Как повысить КПД электродвигателя: выбираем решение

Современные электромеханические преобразователи, несмотря на высокую эффективность, все же не обходятся без некоторых потерь энергии, как магнитной, так и электрической и механической. Эти потери сопровождаются выделением тепла, усилением шума и вибрации, которые обусловлены неизбежным трением элементов, перемагничиванием в магнитном поле сердечника якоря электродвигателя, а также скачками нагрузок.

В связи с этим возникает вопрос: можно ли снизить такие "утечки" и, в итоге, повысить коэффициент полезного действия системы? Если да, то как это достичь? Для ответа на эти вопросы мы и подготовили данную статью.

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 – 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.

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, 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.

Существуют устройства плавного пуска (УПП), которые используются для обеспечения плавного запуска, разгона и остановки электродвигателя. Они ограничивают скорость увеличения пускового тока в течение определенного времени. Однако традиционные устройства плавного пуска не способны повысить КПД и могут применяться только для управления приводами с небольшой нагрузкой на валу.

Контроллеры-оптимизаторы - это разновидности УПП, которые позволяют повысить энергоэффективность двигателей. Они согласовывают крутящий момент с моментом нагрузки и способствуют снижению потребления электроэнергии на минимальных нагрузках на 30–40%. Контроллеры-оптимизаторы предназначены для приводов, которые не нуждаются в изменении числа оборотов двигателя.

Например, эскалатор потребляет большое количество энергии, и для снижения энергопотребления при помощи преобразователя частоты, нужно уменьшить скорость эскалатора. Однако, это невозможно, так как это увеличит время подъема пассажиров. Контроллеры-оптимизаторы позволяют снизить энергопотребление без изменения скорости электропривода в тех случаях, когда он недогружен.

Контроллеры-оптимизаторы электродвигателя являются регуляторами напряжения питания, которые контролируют фазы тока и напряжения. Они гарантируют полное управление приводом на всех стадиях работы и предотвращают повышенное и пониженное напряжение, перегрузку, обрывы или нарушение чередования фаз. Путем изменения напряжения питания двигателя, контроллеры-оптимизаторы согласовывают значение механического момента, который развивает электродвигатель, с значением механического момента нагрузки на его валу. Последнее позволяет увеличить коэффициент мощности, а скорость вращения ротора электродвигателя остается неизменной.

Данное оборудование является самодостаточным и дополнительных устройств не требует. Кроме того, контроллер-оптимизатор обеспечивает прекращение отбора мощности во время динамической нагрузки, когда тиристоры закрыты и не проводят электрический ток. Управляющие импульсы открывают тиристоры при поступлении и закрывают переход тока через ноль. Отметим, что скорость реакции контроллера-оптимизатора на изменение нагрузки составляет сотые доли секунды.

Фото: freepik.com