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.

В статье рассказывается о том, как контроллеры-оптимизаторы могут помочь повысить КПД оборудования за более доступную цену, по сравнению с преобразователями. Например, по цене примерно от 90 до 140 тысяч рублей, можно приобрести устройство мощностью 90 кВт от отечественного производителя.

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

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, 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.

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