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 оптимизаторов-контроллеров применения оборудования в промышленности, сельском хозяйстве и сфере жилищно-коммунального хозяйства переносят эффективность дробилок, вентиляторов, ленточных транспортеров, обрабатывающих станков, крутильных агрегатов, лебедок и другого оборудования на новый уровень. Они предотвращают перегрузки кронштейнов при запуске мешалок, нейтрализуют гидроудары в трубопроводах и обеспечивают плавный запуск тяжело и очень тяжело нагруженного оборудования, для чего обычные устройства плавного пуска не подходят.

Ценовая политика

Контроллеры-оптимизаторы являются эффективным средством увеличения КПД оборудования и в то же время они значительно более доступны по цене, чем преобразователи. По сравнению со своими аналогами, устройства от отечественных производителей обладают ценовым преимуществом: устройство мощностью 90 кВт можно приобрести по цене от 90 до 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.

Чтобы повысить эффективность работы электродвигателя, можно применять частотные преобразователи для асинхронных двигателей. В результате применения данного устройства происходит трансформация однофазного или трехфазного напряжения с частотой 50 Гц в напряжение, которое имеет необходимую частоту (обычно от 1 Гц до 300–400 Гц, но иногда и до 3000 Гц) и определенную амплитуду.

Преобразователь частоты, который в профессиональной среде именуется "частотником", содержит микропроцессор управления, который отвечает за организацию работы электронных ключей, контроль за функционированием оборудования, его диагностику и защиту от повреждений. Кроме того, система состоит из нескольких схем, которые включены в режимы ключей и открывают тиристоры или транзисторы. Преобразователи частоты с тиристорами считаются более эффективными в сравнении с другими видами, так как они способны работать с высокими напряжениями и токами, а их КПД достигает 98%. Однако, при малой мощности, это преимущество практически незаметно.

Два класса приборов, отличающихся своей структурой и принципом работы:

1. С непосредственной связью. В таких преобразователях присутствуют выпрямители. Эта система отвечает за отпирание тиристоров и подключение обмотки к сети, что ведет к образованию выходного напряжения со частотой 0-30 Гц и ограниченным диапазоном управления скоростью вращения привода. Такие устройства обычно не используются при оснащении мощного оборудования, регулирующего множество технологических параметров.
2. С промежуточным звеном постоянного тока. В таких преобразователях происходит двойное преобразование энергии: входное напряжение выпрямляется, фильтруется и сглаживается, а затем, при помощи инвертора, преобразуется в напряжение с необходимой амплитудой и частотой. КПД оборудования может несколько снижаться из-за этого промежуточного звена, но подобные преобразователи частоты имеют широкое применение благодаря возможности получения на выходе напряжения с высокой частотой.

Наиболее популярными являются преобразователи второго типа, так как они позволяют плавно регулировать обороты 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.

Достоинства и недостатки преобразователя частоты для асинхронного двигателя, описанного выше, имеют свои преимущества и недостатки. Одним из главных достоинств является снижение расхода электроэнергии, также преобразователь обеспечивает плавный запуск привода, высокую точность регулировки и увеличивает пусковой момент. Благодаря этому, преобразователь стабилизирует скорость вращения при переменной нагрузке, и в совокупности все указанные преимущества позволяют повысить коэффициент полезного действия машины.

Но к недостаткам преобразователя можно отнести высокую стоимость, что может отпугнуть потенциальных покупателей. Также его использование может вызывать создание электромагнитных помех в процессе работы.

Таким образом, при использовании преобразователя частоты необходимо учитывать и достоинства, и недостатки, и сделать окончательный выбор в зависимости от конкретных условий эксплуатации и требований.

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 – это устройства, которые выполняют функцию регуляторов напряжения для питания электродвигателей. Они предоставляют контроль над фазами напряжения и тока, обеспечивают полное управление приводом на всех этапах работы и защищают его от повышенного и пониженного напряжения, перегрузки, обрыва или нарушения чередования фазы и т.д.

Контроллеры-оптимизаторы также согласовывают значение крутящего момента, развиваемого электродвигателем, с его нагрузкой на валу, путем изменения напряжения для питания двигателя. В процессе регулирования крутящего момента скорость вращения ротора остается прежней, а коэффициент мощности повышается. Это оборудование является функционально законченным и не требует подключения дополнительных устройств.

В период работы привода в условиях динамически изменяющихся нагрузок контроллер обеспечивает прекращение отбора мощности из сети электропитания в те моменты, когда полупроводниковые переходы тиристоров (управляемых диодов) задерживают электрический ток. Размыкание тиристоров происходит периодически при поступлении управляющих сигналов, период, задержка которых определяется относительным значением загрузки привода.

Важно помнить, что скорость реакции контроллера-оптимизатора на изменение нагрузки составляет сотые доли секунды.

Фото: freepik.com