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 контроллеров-оптимизаторов включают в себя повышение КПД различного оборудования, используемого в различных отраслях, включая промышленность, сельское хозяйство и ЖКХ. Устройства этого типа помогают избежать перегрузок кронштейнов при запуске мешалок, а также компенсируют гидроудары в трубопроводах. Более того, контроллеры-оптимизаторы обеспечивают плавный запуск тяжелого и очень тяжелого оборудования, что невозможно сделать без использования подобной техники.

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

Если вы занимаетесь эксплуатацией электроприводов, то знаете, что их эффективность напрямую зависит от ряда факторов: степени загрузки по отношению к номинальной, конструкции, модели, степени износа и отклонения напряжения в сети от номинального. Кроме того, КПД электродвигателя может заметно снизиться после перемотки.

Чтобы оптимизировать работу электропривода, необходимо обеспечивать его загрузку на уровне не менее 75%, увеличивать коэффициент мощности, регулировать напряжение и, если возможно, частоту подаваемого тока. Для этого применяется специальное оборудование, позволяющее повысить КПД электродвигателя. Однако не всегда возможно или целесообразно реализовать все перечисленные меры.

Наиболее востребованные приборы, которые позволяют улучшить работу электродвигателя, – это частотные преобразователи и устройства плавного пуска. Первые изменяют скорость вращения двигателя путем изменения частоты питающего напряжения, а вторые ограничивают скорость нарастания пускового тока и его максимальное значение.

В данной статье мы рассмотрим современные решения для повышения КПД электродвигателей с точки зрения их 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.

Преобразователь частоты, известный также как «частотник», содержит в себе микропроцессор для управления электронными ключами и защиты оборудования, а также схемы, которые работают в качестве ключей и открывают тиристоры или транзисторы. Тиристорные преобразователи частоты более эффективны благодаря способности работать с высокими напряжениями и токами и достигать КПД до 98%, но это преимущество становится практически незаметным при небольших мощностях.

Существуют два класса преобразователей частоты, которые отличаются устройством и принципами работы:

• Преобразователи с непосредственной связью представляют собой выпрямители. В результате отпирания тиристоров и подключения обмотки к сети формируется выходное напряжение с ограниченным диапазоном управления скоростью вращения привода и частотой 0–30 Гц. Однако такие преобразователи не подходят для оснащения мощного оборудования, регулирующего множество технологических параметров.
• Преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока производят двойное преобразование энергии: входное напряжение выпрямляется, затем фильтруется и сглаживается, а потом при помощи инвертора снова трансформируется в напряжение с необходимой амплитудой и частотой. Хотя такое преобразование может снижать КПД оборудования, преобразователи частоты второго типа имеют широкое применение благодаря способности давать на выходе напряжение с высокой частотой.

Одним из наиболее популярных типов преобразователей частоты являются устройства второго типа, которые обеспечивают плавную регулировку оборотов 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.

Запись о стоимости «частотников»

В настоящее время, по словам финансистов, стоимость «частотников» нестабильна: за последние полтора года цены значительно увеличились. Это обусловлено не только колебаниями валютного курса, но и другими факторами. Например, частотные преобразователи производства России и зарубежных стран мощностью 90 кВт стояли примерно от 200 до 700 тысяч рублей для покупателей в 2021 году.

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.

Контроллеры-оптимизаторы: решение задач плавного пуска

Устройства плавного пуска (УПП) необходимы для обеспечения плавного запуска, разгона и остановки электродвигателя. Они ограничивают скорость увеличения пускового тока в течение определенного времени. Однако традиционные устройства плавного пуска не учитывают потребление электроэнергии, что не способствует повышению КПД. Кроме того, их можно применять только для управления приводами с небольшой нагрузкой на валу.

В настоящее время существуют новые разновидности УПП – контроллеры-оптимизаторы, позволяющие повысить энергоэффективность двигателей за счет согласования крутящего момента с моментом нагрузки и, как следствие, снижения потребления электроэнергии на минимальных нагрузках на 30–40%. Они предназначены для приводов, не требующих изменения числа оборотов двигателя.

В частности, эскалаторы потребляют большое количество электроэнергии. Для их снижения необходимо уменьшить скорость движения, но это невозможно из-за необходимости обеспечения быстрого подъема пассажиров. Контроллеры-оптимизаторы решают эту задачу, позволяя снизить энергопотребление без изменения скорости электропривода в 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