Эффективность двигателя против потерь энергии
Следует подчеркнуть, что стандартный электродвигатель уже является очень эффективным устройством с КПД выше 80% по сравнению с большей частью рабочего диапазона, до 90% при полной нагрузке. Однако из-за высокого потребления энергии и очень большого количества установленных блоков даже небольшое увеличение эффективности двигателя может оказать существенное влияние на затраты.
5 факторов, которые ухудшают эффективность двигателя и как его улучшить (на фото: двигатель Baldor M2510, 10 л.с., 230/460 В, 27, 2 A, 1760 об / мин, 60 Гц)
Эффективность электродвигателя зависит от выбора материалов, используемых для сердечника и обмоток, их физического расположения и ухода и точности, с которыми они обрабатываются и собираются.
Потери можно разделить на две группы. Те, которые относительно независимы от нагрузки (постоянные потери), и те, которые увеличиваются с нагрузкой (зависящие от нагрузки потери).
Факторами, влияющими на эффективность, являются //
- Содержание проводника - зависимое от нагрузки
- Магнитная сталь - постоянная постоянная
- Термический дизайн - в основном зависимый от нагрузки
- Аэродинамический дизайн - постоянный
- Производство и контроль качества - постоянный
1. Содержание проводника
Устойчивые потери в обмотках увеличиваются с квадратом тока (который увеличивается с нагрузкой) и обычно составляют около 35% от общего количества потерь.
Эти резистивные потери могут быть уменьшены путем добавления большего количества меди в обмотки - с использованием более толстой проволоки - и улучшения технологий производства для сокращения концевых обмоток (которые не влияют на выходную мощность, но вносят вклад в потерю).
Поскольку больше меди требует больше места, как для концевых обмоток, так и в пазах статора, объем материала в магнитной цепи будет уменьшен, что приведет к более раннему насыщению и увеличению потерь железа. Следовательно, необходимо увеличить длину магнитного сердечника, а иногда и диаметра.
Обычно увеличенная длина обеспечивается за счет увеличения свеса на не приводном конце устройства. Поскольку потери меди зависят от нагрузки, преимущество увеличения содержания меди наиболее очевидно при высокой нагрузке. Поскольку коэффициент сопротивления меди положительный, потери возрастают с ростом температуры.
Рисунок 1 - Потеря от нагрузки для стандартного стандартного двигателя
Вернитесь к коэффициентам эффективности двигателя ↑
2. Магнитная сталь
Магнитная сталь является самым дорогим компонентом двигателя, поэтому любое увеличение общего используемого количества нежелательно по стоимости. Потери железа имеют два типа: гистерезисные потери и потери вихревых токов.
Потери гистерезиса обусловлены нелинейностью кривой плотности потока / намагничивающей силы и являются свойством самой стали и для минимизации ее требуются два свойства - низкие потери энергии и хорошая проницаемость для поля, т. Е. Сталь должна быть легкой для намагничивания и не должен насыщаться при высоких плотностях потока до 1, 8 Тесла.
Это является предметом текущих исследований, которые делают многообещающий прогресс. Вихретоковые потери вызваны индуцированным током в ламинатах статора и уменьшаются за счет уменьшения толщины слоев и обеспечения хорошей изоляции между соседними ламинатами.
Рисунок 2 - Кривые намагничивания и гистерезиса
Более тонкие слои, естественно, намного дороже в производстве и труднее обрабатывать, поэтому выбранная толщина всегда является компромиссом. Магнитные потери особенно важны, когда подача искажается гармониками, поскольку потери вихревых токов увеличиваются с квадратом частоты, а гистерезисные потери пропорциональны частоте.
Преимущество использования улучшенной магнитной стали - уменьшение потерь во всем рабочем диапазоне, но, поскольку оно не зависит от нагрузки, оно особенно заметно при низких нагрузках.
Вернитесь к коэффициентам эффективности двигателя ↑
3. Тепловой дизайн
Новые методы моделирования позволили создать двигатели с оптимизированным потоком охлаждения, уменьшенными зазорами (повышением эффективности магнитной цепи) и меньшими потерями меди. Более низкие потери и хорошая тепловая конструкция приводят к снижению рабочих температур и, следовательно, к увеличению срока службы.
Рисунок 3 - Высокоэффективный взрывозащищенный двигатель Reliance от Baldor Electric Company (фото: feedandgrain.com)
Вернитесь к коэффициентам эффективности двигателя ↑
4. Аэродинамика
Большинство электродвигателей охлаждаются за счет вытяжки воздуха через обмотки встроенным вентилятором и истощением его по внешнему ребристому корпусу. Воздушный поток сложный, и компьютерное моделирование используется для оптимизации конструкции вентилятора и капота для обеспечения более эффективного охлаждения с более низким уровнем шума.
Понижение ветров может быть уменьшено путем тщательного проектирования ротора.
Вернитесь к коэффициентам эффективности двигателя ↑
5. Производство и контроль качества
Введение напряжений в магнитной стали во время сборки двигателя может увеличить потерю железа на 50%. Рассматривая методы сборки на стадии проектирования и обращая внимание на методы обработки, это увеличение потери железа во время производства уменьшилось до незначительных размеров. Эксцентриситет между статором и ротором генерирует гармонические потоки с более высокими потерями.
Общий результат этих улучшений - увеличение эффективности на 3% (что соответствует уменьшению потерь около 30%) при полной нагрузке и вдвое меньшая потеря при низких нагрузках. На рисунке 4 показано сравнение эффективности стандартных и высокоэффективных двигателей 75 кВт от фактической нагрузки.
Рисунок 4 - Сравнение эффективности стандартных и высокоэффективных двигателей
Поскольку многие двигатели проводят значительное время при низкой нагрузке или холостом ходу, разработчики высокоэффективных блоков уделяют большое внимание уменьшению постоянных потерь.
Результатом является снижение потерь при нагрузках менее 25% и повышение эффективности на 3-5% при полной нагрузке, снижение потерь примерно на 28%. Это впечатляющее достижение.
Вернитесь к коэффициентам эффективности двигателя ↑
Ссылка // Руководство по эффективной практике для проектирования электротехники - Ассоциация развития меди