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 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.

Контроллеры-оптимизаторы – это устройства, которые быстро реагируют на изменение напряжения и снижают расходы электроэнергии на 30-40%. Они также помогают уменьшить воздействие реактивной нагрузки на сеть, повысить КПД привода, а также экономят деньги на конденсаторных компенсирующих устройствах. Применение контроллеров-оптимизаторов также помогает продлить срок службы оборудования и повышает экологичность производства.

Важным преимуществом контроллеров-оптимизаторов является их доступная цена в сравнении с преобразователями частоты. Однако, необходимо учитывать, что контроллеры-оптимизаторы не могут использоваться в случаях, когда требуется изменять скорость вращения электродвигателя.

Таким образом, контроллеры-оптимизаторы оперативно реагирует на изменения напряжения, экономят электроэнергию, уменьшают реактивную нагрузку на сеть и повышают КПД привода. Они также помогают сократить расходы на конденсаторные компенсирующие устройства, продлить срок службы оборудованию и повысить экологичность производства. Незаменимы они только в тех случаях, когда необходимо изменять скорость вращения электродвигателя.

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.

Частотные преобразователи используются для улучшения работы асинхронных двигателей. Они способны изменять однофазное или трехфазное напряжение с частотой 50 Гц, превращая его в напряжение с настраиваемой частотой, которая обычно варьируется от 1 до 300-400 Гц, но может достигать и 3000 Гц. Более того, преобразователи регулируют также амплитуду напряжения. Это позволяет добиться значительного повышения эффективности работы электродвигателя.

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.

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