Как повысить КПД электродвигателя: выбираем решение

В современных электромеханических преобразователях обнаруживаются потери энергии в магнитном, электрическом и механическом режимах, в результате возникают проблемы с выделением тепла, увеличением шума и вибрации. Это связано с низкой эффективностью перемещения элементов, перемагничиванием магнитного поля сердечника якоря электродвигателя или скачком нагрузок. Но возможно ли уменьшить эти «утечки» и таким образом улучшить коэффициент полезного действия, и если да, как это сделать? Эту тему мы рассмотрим в данной публикации.

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.

Как правильно выбрать устройство, способное повысить КПД оборудования? Дело в том, что выбор определенного электропривода зависит от того, как он работает. Нужно понимать, что если необходимо изменять скорость привода, то здесь единственно верным выбором будет преобразователь частоты. Но если скорость вращения двигателя не изменяется или это не является целями, то более доступным решением будет использовать контроллеры-оптимизаторы. Такие устройства обойдутся значительно дешевле, чем преобразователи частоты.

На заметку: Как повысить КПД электродвигателя

КПД – ключевой фактор для эффективности работы электродвигателя. Его наиболее заметные влияющие факторы – степень загрузки по отношению к номинальной, конструкция и модель, степень износа, отклонение напряжения в сети от номинального. Также следует помнить, что перемотка электродвигателя может привести к снижению его КПД.

Для повышения эффективности работы электропривода, важно обеспечивать его загрузку на уровне не менее 75%, увеличивать коэффициент мощности, регулировать напряжение и частоту подаваемого тока, где это возможно. Но не в каждом случае необходимо или возможно реализовывать все из этих мер, так как реализация этих мер зависит от оборудования.

Существуют приборы для повышения КПД электродвигателя, такие как частотные преобразователи, изменяющие скорость вращения двигателя, изменив частоту питающего напряжения, и устройства плавного пуска, ограничивающие скорость нарастания пускового тока и его максимальное значение.

В данной статье мы рассмотрим современные решения для повышения КПД двигателей с позиций экономической целесообразности и эффективности работы.

Повысить эффективность работы электродвигателя можно с помощью частотных преобразователей, которые изменяют однофазное или трехфазное напряжение с частотой 50 Гц на напряжение необходимой частоты (обычно в диапазоне от 1 Гц до 300-400 Гц, а иногда бывает и до 3000 Гц) и амплитуды. Частотные преобразователи подходят для использования в асинхронных двигателях.

Преобразователь частоты, который в профессиональной среде именуется "частотником", содержит микропроцессор управления, который отвечает за организацию работы электронных ключей, контроль за функционированием оборудования, его диагностику и защиту от повреждений. Кроме того, система состоит из нескольких схем, которые включены в режимы ключей и открывают тиристоры или транзисторы. Преобразователи частоты с тиристорами считаются более эффективными в сравнении с другими видами, так как они способны работать с высокими напряжениями и токами, а их КПД достигает 98%. Однако, при малой мощности, это преимущество практически незаметно.

Два класса приборов, отличающихся своей структурой и принципом работы:

1. С непосредственной связью. В таких преобразователях присутствуют выпрямители. Эта система отвечает за отпирание тиристоров и подключение обмотки к сети, что ведет к образованию выходного напряжения со частотой 0-30 Гц и ограниченным диапазоном управления скоростью вращения привода. Такие устройства обычно не используются при оснащении мощного оборудования, регулирующего множество технологических параметров.
2. С промежуточным звеном постоянного тока. В таких преобразователях происходит двойное преобразование энергии: входное напряжение выпрямляется, фильтруется и сглаживается, а затем, при помощи инвертора, преобразуется в напряжение с необходимой амплитудой и частотой. КПД оборудования может несколько снижаться из-за этого промежуточного звена, но подобные преобразователи частоты имеют широкое применение благодаря возможности получения на выходе напряжения с высокой частотой.

Наиболее популярными являются преобразователи второго типа, так как они позволяют плавно регулировать обороты двигателей.

Статья рассказывает о различных функциональных возможностях частотных преобразователей и их соответствии целям использования.

Использование преобразователей с невысокой перегрузочной способностью и U/f-управлением чаще всего применяется для электроприводов насосов и вентиляторов, где необходимо увеличить момент двигателя на низких частотах.

Более совершенные устройства с векторным управлением регулируют не только частоту и амплитуду выходного напряжения, но и фазы тока, протекающего через обмотки статора. Они наиболее эффективны при использовании в конвейерном, прокатном, упаковочном, подъемном оборудования и прочих.

При необходимости контролируемого торможения двигателя используется функция замедления, которая может различаться в зависимости от его интенсивности. В таких случаях можно применять преобразователи с встроенным внешним блоком торможения и тормозным резистором или рекуперативным блоком торможения. Режим динамического торможения позволяет переводить механическую энергию в электрическую и либо рассеивать ее в тепло на сопротивлении тормозного резистора, либо возвращать энергию в сеть посредством рекуперации. Это решение актуально для станкового и конвейерного оборудования.

Частотные преобразователи с обратной связью обеспечивают более точное поддержание постоянной скорости вращения при переменной нагрузке, что повышает качество технологического процесса в замкнутых системах. Такие устройства широко используются в робототехнике, дерево- и металлообработке, а также 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.

В данном случае мы имеем преобразователь частоты, который используется для асинхронного двигателя. Описав его рабочий принцип выше, можно утверждать, что данный прибор способен уменьшить затраты электроэнергии, обеспечить плавный запуск механизма, обеспечить точное регулирование скорости вращения при изменяющейся нагрузке и увеличить пусковой момент. Кроме того, все вышеперечисленное в сумме ведет к увеличению коэффициента полезного действия машины.

Несмотря на эти очевидные преимущества, следует отметить некоторые недостатки такого «частотника». В первую очередь, стоит заметить его достаточно высокую стоимость. Кроме того, в процессе эксплуатации преобразователь может создавать электромагнитные помехи.

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 – это устройства, которые выполняют функцию регуляторов напряжения для питания электродвигателей. Они предоставляют контроль над фазами напряжения и тока, обеспечивают полное управление приводом на всех этапах работы и защищают его от повышенного и пониженного напряжения, перегрузки, обрыва или нарушения чередования фазы и т.д.

Контроллеры-оптимизаторы также согласовывают значение крутящего момента, развиваемого электродвигателем, с его нагрузкой на валу, путем изменения напряжения для питания двигателя. В процессе регулирования крутящего момента скорость вращения ротора остается прежней, а коэффициент мощности повышается. Это оборудование является функционально законченным и не требует подключения дополнительных устройств.

В период работы привода в условиях динамически изменяющихся нагрузок контроллер обеспечивает прекращение отбора мощности из сети электропитания в те моменты, когда полупроводниковые переходы тиристоров (управляемых диодов) задерживают электрический ток. Размыкание тиристоров происходит периодически при поступлении управляющих сигналов, период, задержка которых определяется относительным значением загрузки привода.

Важно помнить, что скорость реакции контроллера-оптимизатора на изменение нагрузки составляет сотые доли секунды.

Фото: freepik.com