической нагрузкой (что приводит к лавинообразному росту силы тока и избыточным механическим нагрузкам при запуске и снижению КПД в периоды пониженной нагрузки), невозможность точной регулировки скорости работы прибора и т.д. Все эти факторы приводят к тому, что эффективность работы механизма существенно снижается.
На заметкуКлючевыми факторами, влияющими на КПД электродвигателя, являются степень его загрузки по отношению к номинальной, конструкция, модель, степень износа, отклонение напряжения в сети от номинального. Также КПД электродвигателя может заметно снизиться после его перемотки.
Для повышения эффективности работы электропривода необходимо обеспечивать его загрузку на уровне не менее 75%, увеличивать коэффициент мощности, регулировать напряжение и где возможно — частоту подаваемого тока. Реализация этих мер обеспечивается использованием специального оборудования, позволяющего повысить КПД электродвигателя. Однако не во всех случаях возможно или необходимо реализовать их все.
Такие приборы подразделяются на частотные преобразователи, которые изменяют скорость вращения двигателя путем изменения частоты питающего напряжения, а также устройства плавного пуска, ограничивающее скорость нарастания пускового тока и его максимальное значение. В этой статье мы сравним современные решения для повышения КПД двигателей с позиций эффективности работы и экономической целесообразности.
Одним из наиболее действенных средств повышения эффективности работы электродвигателя является частотный преобразователь, который трансформирует однофазное или трехфазное напряжение с частотой 50 Гц в напряжение с требуемой частотой (обычно от 1 Гц до 300–400 Гц, но иногда и до 3000 Гц) и амплитудой.
«Частотник» (так в профессиональной среде называют преобразователь частоты) состоит из:
Существует два класса приборов в зависимости от устройства и принципов работы:
Наибольшую популярность получили устройства второго типа, обеспечивающие плавную регулировку оборотов двигателей.
Эффективность того или иного преобразователя во многом зависит от соответствия его функциональных возможностей целям использования. Так, для оснащения электроприводов насосов и вентиляторов используются преобразователи с невысокой перегрузочной способностью и зачастую с U/f-управлением, которые при необходимости могут повышать начальное значение выходного напряжения с целью увеличения момента двигателя на низких частотах.
Более совершенными являются устройства с векторным управлением, которые регулируют не только частоту и амплитуду выходного напряжения, но и фазы тока, протекающего через обмотки статора. Они устанавливаются на прокатные станы, конвейеры, подъемное, упаковочное оборудование и др.
Если необходимо выполнять контролируемое торможение двигателя, используется функция замедления, которая обеспечивают остановку механизма за счет изменения частоты до нужного уровня. Однако, если требуется интенсивное замедление, может понадобиться «частотник», оснащенный встроенными или внешними блоком торможения и тормозным резистором либо рекуперативным блоком торможения. В режиме динамического торможения двигатель переходит в генераторный режим и трансформирует механическую энергию в электрическую, которая возвращается в звено постоянного тока и либо рассеивается в виде тепла на сопротивлении тормозного резистора, либо возвращает энергию в сеть посредством рекуперации. Это решение актуально для станкового и конвейерного оборудования.
Частотный преобразователь с обратной связью позволяет поддерживать постоянную скорость вращения при переменной нагрузке с более высокой точностью, чем преобразователь без обратной связи, тем самым повышая качество технологического процесса в замкнутых системах. Такие устройства используются в робототехнике, дерево- и металлообработке, в системах высокоточного позиционирования.
В последнее время стоимость «частотников», как бы выразились финансисты, подвержена высокой волатильности — за год–полтора цены увеличились более чем в 2 раза, что объясняется колебаниями валютного курса. Частотные преобразователи российского и зарубежного производства мощностью порядка 90 кВт в январе-феврале 2017 года обходятся покупателям в 375–685 тысяч рублей.
Таким образом, преобразователь частоты для асинхронного двигателя, принцип работы которого описан выше, обеспечивает снижение расхода электроэнергии, плавный запуск привода и высокую точность регулировки, увеличивает пусковой момент и стабилизирует скорость вращения при переменной нагрузке. Все это в совокупности позволяет повысить коэффициент полезного действия машины. К недостаткам «частотника» можно отнести его высокую стоимость, а также создание электромагнитных помех в процессе работы.
Для обеспечения плавного запуска, разгона и остановки электродвигателя используются устройства плавного пуска (УПП). Эти приборы ограничивают скорость увеличения пускового тока в течение определенного времени.
Традиционные устройства плавного пуска не решают задачу повышения КПД. Кроме того, они могут применяться только для управления приводами с небольшой нагрузкой на валу. Однако сегодня существуют разновидности УПП, позволяющие повысить энергоэффективность двигателей путем согласования крутящего момента с моментом нагрузки и, как следствие, снижения потребления электроэнергии на минимальных нагрузках на 30–40% — это контроллеры-оптимизаторы. Последние предназначены для приводов, не нуждающихся в изменении числа оборотов двигателя.
Например, чтобы снизить энергопотребление эскалатора при помощи преобразователя частоты, потребовалось бы уменьшить его скорость, но это невозможно, потому что тогда подъем пассажиров потребует более продолжительного времени. А контроллеры-оптимизаторы позволяют снизить энергопотребление без изменения скорости электропривода в тех случаях, когда он недогружен.
Контроллеры-оптимизаторы — это регуляторы напряжения питания электродвигателя, осуществляющие контроль за фазами тока и напряжения. Они обеспечивают полное управление приводом на всех этапах работы и защищают его от повышенного и пониженного напряжения, перегрузки, обрыва или нарушения чередования фаз и т.д. Контроллеры-оптимизаторы согласуют значение крутящего механического момента, развиваемого электродвигателем, со значением механического момента нагрузки на его валу за счет изменения напряжения питания двигателя. При этом скорость вращения ротора электродвигателя остается прежней, а коэффициент мощности повышается. Это оборудование является функционально законченным и не требует подключения дополнительных устройств.
При работе привода в режиме динамично меняющихся нагрузок контроллер обеспечивает прекращение отбора мощности из питающей сети в те моменты, когда полупроводниковые переходы тиристоров (управляемых диодов) закрыты, то есть не пропускают электрический ток. Тиристоры открываются при поступлении управляющих импульсов, задержка подачи которых определяется степенью загрузки привода, а закрываются при переходе тока через ноль.
Важно!Скорость реакции контроллера-оптимизатора на изменение нагрузки составляет сотые доли секунды.
Контроллеры-оптимизаторы обеспечивают повышение КПД дробилок, вентиляторов, ленточных транспортеров, обрабатывающих станков, крутильных агрегатов, лебедок и другого оборудования, используемого в промышленности, сельском хозяйстве и сфере ЖКХ. В том числе эти устройства предотвращают перегрузки кронштейнов при запуске мешалок, нейтрализуют гидроудары в трубопроводах, обеспечивают плавный запуск тяжело и очень тяжело нагруженного оборудования, на что не способны обычные устройства плавного пуска, и др.
Контроллеры-оптимизаторы не только обеспечивают повышение КПД оборудования, но и более доступны по цене, чем частотные преобразователи. Так, средняя цена устройства отечественного производства мощностью около 90 кВт в первые месяцы 2017 года составила порядка 92–106 тысяч рублей.
Контроллеры-оптимизаторы оперативно реагируют на изменение напряжения, снижают расходы электроэнергии на 30–40%, уменьшают влияние реактивной нагрузки на сеть, повышают КПД привода, позволяют сократить расходы на конденсаторные компенсирующие устройства, продлевают срок службы оборудования и повышают экологичность производства. Кроме того, они отличаются более доступной ценой, нежели преобразователи частоты. Единственным ограничением для применения контроллера является невозможность его использования в тех случаях, когда необходимо изменять скорость вращения электродвигателя.
Выбор устройства для повышения КПД двигателя того или иного электропривода определяется особенностями работы оборудования. Так, если скорость привода нужно изменять, то единственно возможным решением является покупка преобразователя частоты. Если скорость вращения двигателя менять нельзя или это делать необязательно, то лучшим решением будет использование контроллеров-оптимизаторов, которые имеют более доступную стоимость, чем «частотники».
www.kp.ru
Дефицит электроэнергии отмечается во многих странах, в том числе промышленно развитых и имеющих большой энергетический потенциал. Проблема встала настолько остро, что требование увеличить КПД электродвигателей, используемых в промышленности, прозвучало с самых высоких трибун. Стандарты на минимальную энергоэффективность были приняты в США и ЕС, других странах. Использование оборудования, КПД электродвигателей которого будет не менее 95%, способно не только сделать рентабельным многие производства за счет экономии средств на оплату электроэнергии, но и улучшить экологическую ситуацию во многих регионах планеты. От чего же зависит этот коэффициент?
Причины потери КПД электродвигателя
Любой электродвигатель потребляет определенное количество электрической энергии и отдает энергию механическую. Сравнение их величин и называется КПД электродвигателей, чем выше этот показатель, тем эффективнее работает мотор. Добиться 100% отдачи невозможно, а вот приблизиться к этой величине максимально близко – задача выполнимая. Сегодня большинство силовых агрегатов имеют КПД в районе 80-90%. Потери складываются из самых разных факторов, в числе которых основными являются следующие:
Все это влияет на КПД электродвигателя постоянного тока, снижает эффективность самых современных асинхронных моторов. Так же на уменьшение КПД оказывает влияние необходимость охлаждения двигателя, ведь вентилятор так же потребляет электрическую энергию. Не следует забывать и о нагрузке: КПД двигателя на холостых оборотах равен нулю, а своего максимума обычно коэффициент достигает на ¾ нагрузки.
Как повысить КПД электродвигателя
Увеличение КПД асинхронными двигателями может быть достигнута за счет использования более качественных материалов и усовершенствования конструкции. Это позволить снизить потери и эффективность двигателя станет выше. Например, чем чище медь в обмотке, тем меньше ее сопротивление, а более качественная магнитная сталь позволит уменьшить потери на перемагничивание. В результате будут меньше потери мощности и двигатель будет греться не так сильно. Отсюда вытекает заключение, что на его охлаждение будет тратиться меньше энергии, потребляемой вентилятором.
Позволит повысить КПД двигателя более тонкий слой изоляции обмоток, работа над такими материалами ведется постоянно. Еще одним перспективным направлением является работа над изменением геометрии зубьев двигателя, которая позволит увеличить концентрацию магнитного поля и избежать потерь за счет рассеивания энергии. Расчет КПД электродвигателя обычно учитывает и асимметрию тока. Если на разных фазах напряжение существенно отличается, то это может снизить коэффициент на 5-7%, а это значительная величина. Устранение проблем электросети, таким образом, становится прекрасным способом увеличить КПД используемого оборудования.
Сосредотачиваться на какой-то одной проблеме при разработке двигателя – это путь в никуда. Только комплексное решение проблем позволит повысить КПД до высоких значений. При этом владельцы производственного оборудования не должны забывать, что работать эффективный двигатель должен с не менее экономичными трансмиссиями. Если электродвигатель с КПД в 95% подключить к изношенной передаче, выдающей максимум 50-60%, то об экономии электроэнергии можно будет забыть.
cable.ru
Электрические двигатели имеют высокий коэффициент полезного действия (КПД), но все же он далек от идеальных показателей, к которым продолжают стремиться конструкторы. Все дело в том, что при работе силового агрегата преобразование одного вида энергии в другой проходит с выделение теплоты и неминуемыми потерями. Рассеивание тепловой энергии можно зафиксировать в разных узлах двигателя любого типа. Потери мощности в электродвигателях являются следствием локальных потерь в обмотке, в стальных деталях и при механической работе. Вносят свой вклад, пусть и незначительный, дополнительные потери.
Магнитные потери мощности
При перемагничивании в магнитном поле сердечника якоря электродвигателя происходят магнитные потери. Их величина, состоящая из суммарных потерь вихревых токов и тех, что возникают при перемагничивании, зависят от частоты перемагничивания, значений магнитной индукции спинки и зубцов якоря. Немалую роль играет толщина листов используемой электротехнической стали, качество ее изоляции.
Механические и электрические потери
Механические потери при работе электродвигателя, как и магнитные, относятся к числу постоянных. Они складываются из потерь на трение подшипников, на трение щеток, на вентиляцию двигателя. Минимизировать механические потери позволяет использование современных материалов, эксплуатационные характеристики которых совершенствуются из года в год. В отличие от них электрические потери не являются постоянными и зависят от уровня нагрузки электродвигателя. Чаще всего они возникают вследствие нагрева щеток, щеточного контакта. Падает коэффициент полезного действия (КПД) от потерь в обмотке якоря и цепи возбуждения. Механические и электрические потери вносят основной вклад в изменение эффективности работы двигателя.
Добавочные потери
Добавочные потери мощности в электродвигателях складываются из потерь, возникающих в уравнительных соединениях, из потерь из-за неравномерной индукции в стали якоря при высокой нагрузке. Вносят свой вклад в общую сумму добавочных потерь вихревые токи, а также потери в полюсных наконечниках. Точно определить все эти значения довольно сложно, поэтому их сумму принимают обычно равной в пределах 0,5-1%. Эти цифры используют при расчете общих потерь для определения КПД электродвигателя.
КПД и его зависимость от нагрузки
Коэффициент полезного действия (КПД) электрического двигателя это отношение полезной мощности силового агрегата к мощности потребляемой. Этот показатель у двигателей, мощностью до 100 кВт находится в пределах от 0,75 до 0,9. для более мощных силовых агрегатов КПД существенно выше: 0,9-0,97. Определив суммарные потери мощности в электродвигателях можно достаточно точно вычислить коэффициент полезного действия любого силового агрегата. Этот метод определения КПД называется косвенным и он может применяться для машин различной мощности. Для маломощных силовых агрегатов часто используют метод непосредственной нагрузки, заключающийся в измерениях потребляемой двигателем мощности.
КПД электрического двигателя не является величиной постоянной, своего максимума он достигает при нагрузках около 80% мощности. Достигает он пикового значения быстро и уверенно, но после своего максимума начинает медленно уменьшаться. Это связывают с возрастанием электрических потерь при нагрузках, более 80% от номинальной мощности. Падение коэффициента полезного действия не велико, что позволяет говорить о высоких показателях эффективности электродвигателей в широком диапазоне мощностей.
cable.ru
Правильноеиспользованиедвигателейсвысокойэнергоэффективностьюнеограничивается однимлишьправильнымпрочтениемданныхнащиткедвигателя. Вдекабре 2010 г. вСША ввелиновыедирективы, обязывающиеприменятьэлектродвигателисвысокимКПД, в Европеаналогичныеправиладействуютужедавно. Готовы ли вы к очередным более строгим директивам?
Экологическое мышление мотивирует многих, а экология сама по себе является темой повседневной жизни. К сожалению, не в сфере бизнеса, хотя именно там любое ограничение потребления энергии означает огромную экономию. Электродвигатели с высоким КПД могут помочь в реализации этой задачи, тем более, что все более жесткие нормы во многих странах просто требуют этого.
Стоит знать, что когда говорят о двигателях с высоким КПД, то это относится обычно к традиционным асинхронным двигателям. – Индукционные двигатели выпускаются в стандартном энергетическом исполнении, в исполнении с повышенной эффективностью и суперэффективные, – говорит Дэвид Хансен, глобальный менеджер продукта Kinetix Motion Control Rockwell Automation. ? Двигатели же с постоянными магнитами выпускаются только по одному энергетическому классу.
Не случайно двигатели с постоянными магнитами предлагаются только в одном энергетическом классе: их конструкция сама по себе обеспечивает высокий КПД, поскольку исключает потребность намагничивания ротора. Джон Малиновски, старший продукт-менеджер в фирме Baldor Electric Company подчеркивает, что существует группа индукционных двигателей, которые соответствуют международным стандартам IEC 60034-30 по категории IE3 (высшая категория) и американским NEMA по категории Premium (тоже высшая категория).
По этой причине обсуждение ограничится универсальными асинхронными двигателями, роторы которых изготовлены из ферромагнитных материалов. Характеристики эффективности двигателей с постоянными магнитами будут обсуждены в другой раз.
? Двигатели энергетической категории Premium (аналог IE3) более чувствительны к исполнению, чем более старые двигатели, они создают меньше шума и вибрации, выделяют меньше тепла и являются более долговечными, ? утверждает Малиновски.
? Более высокий КПД современных асинхронных двигателей является результатом совершенствования конструкции, правильной геометрии обмоток, использования более качественных материалов (в том числе меди в роторе), что приводит к более эффективному преобразованию электрической энергии в механическую, ? утверждает Петер Фишбах, менеджер промышленного сектора в фирме Rexroth.
Что определяет КПД двигателя
? Ключом к более высокому КПД является ограничение потерь – констатирует Малиновски. – Больше меди в обмотке ? меньше потери в проводимости, а в свою очередь более качественная магнитная сталь уменьшает потери на перемагничивание. Меньшие потери мощности ? это меньший нагрев, следовательно, и меньший охлаждающий вентилятор – очередная выгода.
Фишбах добавляет, что б?льшая часть потерь ? это потери на проводимости в роторе и статоре, часто называемые потерями на гистерезиса или потерями в железе.
Хансен перечисляет по пунктам список конструктивных решений, повышающих энергоэкономичность их приводов:
Важен комплекс
? Целью большинства промышленных применений является сочетание высокого КПД с высокой производительностью, – считает Фишбах. ? Ключ к успеху ? анализ, моделирование и оптимизация всей системы, предшествующие принятию решения о закупке отдельных компонентов, таких, как двигатели.
С этим соглашается Малиновски: ? Замена двигателей ? это простой шаг в стремлении к большей эффективности, но выгода здесь ограничена. Стоит иметь двигатели с КПД порядка 95%, но они должны взаимодействовать с высококачественными трансмиссиями с КПД 90?95%, а не с изношенными конструкциями с КПД 50?60%.
Фишбах подтверждает: ? Более высокая эффективность ? понятие относительное, поскольку надо учитывать и другие факторы, влияющие на общую эффективность системы, такие, как время цикла или объем производства. Например, моментный двигатель с КПД 80% может потреблять меньше энергии, чем сервопривод с КПД 95%, поскольку не требует применения трансмиссии, а это может дополнительно увеличивать производительность системы.
Чего не делать
? Самые большие ошибки совершают те инженеры, которые все внимание сосредотачивают на щитке двигателя и ожидают пропорционального роста эффективности в их приложении, – предостерегает Фишбах.
Любой, в том числе и энергосберегающий двигатель имеет свою характеристику, поэтому он должен быть подобран к конкретному применению. Например, двигатель энергетического класса «премиум» не сэкономит много энергии, если он будет загружен частично или будет использоваться спорадически.
Малиновски приводит пример замены старого двигателя, работающего с центробежным насосом, на новый премиум-класса. Ротор насоса, который был спроектирован под взаимодействие со старым двигателем, не заменяют. Новый, более производительный двигатель будет, вероятно, работать с более высокими оборотами, что вызовет общий рост потребления энергии. Система может быть более энергоэффективна, но дополнительная работа, которая будет совершена, может быть ненужной.
? Проектировщики, которые действительно заинтересованы увеличением эффективности, не будут стремиться исключительно к замене двигателя, а проанализируют всю систему на предмет расходования энергии, – советует Хансен. ? Даже самый производительный двигатель, работая с низкоэффективной передачей, не принесет существенных энергетических выгод. Любая механическая передача между двигателем и нагрузкой ? это потеря энергии. Очень точные геликоидальные трансмиссии сразу после извлечения из упаковки имеют КПД 90?95%. Изношенная трансмиссия ? это КПД на уровне 50?60%.
? Самым лучшим решением с точки зрения эффективности машины был бы отказ от механических трансмиссий и применение моментных двигателей (с постоянными магнитами) – заключает он.
А вы включаете в проект, а потом покупаете двигатели с высоким КПД? Будьте к этому готовы.
Статья под редакцией магистра инж. Лукаша Урбаньского, аспиранта кафедры промышленной автоматики и робототехники электротехнического факультета Западнопоморского технологического университета (г. Щецин).
CE
controleng.ru
