Який ККД електродвигуна Як підвищити ефективність електродвигуна
Електродвигуни з'явилися досить давно, але великий інтерес до них виник тоді, коли вони стали являти собою альтернативу двигунам внутрішнього згоряння. Особливо цікавим є питання ККД електродвигуна, який є однією з головних його характеристик.
Кожна система має будь-який коефіцієнт корисної дії, який характеризує ефективність її роботи в цілому. Тобто він визначає, наскільки добре система чи пристрій віддає чи перетворює енергію. За значенням ККД величини немає, і найчастіше воно представляється у відсотковому співвідношенні чи числі від нуля до одиниці.
Параметри ККД в електродвигунах
Основне завдання електричного двигуна зводиться до перетворення електричної енергії на механічну. ККД визначає ефективність виконання цієї функції. Формула ККД електродвигуна виглядає так:
У цій формулі p1 – це підведена електрична потужність, p2 – корисна механічна потужність, яка виробляється безпосередньо двигуном. Електрична потужність визначається формулою: p1=UI (напруга помножена на силу струму), а значення механічної потужності за формулою P=A/t (ставлення до одиниці часу). Так виглядає розрахунок ККД електродвигуна. Однак це найпростіша його частина. Залежно від призначення двигуна та сфери його застосування, розрахунок відрізнятиметься та враховуватиме багато інших параметрів. Насправді формула ККД електродвигуна включає набагато більше змінних. Вище було наведено найпростіший приклад.
Зниження ККД
Механічний ККД електродвигуна повинен обов'язково враховуватися при виборі двигуна. Дуже велику роль відіграють втрати,які пов'язані з нагріванням двигуна, зниженням потужності, реактивними струмами. Найчастіше падіння ККД пов'язане з виділенням тепла, яке природно відбувається при роботі двигуна. Причини виділення теплоти можуть бути різними: двигун може нагріватися в процесі тертя, а також з електричних і навіть магнітних причин. Як найпростіший приклад можна навести ситуацію, коли на електричну енергію було витрачено 1 000 рублів, а роботи було зроблено на 700 рублів. У такому разі коефіцієнт корисної дії дорівнюватиме 70%.
Для охолодження електричних двигунів застосовують вентилятори, які проганяють повітря через створені зазори. Залежно від класу двигунів, нагрівання може здійснюватись до певної температури. Наприклад, двигуни класу A можуть нагріватися до 85-90 градусів, класу B – до 110 градусів. Якщо температура перевищує допустиму межу, це може свідчити про замикання статора.
Середній ККД електричних двигунів
Варто зазначити, що ККД електродвигуна постійного струму (і змінного теж) змінюється в залежності від навантаження:
- При неодруженому ході ККД дорівнює 0%.
- При навантаженні 25% ККД дорівнює 83%.
- При навантаженні 50% ККД дорівнює 87%.
- При навантаженні 75% ККД дорівнює 88%.
- При навантаженні 100% ККД дорівнює 87%.
Одна з причин падіння коефіцієнта корисної дії – асиметрія струмів, коли подається різна напруга на кожній із трьох фаз. Якщо, наприклад, на першій фазі буде напруга 410 В, на другій - 403 В, а на третій - 390 В, то середнє значення дорівнюватиме 401 В. Асиметрія в даному випадку дорівнюватиме різниці між максимальною і мінімальною напругою на фазах (410 -390), тобто 20 Ст.ККД електродвигуна для розрахунку втрат матиме вигляд у нашій ситуації: 20/401*100 = 4.98%. Це означає, що ми втрачаємо 5% ККД під час роботи через різниці напруги на фазах.
Загальні втрати та падіння ККД
Негативних факторів, що впливають на падіння ККД електродвигуна, дуже багато. Існують певні методики, що дозволяють їх визначати. Наприклад, можна визначити, чи є проміжок, через який частково передається потужність з мережі до статора і далі - на ротор.
Втрати стартера також мають місце, і вони складаються з кількох значень. Насамперед це можуть бути втрати, що стосуються вихрових струмів і перемагнічування сердечників статора.
Якщо двигун асинхронний, то мають місце додаткові втрати через зубці в роторі та статорі. Також в окремих вузлах двигуна можуть виникати вихрові струми. Все це у сумі знижує ККД електродвигуна на 0,5%. В асинхронних двигунах враховуються всі втрати, які можуть виникати при роботі. Тому діапазон коефіцієнта корисної дії може змінюватись від 80 до 90%.
Автомобільні двигуни
Історія розвитку електричних двигунів починається з відкриття закону електромагнітної індукції. Згідно з ним, індукційний струм завжди рухається таким чином, щоб протидіяти причині, що викликає його. Саме ця теорія лягла основою створення першого електричного двигуна.
Сучасні моделі ґрунтуються на цьому ж принципі, проте кардинально відрізняються від перших екземплярів. Електричні мотори стали набагато потужнішими, компактнішими, але найголовніше - їх ККД значно збільшився. Ми вже писали вище про те, який ККД електродвигуна, і в порівнянні з двигуном внутрішнього згоряння це приголомшливий результат. Наприклад,максимальний ККД двигуна внутрішнього згоряння сягає 45%.
Переваги електричного двигуна
Високий ККД - це головна перевага такого двигуна. І якщо двигун внутрішнього згоряння витрачає більше 50% енергії на нагрівання, то в електричному моторі на нагрівання йде невелика частина енергії.
Другою перевагою є невелика вага та компактні розміри. Наприклад, компанія Yasa Motors створила мотор із вагою всього 25 кг. Він здатний видавати 650 Нм, що дуже пристойний результат. Також такі мотори довговічні, не потребують коробки передач. Багато власників електрокарів говорять про економічність електричних двигунів, що логічно певною мірою. Адже під час роботи електромотор не виділяє жодних продуктів згоряння. Однак багато водіїв забувають про те, що для виробництва електроенергії необхідно використовувати вугілля, газ або збагачений уран. Всі ці елементи забруднюють довкілля, тому екологічність електродвигунів – це дуже спірне питання. Так, вони не забруднюють повітря у процесі роботи. За них це роблять електростанції під час виробництва електроенергії.
Підвищення ефективності електродвигунів
Електричні двигуни мають деякі недоліки, які погано впливають на ефективність роботи. Це слабкий пусковий момент, високий пусковий струм та неузгодженість механічного моменту валу з механічним навантаженням. Це призводить до того, що ККД пристрою знижується.
Для підвищення ефективності намагаються забезпечити навантаження двигуна до 75% і вище та збільшувати коефіцієнти потужності. Також є спеціальні прилади для регулювання частоти струму і напруги, що подається, що теж призводить до підвищення ефективності і зростання ККД.
Одним із найпопулярніших приладів для збільшенняККД електродвигуна є влаштування плавного пуску, яке обмежує швидкість зростання пускового струму. Також доречно використовувати частотні перетворювачі для зміни швидкості обертання мотора шляхом зміни частоти напруги. Це призводить до зниження витрати електроенергії та забезпечує плавний пуск двигуна, високу точність регулювання. Також збільшується пусковий момент, а при змінному навантаженні стабілізується швидкість обертання. Внаслідок цього ефективність електродвигуна підвищується.
Максимальний ККД електродвигуна
Залежно від типу конструкції, коефіцієнт корисної дії в електричних двигунах може змінюватись від 10 до 99%. Все залежить від того, якою саме це буде двигун. Наприклад, ККД електродвигуна насоса поршневого типу становить 70-90%. Кінцевий результат залежить від виробника, будови пристрою і т. д. Те ж саме можна сказати і про ККД електродвигуна підйомного крана. Якщо він дорівнює 90%, це означає, що 90% споживаної електроенергії піде виконання механічної роботи, інші 10% - на нагрівання деталей. Все ж таки є найбільш вдалі моделі електродвигунів, коефіцієнт корисної дії яких наближається до 100%, але не дорівнює цьому значенню.
Чи можливий ККД понад 100%?
Ні для кого не секрет, що електричні двигуни, ККД яких перевищує 100%, не можуть існувати в природі, оскільки це суперечить основному закону про збереження енергії. Справа в тому, що енергія не може взятися з нізвідки і так само зникнути. Будь-який двигун потребує джерела енергії: бензину, електрики. Однак бензин не вічний, як і електроенергія, адже їх запаси доводиться поповнювати. Але якби існувало джерело енергії, яке не потребувало поповнення, то цілкомможна було б створити двигун з ККД понад 100%. український винаходити Володимир Чернишов показав опис двигуна, що ґрунтується на постійному магніті, та його ККД, як запевняє сам винахідник, становить понад 100%.
Гідроелектростанція як приклад вічного двигуна
Наприклад візьмемо гідроелектростанцію, де енергія виробляється з допомогою падіння з великої висоти води. Вода обертає турбіну, і та виробляє електрику. Падіння води здійснюється під впливом гравітації Землі. І хоча робота з виробництва електроенергії відбувається, гравітація Землі стає слабкіше, тобто сила тяжіння не зменшується. Далі вода під дією сонячних променів випаровується і знову надходить у водосховище. У цьому цикл завершується. В результаті електроенергію вироблено, витрати на її виробництво відновлено.
Звичайно, можна сказати, що Сонце не вічне, це так, але пару-трійку мільярдів років воно протягне. Що ж до гравітації, вона постійно здійснює роботу, витягуючи вологу з атмосфери. Якщо сильно узагальнити, то гідроелектростанція - це двигун, який перетворює механічну енергію на електричну, і його ККД становить понад 100%. Це дає зрозуміти, що шукати шляхи створення електродвигуна, ККД якого може бути понад 100%, не варто припиняти. Адже не тільки гравітацію можна використовувати як невичерпне джерело енергії.
Постійні магніти як джерела енергії для двигунів
Друге цікаве джерело - постійний магніт, який нізвідки не отримує енергію, а магнітне поле не витрачається навіть під час роботи. Наприклад, якщо магніт щось притягне до себе, то він виконає роботу, а його магнітне поле слабше не стане. Цю властивість вже не раз намагалися використати для створення так званоговічного двигуна, але поки що нічого більш-менш нормального з цього не вийшло. Будь-який механізм зноситься рано чи пізно, але саме джерело, яким є постійний магніт, практично вічне.
Втім, є фахівці, які стверджують, що згодом постійні магніти втрачають свої сили внаслідок старіння. Це неправда, але навіть якби було правдою, то повернути його до життя можна було б лише одним електромагнітним імпульсом. Двигун, який вимагав би перезарядку раз на 10-20 років, хоч і не може претендувати на роль вічного, але дуже близько до цього підходить.
Вже було багато спроб створити вічний двигун з урахуванням постійних магнітів. Поки що не було вдалих рішень, на жаль. Але враховуючи той факт, що попит на такі двигуни є (його просто не може не бути), цілком можливо, що в найближчому майбутньому ми побачимо щось, що дуже близько підійде до моделі вічного двигуна, який працюватиме на відновлюваній енергії.
Висновок
ККД електродвигуна - це найважливіший параметр, який визначає ефективність роботи того чи іншого двигуна. Чим вище ККД, тим краще двигун. У двигуні з ККД 95% майже вся енергія, що витрачається, йде на виконання роботи і тільки 5% витрачається не по потребі (наприклад, на нагрівання запчастин). Сучасні дизельні двигуни можуть досягати значення ККД 45% і це вважається класним результатом. ККД бензинових двигунів ще менше.