От чего зависит кпд электрической машины

От чего зависит КПД

Сейчас у Вас КПД 2,2%, потому что из 90 ответов признаны лучшими — 2.

Коэффициент полезного действия (КПД) — характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии; определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой; обозначается обычно h = Wпол/Wcyм.

В электрических двигателях КПД — отношение совершаемой (полезной) механической работы к электрической энергии, получаемой от источника.

В тепловых двигателях — отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты.

В электрических трансформаторах — отношение электромагнитной энергии, получаемой во вторичной обмотке, к энергии, потребляемой первичной обмоткой.

Для вычисления КПД разные виды энергии и механическая работа выражаются в одинаковых единицах на основе механического эквивалента теплоты, и других аналогичных соотношений. В силу своей общности понятие КПД позволяет сравнивать и оценивать с единой точки зрения такие различные системы, как атомные реакторы, электрические генераторы и двигатели, теплоэнергетические установки, полупроводниковые приборы, биологические объекты и т. д.

Из-за неизбежных потерь энергии на трение, на нагревание окружающих тел и т. п. КПД всегда меньше единицы. Соответственно этому КПД выражается в долях затрачиваемой энергии, то есть в виде правильной дроби или в процентах, и является безразмерной величиной. КПД тепловых электростанций достигает 35-40%, двигателей внутреннего сгорания с наддувом и предварительным охлаждением — 40-50% , динамомашин и генераторов большой мощности — 95%, трансформаторов — 98%. КПД процесса фотосинтеза составляет обычно 6-8%, у хлореллы он достигает 20-25%. У тепловых двигателей в силу второго начала термодинамики КПД имеется верхний предел, определяемый особенностями термодинамического цикла (кругового процесса) , который совершает рабочее вещество. Наибольшим КПД обладает цикл Карно.

Различают КПД отдельного элемента (ступени) машины или устройства и КПД, характеризующий всю цепь преобразований энергии в системе. КПД первого типа в соответствии с характером преобразования энергии может быть механическим, термическим и т. д. Ко второму типу относятся общий, экономический, технический и другие виды КПД. Общий КПД системы равен произведению частных КПД, или КПД ступеней.

В технической литературе КПД иногда определяют таким образом, что он может оказаться больше единицы. Подобная ситуация возникает, если определять КПД отношением Wпол/Wзатр, где Wпол — используемая энергия, получаемая на «выходе» системы, Wзатр — не вся энергия, поступающая в систему, а лишь та её часть, для получения которой производятся реальные затраты. Например, при работе полупроводниковых термоэлектрических обогревателей (тепловых насосов) затрата электроэнергии меньше количества теплоты, выделяемой термоэлементом. Избыток энергии черпается из окружающей среды. При этом, хотя истинный КПД установки меньше единицы, рассмотренный КПД h=Wпол/Wзатр может оказаться больше единицы. Например, тепловой КПД кондиционеров в среднем равен 300-400%.

КПД электродвигателей

Электрическими двигателями переменного или постоянного тока комплектуются приводы станков, насосов и вентиляторов, а также других механизмов, используемых на предприятиях тяжелой и легкой промышленности. Рентабельность производства напрямую зависит от себестоимости продукции, на которую в большой степени влияет эффективность эксплуатации оборудования, поэтому КПД и мощность электродвигателя являются основными параметрами, на основании которых выполняется подбор привода.

Определение КПД электродвигателя

Принцип работы любой электрической машины основан на преобразовании энергии тока, протекающего по обмоткам статора и создающего магнитное поле, во вращение ротора. Коэффициент полезного действия (КПД) электродвигателя определяется соотношением вырабатываемой им механической мощности на валу (p2) к полной мощности, потребляемой из сети (p1) и выражается в процентах:

Исходя из формулы, следует, что чем ближе этот параметр к единице, тем выше будет эффективность использования оборудования.

Факторы, влияющие на величину КПД

Коэффициент полезного действия никогда не может быть равным единице, так как существуют неизбежные потери, снижающие полезную мощность. Они делятся на три группы:

• электрические;
• магнитные;
• механические.

Электрические потери зависят от степени нагрузки двигателя и являются следствием нагрева обмоток статора, вызванного работой тока по преодолению электрического сопротивления проводников, из которых они выполнены. Поэтому максимальный КПД электродвигателя достигается, когда нагрузка на двигатель составляет 75% от максимальной расчетной величины.

Магнитные потери происходят из-за неизбежного перемагничивания активного железа статора и ротора, а также возникновения в нем вихревых токов.

Третья группа обусловлена наличием трения в подшипниках, на которых вращается вал, а также сопротивлением, оказываемым воздухом крыльчатке вентилятора и самому ротору (якорю). Из-за наличия щеточно-коллекторного узла КПД электродвигателя постоянного тока несколько ниже коэффициента полезного действия машин с короткозамкнутым ротором. Это также относится к асинхронным электродвигателям с фазным ротором из-за дополнительного трения щеток об контактные кольца.

Способы повысить КПД двигателя

Следует помнить, что реальный коэффициент полезного действия может несколько отличатся от паспортных величин, указанных на шильдике двигателя. Чтобы выполнить расчет КПД электродвигателя в реальных условиях эксплуатации, необходимо учитывать неравномерность распределения питающего напряжения в фазах. В зависимости от величины асимметрии падение полезной мощности может достигать 5-7%.

Увеличение КПД электрической машины возможно только за счет снижения потерь и контроля качества силовой сети.

Механические потери можно уменьшить благодаря более качественным подшипникам, установки крыльчатки вентилятора, выполненной из современных материалов для уменьшения сопротивлению воздуху. Нагрев обмоток можно уменьшить благодаря использованию обмоточных проводов, выполненных из очищенной меди, имеющих меньшее сопротивление.

Снизить потери на перемагничивание активного железа и минимизировать влияние вихревых токов можно используя для набора сердечника необходимо использовать качественную электромагнитную сталь с надежной изоляцией. Кроме того, ведутся работы по разработке наилучшей геометрии зубцов статора, благодаря которым будет увеличена концентрация магнитного поля.

В реальности КПД асинхронного электродвигателя можно несколько увеличить за счет использования частотного преобразователя, позволяющего оптимизировать расход электроэнергии. Следует помнить, что эффективность эксплуатации двигателя с КПД 98% сильно упадет, если его использовать для приведения в движения механизма, имеющего более низкий коэффициент полезного действия.

От чего зависит кпд электрической машины

Эффективность работы любого электропривода, в первую очередь, определяется коэффициентом полезного действия электродвигателя (КПД). Говоря простым языком, электрическая машина, потребляя электрическую энергию, преобразует её в механическую для работы различных устройств, станков, инструментов и проч. Соотношение величин полезной механической мощности на валу двигателя (Р 2 ) к мощности, потребляемой из сети (Р 1 ), и есть КПД (η). КПД является номинальной величиной и указывается в процентах: η = (Р 2 / Р 1 ) х 100%.

Совершенно очевидно: чем большая механическая мощность развивается на валу электродвигателя, тем больше полезной работы выполняется и выше КПД электрической машины .

Важность такого показателя как КПД обусловлена прежде всего тем, что около 70% вырабатываемой во всём мире электроэнергии потребляется электродвигателями, начиная от простейших бытовых электроприборов до вентиляционных установок и приводов оборудования крупнейших предприятий.

Величины КПД современных электродвигателей

У большинства современных электродвигателей КПД лежит в пределах 80-90%. Нередко встречаются маломощные модели с КПД до 75%.

Для машин, работающих в особых условиях, современные технологии позволяют увеличивать КПД до 96%. Это достигается не только за счёт их высокоточного производства, но и благодаря использованию дорогостоящих материалов для сердечников, перемагничивание которых не сопряжено с высокими энергетическими затратами.

Факторы, влияющие на изменение КПД электрической машины

Сразу следует сделать уточнение: КПД электропривода никогда не превышает 100%.

Это объясняется расходом потребляемой мощности на нагрев обмоток двигателя, перемагничивание статора (в асинхронных двигателях), вихревые токи, механическое сопротивление при движении ротора.

Нагрев обмоток двигателя – явление закономерное. Из курса физики известно:

1. при прохождении электрического тока проводник нагревается;
2. чем однороднее среда, тем легче происходит теплоотдача.

Если с первым пунктом всё ясно, то пункт 2 требует дополнительных объяснений. Традиционно внимание акцентируется на том, что пропитка обмоток статора делается для их защиты от влияния влаги или агрессивной среды. Но также следует учитывать, что после пропитки не остаётся свободных зазоров между обмоткой и сердечником статора, а это позволяет значительно увеличить теплоотдачу и снизить нагрев во время работы. Для этой же цели предусмотрена такая конструктивная особенность как монолитная отливка корпуса с охлаждающими рёбрами, что в значительной мере стабилизирует рабочий нагрев электропривода и препятствует снижению КПД.

Бывает так, что во время работы электродвигателя наблюдается стремительный рост температуры. Зачастую это происходит из-за замыкания в обмотках статора .

Расчётная температура нагрева для двигателей класса “А” лежит в пределах 90℃, для класса “В” не превышает 110℃.

Любая электрическая машина – это воплощение взаимодействия электрических и магнитных полей. Поэтому в обязательном порядке следует учитывать такое явление как перемагничивание сердечника статора в результате изменения направления тока в обмотках. Чтобы не углубляться в теорию, достаточно вспомнить, что магнитная индукция (В) запаздывает от изменения напряжённости магнитного поля (Н). Эта зависимость отражается на графике под названием “петля гистерезиса”. Дешёвые материалы для сердечников почти всегда имеют широкий график, что указывает на большие энергозатраты на более длительное перемагничивание. И наоборот: чем уже петля гистерезиса, тем быстрее перемагничивается сердечник, и выше КПД двигателя.

Вихревые токи или токи Фуко (иногда можно встретить термин “паразитарные токи”) возникают в металлических элементах там, где есть переменное магнитное поле. Согласно закону Ленца они являются причиной наведения магнитных потоков, противодействующих рабочему магнитному потоку вокруг катушек. Понятно, что это влияет на крутящий момент и вызывает дополнительный нагрев двигателя, снижая КПД.

Для уменьшения потерь от вихревых токов надо увеличить электрическое сопротивление магнитопровода. Поэтому магнитопроводы и сердечники якорей набирают (шихтуют) из очень тонких (до 0,5 мм) пластин электротехнической стали, иногда с добавлением кремния, покрытых специальным лаком для их изоляции друг от друга. До сих пор существуют производственные участки, где для этой цели применяют тяжёлый ручной труд.

Механические факторы снижения КПД электродвигателя возникают в результате конструктивных изменений, трения в подшипниках, воздушного сопротивления

Нередко в процессе эксплуатации наблюдаются искривление вала и другие дефекты, вызывающие вибрации на опорных подшипниках ротора, и, соответственно, увеличение механического сопротивления.

Бывает так, что в случае заводского брака при изготовлении обмоток (несоблюдении расчётного количества витков одной из обмоток) нарушается плавность хода ротора, что тоже сказывается на эффективности работы электродвигателя. (Утверждение, что опытный электромеханик определяет эту неполадку на слух, является правдой.)

Также следует указать на недопустимость превышения номинальной нагрузки , как на один из факторов снижения КПД. В этом случае нагрев элементов электродвигателя приближается к критическому, и коэффициент полезного действия начинает снижаться.

Важно помнить: никогда производитель электродвигателей не указывает КПД при максимальной (предельной) нагрузке на валу электрической машины. В техническом паспорте прописывается величина КПД при номинальной нагрузке .

Может ли КПД быть более 100%?

Если говорить об электродвигателях, то следует однозначно заявить: нет!

Выше уже отмечалось, что в электрических машинах мы сталкиваемся с энергией магнитного поля, электрической энергией, тепловой и механической. Достаточно минимальных знаний из области физики и основ электротехники, чтобы раз и навсегда усвоить: преобразованию одного вида энергии в другой всегда сопутствуют процессы обратной направленности. Для примера можно вспомнить токи Фуко.

Существует ещё один важный аргумент в пользу утверждения о невозможности достижения КПД свыше 100%. На данном этапе развития человечество не обладает технологиями производства универсальных материалов, которые не нагревались бы в процессе работы или демонстрировали молниеносное перемагничивание, а также не подвергались бы механической усталости.

Многочисленные энтузиасты не оставляют попыток создать устройства, которые могли бы, выполнять механическую работу и одновременно вырабатывать электроэнергию, покрывая потери и собственные энергозатраты. При этом они не учитывают элементарный принцип обратимости электрических машин: либо генератор, либо двигатель.

ПОТЕРИ И КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ. КПД ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ

Работа каждой электрической машины сопровождается потерями энергии: в стали, от трения, в проводах обмоток и добавочными.

Потери в стали Р_ст, или магнитные, возникают при перемагничивании тела якоря и полюсных наконечников, от гистерезиса и вихревых токов. Мощность потерь зависит от частоты перемагничивания f = р n /60 и максимального значения магнитной индукции В_м.

Потери механические Р_мех, или потери от трения, получаются в подшипниках, при трении вращающихся частей о воздух и трения щеток о коллектор. Мощность механических потерь пропорциональна скорости вращения машины n. Потери Р_ст + Р_мех постоянны, при постоянной скорости вращения и неизменном токе возбуждения I _в и не зависят от нагрузки машины. Они называются потерями холостого хода Р_х.

Потери электрические возникают при прохождении тока по обмотке якоря и переходному контакту между щетками и коллектором, а также во всех обмотках возбуждения и дополнительных полюсов.

Потери в щеточном контакте Р_щ = ∆U_Щ I _Я определяются по падению напряжения ∆U_Щ, которое принимается: 2 в — для угольных, графитных и электрографитированных щеток и 0 ,6 в — для металлоугольных щеток.

Потери добавочные Р _ДОБ в обмотке и стали якоря вызываются искажением магнитного поля реакцией якоря и полями, возникающими вокруг секций, в которых происходит коммутация. Эти потери оцениваются от 0,01 до 0,005 U_нI_н и считаются пропорциональными I 2 _я. Как известно, к. п. д. называется отношение полезной мощности машины Р₂ к полной мощности Р₁, получаемой машиной. Тогда для генератора

η_г = Р2/P1 = UI/UI + (Р_ст + Р_мех + Р_э + Р_доб) 100%

Коэффициент полезного действия (сокращенно — КПД) электрической установки показывает, какая доля активной электрической энергии Q, безвозвратно расходуемой данной установкой, приходится на полезную работу A, совершаемую этой установкой по назначению (если речь идет о преобразователе или о потребителе), либо какая доля подводимой к установке механической энергии (или энергии иной формы, например химической или световой) преобразуется в ней в полезную энергию (работу).

Таким образом КПД является безразмерной величиной, значение которой всегда меньше единицы, и может быть записано в виде десятичной дроби, или в виде числа (количества процентов) — от 0% до 100%.

Нагревательные приборы

Наибольшим КПД (близким к 100%) обладают электрические нагревательные приборы, в которых энергия электрического тока преобразуется непосредственно в тепло. Практически это — так называемое джоулево тепло, которое выделяется по закону Джоуля-Ленца на нагревательном элементе (например на нихромовой спирали) при прохождении через него электрического тока, и является в данном случае полезной работой.

Пример такого прибора — масляный радиатор. Если, скажем, в электродвигателе или в трансформаторе нагрев обмоток является чистыми потерями, то в масляном радиаторе нагрев — это и есть полезная работа, других (неполезных) потерь здесь нет.

Смотрите по этой теме:

Асинхронные двигатели

У асинхронных электродвигателей КПД обычно не превышает 80-90%. Полезной работой здесь является механическая работа, выполняемая валом двигателя.

К двигателю подводится переменный ток из сети, этот ток, проходя по обмотке статора, порождает в магнитопроводе (статора) переменное магнитное поле, которое, действуя на ротор, вращает его. При этом неизбежно возникают активные потери мощности в проводе обмотки (джоулево тепло) и в магнитопроводе (вихревые токи, нагревающие металл статора и ротора).

По этой причине корпус работающего под нагрузкой двигателя всегда разогревается. Для отвода тепла, на роторе двигателя устанавливается крыльчатка вентилятора, а снаружи на корпусе делаются радиаторные ребра для лучшего охлаждения — для отвода тепловых потерь и сохранения рабочих характеристик двигателя на приемлемом уровне.

КПД электродвигателя можно узнать из шильдика (паспортной таблички). Подробнее об этом смотите здесь: Характеристики асинхронных двигателей

Информация про электродвигатели в бытовых приборах: Бытовые двигатели и их использование

Светодиод

В осветительном светодиоде полезной работой является производство видимого света. КПД таких светодиодов достигает сегодня 35%, это значит, что 65% подводимой к нему электрической энергии все же теряется в форме тепла. Поэтому данные светодиоды всегда имеют металлическую подложку как часть корпуса, при помощи которой они плотно крепятся к радиатору, либо просто массивные выводы, чтобы обеспечить необходимый отвод тепла.

Подробнее про светодиоды:

Солнечная батарея

Рассмотрим случай генерации электроэнергии из солнечного света при помощи солнечной батареи на основе кремния. КПД обычной монокристаллической солнечной батареи находится в районе от 9 до 24%. Это значит, что в зависимости от количества падающих на солнечный элемент фотонов, ее КПД будет больше или меньше.

Так или иначе, не все фотоны, попадающие на элемент приводят к генерации электрического тока, а только те, что имеют наиболее адекватную для данного элемента длину волны. Другие фотоны просто отражаются, приводят к нагреву, или даже мешают генерации тока. Ученые многих стран мира непрерывно ведут исследования в поиске технологии создания более эффективных солнечных элементов.

Подробнее об этом смотрите здесь:

Источник тока

КПД реального источника тока сильно зависит от сопротивления нагрузки, а точнее — от соотношения между сопротивлением нагрузки R и внутренним сопротивлением источника тока r.

Например для щелочной батарейки, питающей маленький нагреватель, можно сказать, что подводится химическая энергия преобразуется в тепловую. Когда сопротивление нагрузки равно внутреннему сопротивлению источника тока, КПД равен 50%, причем в данных условиях источник отдает максимально возможную мощность, половина которой, однако, рассеивается в самом источнике.

А чем сопротивление нагрузки больше — тем выше КПД источника, так как в этом случае большая мощность приходится на сопротивление нагрузки, и меньшая — рассеивается в самом источнике. Это значит, что лучший КПД получается тогда, когда источник работает почти что «вхолостую», то есть когда сопротивление нагрузки сильно больше его внутреннего сопротивления.

Смотрите также про коэффициент полезного действия различных лампочек: Типы ламп для домашнего освещения — какие лучше и в чем разница

КПД электродвигателя

Для начала стоит понять, что же такое электродвигатель. В общем понимании — это устройство, служащее для преобразования одного вида энергии в другой. В данном случае электрической в механическую по средствам электромагнитной индукции. Кроме того, предусмотрена возможность работы и в обратном режиме, превращая механическую энергию в электрическую.

Как и любая электрическое устройство, электродвигатель обладает рядом основных рабочих характеристик: момент вращения, мощность, частота вращения, заявленные величины тока и напряжения, ну и, конечно же, коэффициент полезного действия.

Вращающий момент – это, по сути, сила вращения вала двигателя. Именно моментом вращения определяется мощность двигателя. Расчёт производится по формуле:

Мощность – параметр, показывающий величину полезной работы, совершаемой двигателем. Формула для расчёта:

Частота вращения – параметр, который, как правило, указан в паспорте изделия и зависит напрямую от числа пар полюсов. Расчётная формула: .

Номинальный ток – та величина тока, при которой оборудование может работать неограниченное количество времени при нагреве токоведущих частей.

Номинальное напряжение – напряжение на которое спроектирована сеть, либо конкретное оборудование.

Коэффициент полезного действия – параметр, показывающий эффективность процесса преобразования одного вида энергии в другой. То есть, чем выше КПД, тем эффективнее работа электродвигателя.

Каким образом КПД определяется.

Формула расчёта КПД очень проста: это отношение полезной мощности к подведённой. Вид записи следующий:

Где – полезная мощность, — подведённая мощность.

Величина эта лежит в диапазоне от 0 до 1. Чем значение больше, тем эффективнее работа. Например, при КПД равно 0,6 40% мощности будет потеряны в процессе преобразования, такой электродвигатель эффективным считаться не может.

Важно: КПД не является статичным параметром и может изменяться в зависимости от нагрузки.

Причины снижения КПД.

К сожалению, привести КПД к единице, или же 100% просто физически невозможно. Обусловлено это рядом потерь, приводящих к снижению коэффициента:

Электрические – зависят от величины загрузки самого оборудования. Возникают из-за перегрева обмотки статора, что происходит при преодолении сопротивления материала силой тока;

Магнитные – в основном, возникают из-за образования вихревых токов, а так же при перемагничивании железа статора и ротора;

Механические – являются следствием работы подшипников, на которых вращается вал, потери возникают из-за трения. И в малой доли сопротивлением воздуха крыльчатке вентилятора.

Способы повышения КПД.

Для начала стоит понимать, что реальный КПД может отличаться от заявленного изготовителем на величину от 4 до 7%, что чаще всего является следствием неравномерности распределения фаз и напряжения питания. Поднять коэффициент полезного действия электродвигателя можно, но сделать это нелегко.

Если говорить открыто, то прямого способа именно повысить КПД не существует, есть лишь способы сократить потери.

Так электрические можно сократить, уменьшив температуру и скорость нагрева материалов, из которых выполнена обмотка, что достигается за счёт использования проводов с меньшим удельным сопротивлением. Однако, это приведёт к удорожанию.

Механические можно свести к минимуму благодаря использованию подшипников из более качественных материалов, а так же замене материала крыльчатки на более современный, что позволит свести сопротивление воздуху к минимальным значениям.

Для снижения магнитных потерь необходимо при наборе сердечника использовать электромагнитную сталь высшего класса с надёжной изоляцией.

Кроме того, можно «выиграть» пару процентов за счёт частотного преобразователя, однако вариант доступен только для асинхронной машины.

Мнение эксперта: зачастую поднять КПД на пару процентов помогает контроль уровня напряжения электрической сети.

Средний и максимальный КПД электродвигателя.

Немного выше указывалось, что КПД зависит не только от потерь, но и от заданной нагрузки. Рассмотрим простой пример: есть электродвигатель с заявленным КПД 92%, питающая сеть не идеальна, есть лёгкая асимметрия токов.

На холостом ходу КПД равен 0. При полной нагрузке максимальное КПД составит 87%. Нагрузив двигатель на 25%, КПД его станет 83%, нагрузив на 50% — получим КПД 87%, при нагрузке в 75% КПД составим 88%. Что из этого следует?

Не трудно проследить, что средний КПД электродвигателя в данном случае составляет 87%, он же отличается от заявленного на 5% ввиду асимметрии токов.

Максимальный же КПД составил 88% при нагрузке 0,7 – 0,8 от номинальной. Данный режим работы является наиболее эффективным и экономически выгодным – максимум пользы при минимуме затрат.

Может ли быть КПД выше 100%? Нет, даже в теории это невозможно. Хотя бы даже по той причине, что энергия не может возникнуть из ниоткуда, точно так же она не может попросту раствориться. Единственный вариант – нескончаемый источник энергии, при существовании которого КПД двигателя может составить 100%, а, возможно, вовсе превзойти его.

Подводя итоги, смело можно заявить – КПД двигателя важнейший параметр, определяющий эффективность работы и мощность. Тут принцип простой до глупости: больше – лучше. Конечно, достижение максимального результата в 100% на данный момент технически невозможно ввиду большого количества факторов, влияющих на работу. Но прогресс не стоит на месте и кто знает, может быть через 10, а то и через 5 лет, максимум уже будет достигнут.