Электродвигатели появились достаточно давно, но большой интерес к ним возник тогда, когда они стали представлять собой альтернативу двигателям внутреннего сгорания. Особо интересен вопрос КПД электродвигателя, который является одной из главных его характеристик.
Каждая система обладает каким-либо коэффициентом полезного действия, который характеризует эффективность ее работы в целом. То есть он определяет, насколько хорошо система или устройство отдает или преобразовывает энергию. По значению КПД величины не имеет, и чаще всего оно представляется в процентном соотношении или числе от нуля до единицы.
Параметры КПД в электродвигателях
Основная задача электрического двигателя сводится к преобразованию электрической энергии в механическую. КПД определяет эффективность выполнения данной функции. Формула КПД электродвигателя выглядит следующим образом:
- n = p2/p1
В данной формуле p1 — это подведенная электрическая мощность, p2 — полезная механическая мощность, которая вырабатывается непосредственно двигателем. Электрическая мощность определяется формулой: p1=UI (напряжение умноженное на силу тока), а значение механической мощности по формуле P=A/t (отношение работы к единице времени). Так выглядит расчет КПД электродвигателя. Однако это самая простая его часть. В зависимости от предназначения двигателя и сферы его применения, расчет будет отличаться и учитывать многие другие параметры. На самом деле формула КПД электродвигателя включает намного больше переменных. Выше был приведен самый простой пример.
Определение по габаритам
Еще один способ – проведение замеров и вычислений. Многие из тех, кто интересуется, как узнать мощность трехфазного двигателя, предпочитают именно его. Вам понадобятся следующие данные:
Диаметр сердечника в сантиметрах (D). Он измеряется по внутренней части статора. Также необходима длина сердечника с учетом отверстий вентиляции.
Частота валового вращения (n) и частота сети (f).
Через них вычислите показатель полюсного деления. D умножьте на n и на число Пи – назовем это показание А. 120 умножьте на f – это В. Разделите А на В.
Как видите, чтобы подсчитать значение, достаточно вспомнить школьный курс математики.
Снижение КПД
Механический КПД электродвигателя должен обязательно учитываться при выборе мотора. Очень большую роль играют потери, которые связаны с нагревом двигателя, снижением мощности, реактивными токами. Чаще всего падение КПД связано с выделением тепла, которое естественным образом происходит при работе двигателя. Причины выделения теплоты могут быть разными: двигатель может нагреваться в процессе трения, а также по электрическим и даже магнитным причинам. В качестве самого простого примера можно привести ситуацию, когда на электрическую энергию было потрачено 1 000 рублей, а работы было произведено на 700 рублей. В таком случае коэффициент полезного действия будет равен 70%.
Для охлаждения электрических двигателей применяются вентиляторы, которые прогоняют воздух через созданные зазоры. В зависимости от класса двигателей, нагрев может осуществляться до определенной температуры. Например, двигатели класса A могут нагреваться до 85-90 градусов, класса B — до 110 градусов. В том случае, когда температура превышает допустимую границу, это может свидетельствовать о замыкании статора.
Потеря энергии при нагревании движка
Важную роль в работе электродвигателя играют потери энергии при нагревании двигателя. Наиболее часто падение КПД происходит от естественной теплоотдачи при работе механизма.
Электродвигатель обычно нагревается от трения, а еще из-за электрических и магнитных сил, действующих на него в процессе работы. К примеру, энергозатраты работы мотора составили 100 рублей, а механическая энергия была оценена в 80 рублей. В данном случае КПД электродвигателя будет равен 80%.
Чтобы охладить электрический двигатель, существуют специальные вентиляторы, прогоняющие воздух через работающий мотор и тем самым создающие более оптимальную температуру для его работы.
Степень нагрузки оказывает огромное влияние на работу электродвигателя. Без нагрузки мотор работает с КПД, равным 0%. Если нагрузить двигатель на 25%, то КПД будет равняться 83%. В режиме стопроцентной нагрузки КПД будет равен 87%.
Средний КПД электрических двигателей
Стоит отметить, что КПД электродвигателя постоянного тока (и переменного тоже) изменяется в зависимости от нагрузки:
- При холостом ходе КПД равен 0%.
- При нагрузке 25% КПД равен 83%.
- При нагрузке 50% КПД равен 87%.
- При нагрузке 75% КПД равен 88%.
- При нагрузке 100% КПД равен 87%.
Одна из причин падения коэффициента полезного действия — асимметрия токов, когда подается разное напряжение на каждой из трех фаз. Если, к примеру, на первой фазе будет напряжение 410 В, на второй — 403 В, а на третьей — 390 В, то среднее значение будет равно 401 В. Асимметрия в данном случае будет равна разнице между максимальным и минимальным напряжением на фазах (410-390), то есть 20 В. Формула КПД электродвигателя для расчета потерь будет иметь вид в нашей ситуации: 20/401*100 = 4.98%. Это значит, что мы теряем 5% КПД при работе из-за разности напряжений на фазах.
Определение мощности электродвигателя без бирки
При отсутствии техпаспорта или бирки на двигателе возникает вопрос: как узнать мощность электродвигателя без таблички или технической документации? Самые распространенные и быстрые способы, о которых мы расскажем в статье:
- По диаметру и длине вала
- По габаритам и крепежным размерам
- По сопротивлению обмоток
- По току холостого хода
- По току в клеммной коробке
- С помощью индукционного счетчика (для бытовых электродвигателей)
Определение мощности двигателя по диаметру вала и длине
Простейшие способы определения мощности и марки двигателя – габаритные размеры – вал или крепежные отверстия. В таблице указаны длины и диаметры валов (D1) и длина (L1) для каждой модели асинхронного промышленного трехфазного мотора. Перейти к подробным габаритным размерам электродвигателей АИР
При замене сломанного советского электродвигателя на новый, часто оказывается, что на нем нет шильдика. Нам часто задают вопросы: как узнать мощность электродвигателя? Как определить обороты двигателя? В этой статье мы рассмотрим, как определить параметры электродвигателя без бирки — по диаметру вала, размерам, току. Заказать новый электродвигатель по телефону
Общие потери и падение КПД
Негативных факторов, которые оказывают влияние на падение КПД электродвигателя, очень много. Есть определенные методики, позволяющие их определять. К примеру, можно определить, есть ли зазор, через который частично передается мощность из сети к статору и далее — на ротор.
Потери в стартере также имеют место, и они состоят из нескольких значений. В первую очередь это могут быть потери, имеющие отношение к вихревым токам и перемагничиванию сердечников статора.
Если двигатель асинхронный, то имеют место дополнительные потери из-за зубцов в роторе и статоре. Также в отдельных узлах двигателя могут возникать вихревые токи. Все это в сумме снижает КПД электродвигателя на 0,5%. В асинхронных моторах учитываются все потери, которые могут возникать при работе. Поэтому диапазон коэффициента полезного действия может варьироваться от 80 до 90%.
Механический тип потерь. Трение щеток
Механический вид – это расходы, возникающие в подшипниках, а трения щеток имеют место во всех асинхронных электромоторах, ротор которых обмотан. При запуске машины они являются нулевыми. С увеличением скорости работы агрегата, они тоже растут. В трехфазном движке скорость принимает определенное значение и не меняется на протяжении всего рабочего цикла. Поэтому и данные потери в нем всегда будут постоянными.
Другое название – расходы меди. Появляются они из-за того, что электроток идет по статорным и роторным обмоткам. При смене нагрузки на движок, электроток тоже меняет значение, что ведет и к изменению величины потерь меди. Это и послужило источником их названия. Получить их можно, если провести тест трехфазного агрегата при заблокированном роторе.
Главная задача асинхронной машины заключается в преобразовании электроэнергии в механическую силу. Пока происходит такая трансформация, одна энергия становится другой, она проходит несколько разных этапов. Эту проходящую ступени преобразования энергию можно изобразить с помощью диаграммы.
Энергетическая диаграмма двигателя
Частично двигатель использует ее, чтобы поддерживать статорные расходы: стали и меди. Та часть, которая остается сохранной, поступает к якорю в качестве входа на ротор.
Из этого следует, что вход на ротор равен статорным потерям (P2 = Pin). Теперь сохранившаяся входная энергия должна пройти преобразование и стать механической. Однако, механическим выходом она стать не может, так как он поддерживает потери.
Как мы уже поняли, роторные потери можно разделить на две группы: меди и железа. Последние ничтожно малы, настолько, что ими можно пренебречь. Это связано с тем, что они зависят от роторной частоты, а она составляет примерно 1,5 Гц.
Следуя из вышесказанного, можно смело утверждать, что ротор обладает лишь потерями меди. Так вот, после именно ее поддержки не преобразованная часть электроэнергии, которая осталась становиться механической. Ее обозначают как Pm.
После всего этого, новопреобразованая сила отправляется на нагрузку, чему помогает вал. Но на этом этапе неизбежны уже механические расходы. В их число входит трение и сопротивление в воздухе. Поэтому общая механическая энергия, которая воспроизводиться в электродвигателе обязательно уходит, чтобы поддерживать эти потери.
Так что образованная в итоге энергия отправляется на вал мотора. Ее, в конце концов, подают нагрузке. Обозначается это как Pout. Она носит название энергии вала или, по-другому, полезная.
Pout это и есть механические потери Pm. Они связаны с сопротивлением в воздухе и трением.
Итак, потери в двигателе могут механическими, магнитными или электрическими.
От питающей сети на статорную обмотку происходит подача мощности Р1. Одна ее часть идет в расход, чтобы покрыть магнитные потери в статорном сердечнике рс1. Используется она и в статорной обмотке, чтобы поддержать электропотери из-за нагретой намотки.
Вся та мощность, которая осталась, магнитным поток подается к ротору. Из-за этого она и называется электромагнитной. Эта оставшаяся электромагнитная мощность превращается в механическую. Последняя носит название полная «механическая мощность электрического привода».
Мощность роторных электропотерь имеет прямую зависимость от скольжения, поэтому асинхронная машина будет работать тем экономичнее, чем меньше будет составлять величина скольжения.
Последнее по очереди, но не по важности – возникновение магнитных потерь. Они тоже возникают в подвижном элементе электромотора, но небольшая электротоковая частота (f2 = f1s) делает их настолько малыми, что ими также можно пренебречь.
Трение частей системы, которые вращаются, о воздух, а также трение, происходящее в подшипнике обуславливает появление механического расхода.
Поля рассеяния наряду с пульсациями в статоре и якоре становятся причиной добавочного вида потерь.
Из всего, что сказано выше, можно собрать формулу общих потерь. Она приведена ниже:
∑р = рс1 + рэ1 + рэ2+ рмех + рд
Автомобильные двигатели
История развития электрических двигателей начинается с момента открытия закона электромагнитной индукции. Согласно ему, индукционный ток всегда движется таким образом, чтобы противодействовать вызывающей его причине. Именно эта теория легла в основу создания первого электрического двигателя.
Современные модели основаны на этом же принципе, однако кардинально отличаются от первых экземпляров. Электрические моторы стали намного мощнее, компактнее, но самое главное — их КПД значительно увеличился. Мы уже писали выше о том, какой КПД электродвигателя, и по сравнению с двигателем внутреннего сгорания это потрясающий результат. К примеру, максимальный КПД двигателя внутреннего сгорания достигает 45%.
Преимущества электрического двигателя
Высокий КПД — это главное достоинство подобного мотора. И если двигатель внутреннего сгорания тратит более 50% энергии на нагрев, то в электрическом моторе на нагрев уходит небольшая часть энергии.
Вторым преимуществом является небольшой вес и компактные размеры. Например, компания Yasa Motors создала мотор с весом всего 25 кг. Он способен выдавать 650 Нм, что очень приличный результат. Также такие моторы долговечные, не нуждаются в коробке передач. Многие владельцы электрокаров говорят об экономичности электрических двигателей, что логично в некоторой степени. Ведь при работе электромотор не выделяет никаких продуктов сгорания. Однако многие водители забывают о том, что для производства электроэнергии необходимо использовать уголь, газ или обогащенный уран. Все эти элементы загрязняют окружающую среду, поэтому экологичность электродвигателей — это очень спорный вопрос. Да, они не загрязняют воздух в процессе работы. За них это делают электростанции при производстве электроэнергии.
Повышение эффективности электродвигателей
Электрические двигатели обладают некоторыми недостатками, которые плохо влияют на эффективность работы. Это слабый пусковой момент, высокий пусковой ток и несогласованность механического момента вала с механической нагрузкой. Это приводит к тому, что КПД устройства снижается.
Для повышения эффективности стараются обеспечить нагрузку двигателя до 75% и выше и увеличивать коэффициенты мощности. Также есть специальные приборы для регулирования частоты подаваемого тока и напряжения, что тоже приводит к повышению эффективности и росту КПД.
Одним из самых популярных приборов для увеличения КПД электродвигателя является устройство плавного пуска, которое ограничивает скорость роста пускового тока. Также уместно использовать и частотные преобразователи для изменения скорости вращения мотора путем изменения частоты напряжения. Это приводит к снижению расхода электроэнергии и обеспечивает плавный пуск двигателя, высокую точность регулировки. Также увеличивается пусковой момент, а при переменной нагрузке стабилизируется скорость вращения. В результате эффективность электродвигателя повышается.
Принцип работы
Пусть есть рамка, которая помещена в магнитное поле. Её можно подключить к источнику тока. При этом принять, что перемещаются носители зарядов против часовой стрелки. Для этого положительный полюс генератора нужно подключить справа, а отрицательный слева. Эта рамка может поворачиваться вокруг горизонтальной оси. Помещена она в магнитное поле линии которого направлены перпендикулярно оси вращения.
Магнетизм будет влиять на каждую сторону рамки по-разному. Чтобы определить, как будут действовать силы нужно воспользоваться правилом буравчика: если ладонь расположить таким образом, чтобы в неё входили линии магнитного потока, а пальцы совпадали с направлением тока, то отогнутый большой палец укажет направление воздействия. Таким образом, получается:
- северная сторона — сила направлена вверх (F1);
- южная сторона — вниз (F2);
- западный и восточный участок — сила не действует.
В результате рамка с током начинает поворачиваться. Но как только она изменит своё положение на 90 градусов, то сразу же замрёт. Действующие силы изменят своё положение. Это приведёт к тому, что они будут растягивать рамку. Получается, что в магнитном поле проводник стремится повернуться так, чтобы её плоскость стала перпендикулярно направлению действия поля.
Этот эффект и используется в работе электродвигателя. Изменяя направление тока, можно добиться постоянного вращения рамки. Делается это с помощью цилиндра, разрезанного на две части. Один провод рамки подключается изнутри к правому полукольцу, а другой к левому. С внешних же сторон с помощью скользящих контактов подаётся напряжение от источника тока.
При такой схеме в тот момент, когда рамка повернётся на 90 градусов, разрезы цилиндра изменят своё положение. Разогнавшись, конструкция проскочит это положение по инерции, то есть выполнит половину оборота. На её стороны опять будут действовать две противоположно направленные силы Ампера. Рамка снова начнёт разворачиваться, стремясь вращаться по часовой стрелке. Это явление будет происходить в такой системе непрерывно.
В итоге получится устройство, всегда вращающее рамку в одну сторону. По сути, это и есть примитивный электромотор или как его называют в физике — вращающая электрическая машина. Принципиальная её разница от двигателя внутреннего сгорания (ДВС) заключается в том, что для вращения используется не тепловая, а электрическая энергия.
Максимальный КПД электродвигателя
В зависимости от типа конструкции, коэффициент полезного действия в электрических двигателях может варьироваться от 10 до 99%. Все зависит от того, какой именно это будет двигатель. Например, КПД электродвигателя насоса поршневого типа составляет 70-90%. Конечный результат зависит от производителя, строения устройства и т. д. То же самое можно сказать и про КПД электродвигателя подъемного крана. Если он равен 90%, то это значит, что 90% потребляемой электроэнергии пойдет на выполнение механической работы, остальные 10% — на нагрев деталей. Все же есть наиболее удачные модели электродвигателей, коэффициент полезного действия которых приближается к 100%, но не равен этому значению.
Возможен ли КПД свыше 100%?
Ни для кого не секрет, что электрические двигатели, КПД которых превышает 100%, не могут существовать в природе, так как это противоречит основному закону о сохранении энергии. Дело в том, что энергия не может взяться из ниоткуда и точно так же исчезнуть. Любой двигатель нуждается в источнике энергии: бензине, электричестве. Однако бензин не вечен, как и электроэнергия, ведь их запасы приходится пополнять. Но если бы существовал источник энергии, который не нуждался в пополнении, то вполне возможно было бы создать мотор с КПД свыше 100%. Российский изобретать Владимир Чернышов показал описание двигателя, который основан на постоянном магните, и его КПД, как уверяет сам изобретатель, составляет более 100%.
Гидроэлектростанция как пример вечного двигателя
Для примера возьмем гидроэлектростанцию, где энергия вырабатывается за счет падения с большой высоты воды. Вода вращает турбину, и та производит электричество. Падение воды осуществляется под действием гравитации Земли. И хотя работа по производству электроэнергии совершается, гравитация Земли не становится слабее, то есть сила притяжения не уменьшается. Далее вода под действием солнечных лучей испаряется и снова поступает в водохранилище. На этом цикл завершается. В результате электроэнергия выработана, затраты на ее производство возобновлены.
Конечно, можно сказать, что Солнце не вечно, это так, но пару-тройку миллиардов лет оно протянет. Что касается гравитации, то она постоянно совершает работу, вытягивая влагу из атмосферы. Если сильно обобщить, то гидроэлектростанция — это двигатель, который преобразует механическую энергию в электрическую, и его КПД составляет более 100%. Это дает понять, что искать пути создания электродвигателя, КПД которого может быть более 100%, прекращать не стоит. Ведь не только гравитацию можно использовать в качестве неисчерпаемого источника энергии.
Определение оборотов вала
Асинхронные трехфазные двигатели по частоте вращения ротора делятся 4 типа: 3000, 1500, 1000 и 750 об. мин. Приводим пример маркировки на основании АИР 180:
- АИР 180 М2 – где 2 это 3000 оборотов.
- АИР 180 М4 – 4 это 1500 об. мин.
- АИР 180 М6 – 6 обозначает частоту вращения 1000 об/мин.
- АИР 180 М8 – 8 означает, что частота вращения выходного вала 750 оборотов.
Самый простой способ определить количество оборотов трехфазного асинхронного электродвигателя – снять задний кожух и посмотреть обмотку статора.
У двигателя на 3000 об/мин катушка обмотки статора занимает половину окружности — 180 °, то есть начало и конец секции параллельны друг другу и перпендикулярны центру. У электромоторов 1500 оборотов угол равен 120 °, у 1000 – 90 °. Схематический вид катушек изображен на чертеже. Все обмоточные данные двигателей смотрите в таблице.
Узнать частоту вращения с помощью амперметра
Узнать обороты вала двигателя, можно посчитав количество полюсов. Для этого нам понадобится миллиамперметр — подключаем измерительный прибор к обмотке статора. При вращении вала двигателя стрелка амперметра будет отклонятся. Число отклонений стрелки за один оборот – равно количеству полюсов.
- 2 полюса – 3000 об/мин
- 4 полюса – 1500 об/мин
- 6 полюса – 2000 об/мин
- 8 полюса – 750 об/мин
Постоянные магниты как источники энергии для двигателей
Второй интересный источник — постоянный магнит, который ниоткуда не получает энергию, а магнитное поле не расходуется даже при совершении работы. Например, если магнит что-либо притянет к себе, то он выполнит работу, а его магнитное поле слабее не станет. Это свойство уже не раз пытались использовать для создания так называемого вечного двигателя, но пока что ничего более-менее нормального из этого не получилось. Любой механизм износится рано или поздно, но сам источник, которым является постоянный магнит, практически вечен.
Впрочем, есть специалисты, которые утверждают, что со временем постоянные магниты теряют свои силы в результате старения. Это неправда, но даже если бы и было правдой, то вернуть его к жизни можно было бы всего лишь одним электромагнитным импульсом. Двигатель, который бы требовал перезарядку раз в 10-20 лет, хоть и не может претендовать на роль вечного, но очень близко к этому подходит.
Уже было много попыток создать вечный двигатель на базе постоянных магнитов. Пока что не было удачных решений, к сожалению. Но учитывая тот факт, что спрос на такие двигатели есть (его просто не может не быть), вполне возможно, что в скором будущем мы увидим что-то, что очень близко подойдет к модели вечного мотора, который будет работать на возобновляемой энергии.
Сравниваем габаритные размеры
Если нет таблички или на ней сложно что-то прочитать, то можно определить мощность асинхронного электродвигателя без паспорта по габаритам, а именно по диаметру вала.
Этот способ определения используют на практике чаще остальных, поскольку нужно только измерить вал штангенциркулем и не нужно подключение к сети. После измерения диаметра, полученные значения сравнивают с таблицей и определяют приблизительную мощность. Такой способ позволяет получить достаточно точные характеристики без бирки. Таблица для этого приведена ниже.
Такой способ определения мощности электродвигателя по габаритам (по ротору) подходит как для трёхфазных, так и однофазных асинхронных двигателей
Обратите внимание «P» указана в кВт (киловатты), как принято в электротехнике, а не как в физике — в ваттах
Если вам по каким-то причинам не подходят данные из этой таблицы, то есть другой способ узнать мощность электродвигателя по габаритным размерам, нужно измерить:
- диаметр вала;
- частоту его вращения (число пар полюсов);
- крепежные размеры;
- диаметр фланца или ширину крепежных лап;
- высота до центра вала;
- длина мотора (без выступающей части вала).
И сравнить эти данные с размерами электромашин единой серии 4А, АИР, А, АО. Их можно найти в разных справочниках или каталогах компаний, которые их производят.
Чтобы определить мощность двигателя распространенной серии АИР по крепежным отверстиям на лапах, воспользуйтесь этой таблицей.
Для определения мощности электродвигателя по диаметру фланца (D20) и диаметру крепежных отверстий фланца (D22) используйте следующие данные:
Со временем и практикой вы научитесь приблизительно определять мощность двигателя по внешнему виду, мысленно сравнивая с теми, которыми сталкивались раньше, но для этого нужно знать ряд стандартных номиналов электродвигателей: 0,25; 0,37; 0,55; 0,75; 1,1; 1,5; 2,2; 3,0; 4,0; 5,5; 7,5; 11; 15; 18,5; 22; 30; 37; 45; 55; 75 кВт.
