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.

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 – это устройства, которые способны быстро реагировать на изменение напряжения и снижать расход электроэнергии на 30-40%. Они также способны уменьшать влияние реактивной нагрузки на сеть и повышать КПД привода. Эти устройства могут сократить расходы на конденсаторные компенсирующие устройства и продлить срок службы оборудования. Кроме того, они способствуют повышению экологичности производства.

Одним из главных преимуществ контроллеров-оптимизаторов является их доступная цена по сравнению с преобразователями частоты. Однако следует отметить, что применение контроллера ограничено – он не может использоваться в случаях, когда необходимо изменять скорость вращения электродвигателя.

Таким образом, контроллеры-оптимизаторы имеют свои достоинства и недостатки. Однако, если использование данного устройства подходит под специфику производства, оно может стать незаменимым помощником в снижении расходов на энергию и улучшении эффективности работы оборудования.

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

Если вы занимаетесь эксплуатацией электроприводов, то знаете, что их эффективность напрямую зависит от ряда факторов: степени загрузки по отношению к номинальной, конструкции, модели, степени износа и отклонения напряжения в сети от номинального. Кроме того, КПД электродвигателя может заметно снизиться после перемотки.

Чтобы оптимизировать работу электропривода, необходимо обеспечивать его загрузку на уровне не менее 75%, увеличивать коэффициент мощности, регулировать напряжение и, если возможно, частоту подаваемого тока. Для этого применяется специальное оборудование, позволяющее повысить КПД электродвигателя. Однако не всегда возможно или целесообразно реализовать все перечисленные меры.

Наиболее востребованные приборы, которые позволяют улучшить работу электродвигателя, – это частотные преобразователи и устройства плавного пуска. Первые изменяют скорость вращения двигателя путем изменения частоты питающего напряжения, а вторые ограничивают скорость нарастания пускового тока и его максимальное значение.

В данной статье мы рассмотрим современные решения для повышения КПД электродвигателей с точки зрения их 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.

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.

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