Как повысить КПД электродвигателя: выбираем решение

В настоящее время электромеханические преобразователи считаются одними из самых эффективных технических решений, однако в процессе их эксплуатации возникает ряд проблем. К ним относятся потери энергии по различным причинам - магнитные, электрические и механические – которые сопровождаются тепловым излучением, а также шумом и вибрацией. Эти процессы являются результатом трения элементов, перемагничивания в магнитном поле сердечника якоря электродвигателя, а также скачков нагрузок. Но возможно ли сократить так называемые "утечки" и повысить КПД? Об этом мы поговорим в данной статье.

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.

Ключевыми факторами, влияющими на КПД электродвигателя, является несколько факторов, включая степень его загрузки относительно номинальной, конструкцию, модель, износ, а также отклонение напряжения в сети от номинального значения. Не стоит забывать, что после перемотки КПД электродвигателя может снизиться. Для более эффективной работы электропривода рекомендуется обеспечивать минимальную загрузку не менее 75%, увеличивать коэффициент мощности, регулировать напряжение и, если возможно, частоту питающего тока. Повышение КПД двигателя может быть достигнуто с помощью специального оборудования, однако не всегда нужно или возможно реализовать все эти меры.

Для улучшения КПД используются различные приборы, в том числе частотные преобразователи, которые изменяют скорость двигателя, изменяя частоту питающего напряжения. Также используются устройства плавного пуска, которые ограничивают скорость нарастания пускового тока и его максимальное значение. В этой статье мы сравним современные решения для повышения КПД двигателей на основе эффективности работы и экономической целесообразности.

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.

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.

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: 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