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 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

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, 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.

Возможности, которые может предоставить частотный преобразователь, во многом зависят от соответствия его функциональных возможностей целям использования. Например, для оснащения электроприводов насосов и вентиляторов используются преобразователи с невысокой перегрузочной способностью и, зачастую, с U/f-управлением. При необходимости такие преобразователи могут повышать начальное значение выходного напряжения, с целью увеличения момента двигателя на низких частотах.

Устройства с векторным управлением являются более совершенными. Они регулируют не только частоту и амплитуду выходного напряжения, но и фазы тока, протекающего через обмотки статора. Такие преобразователи устанавливаются на прокатные станы, конвейеры, подъемное, упаковочное оборудование и так далее.

В случае, если нужно выполнить контролируемое торможение двигателя, используется функция замедления, которую может обеспечить частотный преобразователь. Однако, если требуется интенсивное замедление, может потребоваться использование «частотника», оснащенного встроенными или внешними блоком торможения и тормозным резистором, или рекуперативным блоком торможения. При динамическом торможении двигатель переходит в генераторный режим и трансформирует механическую энергию в электрическую, которая возвращается в звено постоянного тока и либо рассеивается в виде тепла на сопротивлении тормозного резистора, либо возвращает энергию в сеть посредством рекуперации. Такой подход подходит для станкового и конвейерного оборудования.

Частотный преобразователь с обратной связью позволяет поддерживать постоянную скорость вращения при переменной нагрузке с более высокой точностью, чем преобразователь без обратной связи, что повышает качество технологического процесса в замкнутых системах. Подобные устройства широко используются в робототехнике, дерево- и металлообработке, в системах высокоточного позиционирования.

Недавно финансисты отметили, что стоимость "частотников" является очень волатильной. За год-полтора цены на эти устройства значительно увеличились. В настоящее время колебания валютного курса являются одной из причин такого явления. В 2021 году частотные преобразователи производства как России, так и других стран, мощностью 90 кВт, могли обойтись покупателям примерно в 200—700 тысяч рублей.

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: устройства для плавного пуска

Для обеспечения плавного запуска, разгона и остановки электродвигателя используются устройства плавного пуска (УПП). Они способны ограничивать скорость увеличения пускового тока в течение определенного времени и тем самым предотвращать повреждение оборудования.

Однако традиционные устройства плавного пуска имеют свой недостаток – они не улучшают КПД оборудования. К тому же они применяются только для управления приводами с невысокой нагрузкой на валу.

Но на сегодняшний день существуют контроллеры-оптимизаторы, которые позволяют повысить энергоэффективность двигателей. Они могут согласовывать крутящий момент с моментом нагрузки и, как следствие, снижать потребление электроэнергии на минимальных нагрузках на 30–40%. Эти устройства предназначены для приводов, не требующих изменения числа оборотов двигателя.

Например, чтобы снизить энергопотребление эскалатора при помощи преобразователя частоты, потребовалось бы уменьшить его скорость, но это невозможно, потому что тогда подъем пассажиров займет больше времени. Однако контроллеры-оптимизаторы позволяют снизить энергопотребление без изменения скорости электропривода в тех случаях, когда он недогружен.

Контроллеры-оптимизаторы электродвигателя являются регуляторами напряжения питания, которые контролируют фазы тока и напряжения. Они гарантируют полное управление приводом на всех стадиях работы и предотвращают повышенное и пониженное напряжение, перегрузку, обрывы или нарушение чередования фаз. Путем изменения напряжения питания двигателя, контроллеры-оптимизаторы согласовывают значение механического момента, который развивает электродвигатель, с значением механического момента нагрузки на его валу. Последнее позволяет увеличить коэффициент мощности, а скорость вращения ротора электродвигателя остается неизменной.

Данное оборудование является самодостаточным и дополнительных устройств не требует. Кроме того, контроллер-оптимизатор обеспечивает прекращение отбора мощности во время динамической нагрузки, когда тиристоры закрыты и не проводят электрический ток. Управляющие импульсы открывают тиристоры при поступлении и закрывают переход тока через ноль. Отметим, что скорость реакции контроллера-оптимизатора на изменение нагрузки составляет сотые доли секунды.

Фото: freepik.com