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 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.

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.

Выбираем наилучший вариант для повышения КПД

Для того чтобы повысить КПД двигателя того или иного электропривода, необходимо выбрать соответствующее устройство, учитывая особенности работы оборудования.

Если требуется изменение скорости привода, то оптимальным решением будет покупка преобразователя частоты. В случае, если скорость вращения двигателя не требуется изменять или это делать неохота, то лучше выбрать контроллеры-оптимизаторы.

Более доступная стоимость данных устройств - это их главное преимущество по сравнению с «частотниками».

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, 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.

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.

Запись о стоимости «частотников»

В настоящее время, по словам финансистов, стоимость «частотников» нестабильна: за последние полтора года цены значительно увеличились. Это обусловлено не только колебаниями валютного курса, но и другими факторами. Например, частотные преобразователи производства России и зарубежных стран мощностью 90 кВт стояли примерно от 200 до 700 тысяч рублей для покупателей в 2021 году.

Достоинства и недостатки преобразователя частоты

Описанный выше принцип работы преобразователя частоты для асинхронного двигателя обладает несколькими неоспоримыми достоинствами. Прежде всего, он обеспечивает снижение расхода электроэнергии, благодаря чему удается повысить коэффициент полезного действия машины. Кроме того, такая система гарантирует плавный запуск привода, высокую точность регулировки и увеличение пускового момента. Важным преимуществом является также стабилизация скорости вращения при переменной нагрузке.

Однако стоит заметить, что у «частотника» есть и свои недостатки. К ним можно отнести относительно высокую стоимость установки, а также возможное создание электромагнитных помех в процессе работы.

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 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