Мототехника / Анализ эффективности
Скрытая стоимость ходовых огней
На низкой скорости и частичной нагрузке двигатель переменного тока незаметно теряет эффективность, которую никогда не восстанавливает — посмотрите, куда на самом деле уходит эта мощность и что с этим делать.
Прямой ответ: почему эффективность падает при низкой скорости и частичной нагрузке
Двигатель переменного тока становится менее эффективным на низких скоростях или частичных нагрузках, поскольку его фиксированные потери — потери в сердечнике, трение и парусность — остаются почти постоянными независимо от выходной мощности. , поэтому они потребляют все большую долю общей входной мощности по мере падения полезной выходной мощности. В то же время двигатели переменного тока с самоохлаждением теряют поток воздуха от установленных на валу вентиляторов при уменьшении скорости, уменьшая рассеяние тепла именно тогда, когда внутренние потери пропорционально выше. В результате получается двигатель, эффективность которого может падать с более чем 90 % при полной нагрузке до менее 70 % при небольшой нагрузке, в зависимости от размера и конструкции.
В разделах ниже объясняются конкретные механизмы этого падения, используя конкретные цифры, и описывается, что вы можете практически сделать с этим, если ваше приложение регулярно запускает двигатель переменного тока от его номинальной точки.
Фиксированные убытки не уменьшаются при уменьшении объема производства
Каждый двигатель переменного тока имеет категорию потерь, которые остаются практически неизменными независимо от того, насколько слабо нагружен двигатель: потери в сердечнике (железе) из-за намагничивания статора, трения в подшипниках и парусности из-за вращения ротора в воздухе. Эти потери в основном определяются конструкцией двигателя, его номинальным напряжением и частотой, а не механической нагрузкой, которую он испытывает.
двигатель переменного тока
Почему это снижает эффективность при частичной нагрузке
Эффективность — это просто полезная выходная мощность, деленная на общую входную мощность. Когда нагрузка (и, следовательно, выходная мощность) падает, фиксированные потери остаются прежними в абсолютном выражении, но составляют гораздо больший процент от общего числа. Мотор, который проигрывает 5% от номинальной мощности до фиксированных потерь при полной нагрузке может проиграть от 15% до 20% гораздо меньшего входного сигнала при нагрузке 25%, поскольку числитель (потери) практически не меняется, а знаменатель (выходной сигнал) резко сокращается.
- Потери в сердечнике зависят от плотности потока, которая связана с напряжением, а не с нагрузкой.
- Потери на трение и ветровые нагрузки зависят от скорости, а не от передаваемого крутящего момента.
- Типичный асинхронный двигатель среднего размера может столкнуться с падением эффективности. От 10 до 15 процентных пунктов нагрузка от 100% до 25%
Потери на скольжение увеличиваются по сравнению с полезной работой при небольшой нагрузке
Асинхронные двигатели работают за счет скольжения — разницы между синхронной скоростью и фактической скоростью ротора. Скольжение — это то, что индуцирует ток в роторе и создает крутящий момент, но оно также представляет собой потерю энергии, преобразуемую в тепло в стержнях ротора, а не в механическую мощность. При небольшой нагрузке абсолютные потери скольжения меньше, но потери в меди ротора и статора (потери I²R) не падают линейно с нагрузкой, поскольку ток намагничивания остается почти постоянным, даже когда ток, создающий крутящий момент, падает.
Проблема тока намагничивания
Информация
Двигатель переменного тока потребляет ток намагничивания для создания своего магнитного поля независимо от механической нагрузки. Этот ток может представлять От 25% до 40% тока полной нагрузки даже когда двигатель практически не нагружен и все равно генерирует нагрев I²R в обмотках. Это тепло представляет собой реальную потерю без соответствующей механической мощности, что напрямую снижает эффективность частичной нагрузки.
Холодопроизводительность падает именно тогда, когда это необходимо
В большинстве стандартных двигателей переменного тока для охлаждения используется вентилятор, установленный на валу, а это означает, что поток воздуха прямо пропорционален скорости вала. Когда двигатель замедляется — механически или за счет снижения частоты в двигателе переменного тока с регулируемой скоростью — охлаждающий вентилятор перемещает меньше воздуха именно в тот момент, когда внутренние потери, выраженные в процентах от выходной мощности, растут. Это создает сложную проблему: потери эффективности приводят к выделению тепла, и собственная система охлаждения двигателя становится менее способной отводить это тепло.
Практическое значение для работы на низкой скорости
Предупреждение
Производители часто указывают минимальную скорость непрерывной работы — обычно около От 20% до 30% номинальной скорости — ниже этого уровня двигатель с самоохлаждением рискует перегреться даже при пониженной нагрузке просто потому, что поток воздуха недостаточен для отвода тепла. Работа ниже этого порога в течение длительного времени может сократить срок службы изоляции и вызвать срабатывание тепловой защиты.
Коэффициент мощности резко падает при частичной нагрузке
Коэффициент мощности тесно связан с эффективностью систем двигателей переменного тока и заметно снижается по мере уменьшения нагрузки. Двигатель, работающий с коэффициентом мощности от 0,85 до 0,90 при полной нагрузке может упасть до от 0,4 до 0,6 при нагрузке 25 % , поскольку ток намагничивания (реактивный) остается примерно постоянным, а фактическое потребление мощности падает. Это означает, что двигатель потребляет больше тока, чем необходимо, по сравнению с полезной работой, которую он выполняет, увеличивая резистивные потери в обмотках двигателя и входной проводке.
Почему это усугубляет проблему эффективности
Более низкий коэффициент мощности не только влияет на счета за коммунальные услуги за счет платы за потребление, но и увеличивает потери I²R во всей системе распределения электроэнергии, питающей двигатель. Для предприятий, одновременно эксплуатирующих множество частично нагруженных двигателей, этот совокупный эффект может значительно повысить общее энергопотребление сверх того, что можно предположить по паспортной эффективности двигателя.
Конструкции однофазных двигателей переменного тока подвергаются дополнительным штрафам
A однофазный двигатель переменного тока по своей сути менее эффективен при низкой скорости и частичной нагрузке, чем его трехфазный аналог, в основном из-за того, как он генерирует вращающееся магнитное поле. Многие однофазные конструкции используют вспомогательные обмотки, пусковые конденсаторы или затененные полюса для создания вращения, и эти компоненты вносят дополнительные потери, которые не уменьшаются пропорционально уменьшению нагрузки. Пульсирующий крутящий момент, характерный для однофазного режима работы, также создает дополнительные механические потери из-за вибрации и неравномерного нагрева ротора, что особенно заметно, когда двигатель работает значительно ниже номинальной скорости.
Сравнение эффективности по типу двигателя
Трехфазные асинхронные двигатели обычно сохраняют разумный КПД примерно до 50 % нагрузки, прежде чем начинается резкий спад. Однофазный двигатель переменного тока, напротив, часто демонстрирует более выраженное падение эффективности, начиная с нагрузки 75 % и ниже, поскольку его пусковая и рабочая обмотки были оптимизированы для более узкого рабочего диапазона в номинальных условиях.
Как частотно-регулируемые приводы влияют на эффективность на низких скоростях
Сопряжение двигателя переменного тока с приводом для создания двигатель переменного тока с регулируемой скоростью система вводит свои собственные соображения эффективности на низкой скорости. Большинство приводов используют управление «В/Гц», одновременно снижая напряжение и частоту для поддержания постоянного магнитного потока. Это помогает несколько ограничить потери в сердечнике на низкой скорости, но сам привод имеет потери на переключение, которые составляют больший процент от (теперь меньшей) общей обрабатываемой мощности, а любой внешний охлаждающий вентилятор, добавленный для компенсации уменьшенного потока воздуха, приводимого в движение валом, потребляет дополнительную энергию, которая не влияет напрямую на эффективность двигателя.
Общий вид системы
При оценке установки двигателя переменного тока с регулируемой скоростью важно учитывать совокупный КПД привода и двигателя, а не только КПД двигателя. Привод может иметь КПД от 96% до 98% при полной мощности, но этот показатель обычно снижается при низкой скорости и небольшой нагрузке, что усугубляется снижением собственного КПД двигателя в этом рабочем диапазоне.
Типичное поведение эффективности в диапазоне нагрузок
| Уровень нагрузки | Типичная эффективность | Типичный коэффициент мощности |
|---|---|---|
| 100% нагрузка | 88% - 94% | 0,85 - 0,90 |
| 75% нагрузка | 87% - 92% | 0,80 - 0,85 |
| 50% нагрузка | 82% - 88% | 0,65 - 0,75 |
| 25% нагрузка | 65% - 78% | 0,40 - 0,55 |
Практические шаги по повышению эффективности при низкой нагрузке
Если в вашем приложении двигатель переменного тока регулярно работает с нагрузкой или скоростью ниже номинальной, несколько практических мер могут снизить снижение эффективности:
- Подберите двигатель в соответствии с вашей типичной рабочей нагрузкой, а не завышайте его для редких пиковых условий.
- Используйте правильно настроенный привод переменного тока с регулируемой скоростью и оптимизированным по потоку управлением на низкой скорости, а не простое масштабирование по вольтам на герц.
- Добавьте принудительное внешнее охлаждение для двигателей, которые должны постоянно работать на низкой скорости, поскольку вентиляторы с приводом от вала теряют эффективность при частоте вращения ниже номинальной.
- Установите конденсаторы коррекции коэффициента мощности там, где несколько малонагруженных двигателей работают в одной электрической системе.
- Рассмотрите конструкции двигателей с повышенным или высоким КПД, которые обычно поддерживают лучшие кривые эффективности в более широком диапазоне нагрузок.
Успех
Соответствие размера двигателя реальному рабочему циклу, выбор правильной стратегии управления и непосредственное решение проблемы охлаждения и коэффициента мощности — наиболее эффективные способы минимизировать потери эффективности в реальных условиях эксплуатации.
Заключительный вывод об эффективности на низких скоростях и при частичной нагрузке
Падение эффективности двигателей переменного тока при низкой скорости и частичной нагрузке не является недостатком какого-либо отдельного компонента, а является совокупным результатом постоянных постоянных потерь, высокого тока намагничивания, уменьшения потока охлаждающего воздуха с увеличением скорости и ухудшения коэффициента мощности по мере падения реальной потребности в мощности. Этот эффект наиболее выражен в однофазном двигателе переменного тока из-за его более узкого рабочего диапазона эффективности, и он требует пристального внимания при проектировании или спецификации системы двигателя переменного тока с регулируемой скоростью, поскольку эффективность привода превышает эффективность двигателя в той же самой области низкой нагрузки. Сопоставление размера двигателя с фактическим рабочим циклом, выбор правильной стратегии управления и непосредственное решение проблемы охлаждения и коэффициента мощности — наиболее эффективные способы минимизировать потери эффективности в реальных условиях эксплуатации.
++86 13524608688
