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.

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.

На заметку: Как повысить КПД электродвигателя

КПД – ключевой фактор для эффективности работы электродвигателя. Его наиболее заметные влияющие факторы – степень загрузки по отношению к номинальной, конструкция и модель, степень износа, отклонение напряжения в сети от номинального. Также следует помнить, что перемотка электродвигателя может привести к снижению его КПД.

Для повышения эффективности работы электропривода, важно обеспечивать его загрузку на уровне не менее 75%, увеличивать коэффициент мощности, регулировать напряжение и частоту подаваемого тока, где это возможно. Но не в каждом случае необходимо или возможно реализовывать все из этих мер, так как реализация этих мер зависит от оборудования.

Существуют приборы для повышения КПД электродвигателя, такие как частотные преобразователи, изменяющие скорость вращения двигателя, изменив частоту питающего напряжения, и устройства плавного пуска, ограничивающие скорость нарастания пускового тока и его максимальное значение.

В данной статье мы рассмотрим современные решения для повышения КПД двигателей с позиций экономической целесообразности и эффективности работы.

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, 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.

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

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: 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 – 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