Как повысить КПД электродвигателя: выбираем решение
Современные электромеханические преобразователи, несмотря на высокую эффективность, все же не обходятся без некоторых потерь энергии, как магнитной, так и электрической и механической. Эти потери сопровождаются выделением тепла, усилением шума и вибрации, которые обусловлены неизбежным трением элементов, перемагничиванием в магнитном поле сердечника якоря электродвигателя, а также скачками нагрузок.
В связи с этим возникает вопрос: можно ли снизить такие "утечки" и, в итоге, повысить коэффициент полезного действия системы? Если да, то как это достичь? Для ответа на эти вопросы мы и подготовили данную статью.
Современные методы для улучшения КПД асинхронных двигателей
По общепринятой классификации, электрические машины бывают синхронными и асинхронными. Синхронные машины имеют одинаковую частоту вращения ротора и магнитного поля, тогда как магнитное поле асинхронных машин вращается с более высокой скоростью, чем ротор. Асинхронные электродвигатели более популярны и пользуются более широким распространением: около 90% всех электродвигателей на планете являются асинхронными. Они используются во многих отраслях, включая промышленность, сельское хозяйство и сферу ЖКХ. Это происходит потому, что такие механизмы просты в производстве, достаточно надежны, экономичны и не требуют больших затрат на эксплуатацию. Кроме того, КПД асинхронных электродвигателей гораздо выше, чем у синхронных.
Однако эта техника также имеет существенные недостатки. Например, высокий пусковой ток, недостаточный пусковой момент, несогласованность механического момента на валу привода с механической нагрузкой (что может привести к резкому увеличению силы тока и избыточным механическим нагрузкам при запуске и снижению КПД в периоды пониженной нагрузки), а также невозможность точной регулировки скорости работы механизма. Все эти факторы значительно снижают эффективность работы системы.
В настоящее время производители стремятся улучшить КПД асинхронных электродвигателей. Существуют различные методы для достижения этой цели. Использование частотно-управляемых преобразователей позволяет регулировать частоту вращения мотора и величину подаваемого напряжения, что позволяет снизить пусковой ток и улучшить точность регулировки скорости. Кроме того, установка встроенного электронного устройства контроля и регулирования может существенно повысить КПД системы. Новые технологии и материалы также могут улучшить работу электродвигателей.
Возможности оптимизаторов-контроллеров применения оборудования в промышленности, сельском хозяйстве и сфере жилищно-коммунального хозяйства переносят эффективность дробилок, вентиляторов, ленточных транспортеров, обрабатывающих станков, крутильных агрегатов, лебедок и другого оборудования на новый уровень. Они предотвращают перегрузки кронштейнов при запуске мешалок, нейтрализуют гидроудары в трубопроводах и обеспечивают плавный запуск тяжело и очень тяжело нагруженного оборудования, для чего обычные устройства плавного пуска не подходят.
Цена
Контроллеры-оптимизаторы являются весьма эффективными приборами, позволяющими увеличить КПД оборудования. Кроме того, они оказываются более доступными по цене, если сравнивать их с преобразователями. Например, на отечественном рынке можно купить устройство мощностью 90 кВт за сумму около 90–140 тысяч рублей.
Достоинства и недостатки контроллеров-оптимизаторов
Контроллеры-оптимизаторы могут быстро реагировать на изменение напряжения, что снижает расходы электроэнергии на 30–40%, сокращает влияние реактивной нагрузки на сеть, повышает КПД привода, позволяет сократить расходы на конденсаторные компенсирующие устройства, а также продлевает срок службы оборудования и повышает экологичность производства. Отличительной особенностью контроллеров также является более доступная цена по сравнению с преобразователями частоты.
Однако стоит отметить, что контроллеры-оптимизаторы имеют ограничение в использовании в тех случаях, когда необходимо изменять скорость вращения электродвигателя. Таким образом, при выборе контроллера следует учитывать этот момент и выбирать оптимальный вариант, учитывая конкретную ситуацию и потребности.
Выбираем наилучший вариант для повышения КПД
Для того чтобы повысить КПД двигателя того или иного электропривода, необходимо выбрать соответствующее устройство, учитывая особенности работы оборудования.
Если требуется изменение скорости привода, то оптимальным решением будет покупка преобразователя частоты. В случае, если скорость вращения двигателя не требуется изменять или это делать неохота, то лучше выбрать контроллеры-оптимизаторы.
Более доступная стоимость данных устройств - это их главное преимущество по сравнению с «частотниками».
Ключевыми факторами, влияющими на КПД электродвигателя, является несколько факторов, включая степень его загрузки относительно номинальной, конструкцию, модель, износ, а также отклонение напряжения в сети от номинального значения. Не стоит забывать, что после перемотки КПД электродвигателя может снизиться. Для более эффективной работы электропривода рекомендуется обеспечивать минимальную загрузку не менее 75%, увеличивать коэффициент мощности, регулировать напряжение и, если возможно, частоту питающего тока. Повышение КПД двигателя может быть достигнуто с помощью специального оборудования, однако не всегда нужно или возможно реализовать все эти меры.
Для улучшения КПД используются различные приборы, в том числе частотные преобразователи, которые изменяют скорость двигателя, изменяя частоту питающего напряжения. Также используются устройства плавного пуска, которые ограничивают скорость нарастания пускового тока и его максимальное значение. В этой статье мы сравним современные решения для повышения КПД двигателей на основе эффективности работы и экономической целесообразности.
Чтобы повысить эффективность работы электродвигателя, можно применять частотные преобразователи для асинхронных двигателей. В результате применения данного устройства происходит трансформация однофазного или трехфазного напряжения с частотой 50 Гц в напряжение, которое имеет необходимую частоту (обычно от 1 Гц до 300–400 Гц, но иногда и до 3000 Гц) и определенную амплитуду.
Одним из главных инструментов управления скоростью электродвигателей в современной промышленности является преобразователь частоты - также известный как «частотник». Принцип работы «частотника» заключается в том, чтобы изменять частоту входного электрического сигнала, поступающего на электродвигатель, что позволяет регулировать скорость вращения вала.
Обычно «частотник»управляет работой электронных ключей, а также контролирует оборудование при помощи электронных цепей. Он включает также схемы, работающие в режиме ключей и открывающие тиристоры или транзисторы. В зависимости от устройства и принципов работы, существуют два класса «частотников».
Первый класс использует непосредственную связь и представляет собой выпрямители. Они обеспечивают низкочастотное напряжение, которое позволяет регулировать скорость вращения привода в определенных пределах. Этот тип устройств не лучшим образом подходит для управления мощным оборудованием, регулирующим множество технологических параметров.
Второй тип устройств использует промежуточное звено постоянного тока. В таких аппаратах производится двойное преобразование энергии, чтобы обеспечить выходное напряжение с необходимой амплитудой и частотой. Это дает возможность применять их для управления электродвигателями с широким диапазоном мощности и скоростью вращения. Однако, несмотря на их многофункциональность, такие преобразователи частоты имеют несколько более низкий КПД, чем выпрямители.
Несмотря на это, устройства второго типа являются наиболее популярными среди «частотников», которые обеспечивают плавное регулирование скорости вращения двигателей с помощью электронной технологии.
Возможности, которые может предоставить частотный преобразователь, во многом зависят от соответствия его функциональных возможностей целям использования. Например, для оснащения электроприводов насосов и вентиляторов используются преобразователи с невысокой перегрузочной способностью и, зачастую, с U/f-управлением. При необходимости такие преобразователи могут повышать начальное значение выходного напряжения, с целью увеличения момента двигателя на низких частотах.
Устройства с векторным управлением являются более совершенными. Они регулируют не только частоту и амплитуду выходного напряжения, но и фазы тока, протекающего через обмотки статора. Такие преобразователи устанавливаются на прокатные станы, конвейеры, подъемное, упаковочное оборудование и так далее.
В случае, если нужно выполнить контролируемое торможение двигателя, используется функция замедления, которую может обеспечить частотный преобразователь. Однако, если требуется интенсивное замедление, может потребоваться использование «частотника», оснащенного встроенными или внешними блоком торможения и тормозным резистором, или рекуперативным блоком торможения. При динамическом торможении 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. Такой подход подходит 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, что повышает качество технологического процесса в замкнутых системах. Подобные устройства широко используются в робототехнике, дерево- и металлообработке, в системах высокоточного позиционирования.
В последние годы цены на частотные преобразователи подвержены высокой волатильности, как отмечают финансисты. За прошедший год-полтора их стоимость значительно выросла. Такой рост цен можно объяснить не только колебаниями валютного курса, но и другими факторами.
В 2021 году стоимость частотных преобразователей мощностью 90 кВт от российских и зарубежных производителей варьировалась в районе от 200 до 700 тысяч рублей, в зависимости от производителя.
Достоинства и недостатки преобразователя частоты
Описанный выше принцип работы преобразователя частоты для асинхронного двигателя обладает несколькими неоспоримыми достоинствами. Прежде всего, он обеспечивает снижение расхода электроэнергии, благодаря чему удается повысить коэффициент полезного действия машины. Кроме того, такая система гарантирует плавный запуск привода, высокую точность регулировки и увеличение пускового момента. Важным преимуществом является также стабилизация скорости вращения при переменной нагрузке.
Однако стоит заметить, что у «частотника» есть и свои недостатки. К ним можно отнести относительно высокую стоимость установки, а также возможное создание электромагнитных помех в процессе работы.
Существуют устройства плавного пуска (УПП), которые используются для обеспечения плавного запуска, разгона и остановки электродвигателя. Они ограничивают скорость увеличения пускового тока в течение определенного времени. Однако традиционные устройства плавного пуска не способны повысить КПД и могут применяться только для управления приводами с небольшой нагрузкой на валу.
Контроллеры-оптимизаторы - это разновидности УПП, которые позволяют повысить энергоэффективность двигателей. Они согласовывают крутящий момент с моментом нагрузки и способствуют снижению потребления электроэнергии на минимальных нагрузках на 30–40%. Контроллеры-оптимизаторы предназначены для приводов, которые не нуждаются в изменении числа оборотов двигателя.
Например, эскалатор потребляет большое количество энергии, и для снижения энергопотребления при помощи преобразователя частоты, нужно уменьшить скорость эскалатора. Однако, это невозможно, так как это увеличит время подъема пассажиров. Контроллеры-оптимизаторы позволяют снизить энергопотребление без изменения скорости электропривода в тех случаях, когда он недогружен.
Контроллеры-оптимизаторы представляют собой компоненты, которые контролируют фазы тока и напряжения питания электродвигателя. В результате этого осуществляется полное управление приводом на всех его этапах работы, а также защита его от таких аномалий, как нарушение чередования фаз или пониженного/повышенного напряжения. Это устройство эффективно согласует значение крутящего момента, развиваемого двигателем, и значение механического момента, нагружающего вал привода. Коэффициент мощности повышается, при этом скорость вращения ротора остается прежней. Важно отметить, что контроллеры-оптимизаторы не требуют подключения дополнительных устройств, так как их функциональность является завершенной.
Кроме того, контроллеры-оптимизаторы обладают способностью прекращать брать мощность из питающей сети в те моменты, когда полупроводниковые переходы тиристоров закрыты, то есть не пропускают электрический ток. Открываются тиристоры при поступлении управляющих импульсов. Задержка подачи управляющих импульсов определяется степенью нагрузки привода. При переходе тока через ноль тиристоры закрываются.
Очень важно отметить, что контроллеры-оптимизаторы реагируют на изменение нагрузки настолько оперативно, что скорость реакции составляет лишь сотые доли секунды.
Фото: freepik.com