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 увеличения эффективности работы асинхронных двигателей

Существует общепринятая классификация электрических машин на синхронные, у которых частота вращения ротора совпадает с частотой магнитного поля, и на асинхронные, где магнитное поле вращается с более высокой скоростью, чем ротор.

Электродвигатели последнего типа на сегодняшний день являются наиболее распространенными: около 90% всех двигателей, используемых в мире, являются асинхронными. Они применяются во многих отраслях промышленности, сельского хозяйства и сферы ЖКХ.

Это объясняется тем, что они просты в изготовлении, надежны, доступны по цене и не требуют больших эксплуатационных затрат. Кроме того, КПД асинхронных электродвигателей значительно выше, чем синхронных.

Тем не менее, у такой техники есть и существенные недостатки. Один из них – это высокий пусковой ток, недостаточный пусковой момент, несогласованность механического момента на валу привода с механической нагрузкой (что приводит к резкому увеличению силы тока и избыточным механическим нагрузкам при запуске и пониженной производительности в периоды пониженной нагрузки), невозможность точной регулировки скорости работы и так далее. В результате все эти факторы приводят к значительному снижению эффективности работы.

Чтобы справиться с этими проблемами, специалисты используют различные методы, направленные на повышение КПД асинхронных двигателей. Одним из них является использование частотных преобразователей, которые уменьшают пусковой ток, и, следовательно, пусковую мощность двигателя. Кроме этого, применяются специальные системы управления моментом, которые позволяют точно регулировать мощность двигателя и его скорость в зависимости от потребностей. Это повышает производительность механизма и уменьшает избыточную механическую нагрузку. Также существуют специальные схемы управления током, которые минимизируют потери энергии в механизме и увеличивают его КПД. Все эти методы позволяют достичь более эффективной работы асинхронных двигателей.

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.

Контроллеры-оптимизаторы – это устройства, которые быстро реагируют на изменение напряжения и снижают расходы электроэнергии на 30-40%. Они также помогают уменьшить воздействие реактивной нагрузки на сеть, повысить КПД привода, а также экономят деньги на конденсаторных компенсирующих устройствах. Применение контроллеров-оптимизаторов также помогает продлить срок службы оборудования и повышает экологичность производства.

Важным преимуществом контроллеров-оптимизаторов является их доступная цена в сравнении с преобразователями частоты. Однако, необходимо учитывать, что контроллеры-оптимизаторы не могут использоваться в случаях, когда требуется изменять скорость вращения электродвигателя.

Таким образом, контроллеры-оптимизаторы оперативно реагирует на изменения напряжения, экономят электроэнергию, уменьшают реактивную нагрузку на сеть и повышают КПД привода. Они также помогают сократить расходы на конденсаторные компенсирующие устройства, продлить срок службы оборудованию и повысить экологичность производства. Незаменимы они только в тех случаях, когда необходимо изменять скорость вращения электродвигателя.

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.

Частотные преобразователи используются для улучшения работы асинхронных двигателей. Они способны изменять однофазное или трехфазное напряжение с частотой 50 Гц, превращая его в напряжение с настраиваемой частотой, которая обычно варьируется от 1 до 300-400 Гц, но может достигать и 3000 Гц. Более того, преобразователи регулируют также амплитуду напряжения. Это позволяет добиться значительного повышения эффективности работы электродвигателя.

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.

Варианты преобразователей, используемые в современных системах управления электроприводами, различаются по своим функциональным возможностям и эффективности применения. Для электроприводов насосов или вентиляторов, например, часто применяются преобразователи с невысокой перегрузочной способностью и U/f-управлением, способные легко управлять начальным значением напряжения для повышения момента двигателя на низких частотах.

Но для более серьезных применений, таких как на прокатных станах, конвейерах, подъемных устройствах и упаковочном оборудовании, рекомендуется использовать частотные преобразователи с векторным управлением. Они не только могут регулировать частоту и амплитуду выходного напряжения, но и фазы тока через обмотки статора.

Торможение двигателя также может быть контролируемым с помощью специальных функций замедления, главным образом управляемых «частотниками», оснащенными встроенными или внешними блоками торможения и тормозным резистором, а также рекуперативным блоком торможения во время динамического торможения. Такие устройства особенно важны для механизмов станков и конвейеров.

Некоторые комплексные системы, например, в робототехнике, дерево- и металлообработке, используют сложные частотные преобразователи с обратной связью, которые обеспечивают повышенную точность и надежность в замкнутых системах для поддержания постоянной скорости вращения в условиях переменной нагрузки.

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.

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 представляют собой компоненты, которые контролируют фазы тока и напряжения питания электродвигателя. В результате этого осуществляется полное управление приводом на всех его этапах работы, а также защита его от таких аномалий, как нарушение чередования фаз или пониженного/повышенного напряжения. Это устройство эффективно согласует значение крутящего момента, развиваемого двигателем, и значение механического момента, нагружающего вал привода. Коэффициент мощности повышается, при этом скорость вращения ротора остается прежней. Важно отметить, что контроллеры-оптимизаторы не требуют подключения дополнительных устройств, так как их функциональность является завершенной.

Кроме того, контроллеры-оптимизаторы обладают способностью прекращать брать мощность из питающей сети в те моменты, когда полупроводниковые переходы тиристоров закрыты, то есть не пропускают электрический ток. Открываются тиристоры при поступлении управляющих импульсов. Задержка подачи управляющих импульсов определяется степенью нагрузки привода. При переходе тока через ноль тиристоры закрываются.

Очень важно отметить, что контроллеры-оптимизаторы реагируют на изменение нагрузки настолько оперативно, что скорость реакции составляет лишь сотые доли секунды.

Фото: freepik.com