Motorové inžinierstvo / Analýza účinnosti
Skryté náklady na prevádzku svetla
Pri nízkej rýchlosti a čiastočnom zaťažení, an AC motor ticho rozdáva efektivitu, ktorá sa už nikdy neobnoví – pohľad na to, kam táto sila skutočne ide a čo s tým robiť.
Priama odpoveď: Prečo účinnosť klesá pri nízkej rýchlosti a čiastočnom zaťažení
Striedavý motor sa stáva menej účinným pri nízkych rýchlostiach alebo čiastočnom zaťažení, pretože jeho pevné straty – straty v jadre, trenie a vietor – zostávajú takmer konštantné bez ohľadu na výkon , takže spotrebúvajú rastúci podiel celkového vstupného výkonu, keď užitočný výstup klesá. Súčasne striedavé motory s vlastným chladením strácajú prúdenie vzduchu zo svojich ventilátorov namontovaných na hriadeli, keď sa rýchlosť znižuje, čím sa znižuje rozptyl tepla presne vtedy, keď sú vnútorné straty úmerne vyššie. Výsledkom je motor, ktorý môže vidieť pokles účinnosti z viac ako 90 % pri plnom zaťažení až pod 70 % pri malom zaťažení, v závislosti od veľkosti a dizajnu.
Nasledujúce časti vysvetľujú špecifické mechanizmy za týmto poklesom pomocou konkrétnych čísel a načrtávajú, čo s tým môžete prakticky urobiť, ak vaša aplikácia pravidelne spúšťa striedavý motor mimo jeho menovitého bodu.
Pevné straty sa pri zníženom výkone neznižujú
Každý striedavý motor má kategóriu strát, ktoré zostávajú v podstate nemenné bez ohľadu na to, ako ľahko je motor zaťažený: straty v jadre (železe) z magnetizácie statora, trenie v ložiskách a vietor z rotora, ktorý sa otáča vzduchom. Tieto straty sú do značnej miery dané konštrukciou motora a jeho menovitým napätím a frekvenciou, nie mechanickým zaťažením, ktoré poháňa.
AC motor
Prečo to poškodzuje efektivitu pri čiastočnom zaťažení
Účinnosť je jednoducho užitočný výstupný výkon vydelený celkovým vstupným výkonom. Keď záťaž – a tým aj výstupný výkon – klesne, pevné straty zostanú v absolútnom vyjadrení rovnaké, ale stanú sa oveľa väčším percentom z celkového počtu. Motor, ktorý stráca 5 % jeho menovitého výkonu na pevné straty pri plnom zaťažení môže stratiť 15 % až 20 % oveľa menšieho vstupu pri 25% zaťažení, pretože čitateľ (straty) sa takmer nezmení, zatiaľ čo menovateľ (výstup) sa dramaticky zmenšuje.
- Straty jadra závisia od hustoty toku, ktorá je viazaná na napätie, nie na zaťaženie
- Straty trením a vetrom závisia od rýchlosti, nie od dodaného krútiaceho momentu
- Typický indukčný motor strednej veľkosti môže zaznamenať pokles účinnosti 10 až 15 percentuálnych bodov medzi 100% a 25% zaťažením
Straty sklzu sa zvyšujú v porovnaní s užitočnou prácou pri nízkej záťaži
Indukčné motory pracujú sklzom - rozdielom medzi synchrónnou rýchlosťou a skutočnou rýchlosťou rotora. Sklz je to, čo indukuje prúd v rotore a vytvára krútiaci moment, ale tiež predstavuje plytvanie energiou premenenou na teplo v tyčiach rotora a nie mechanický výstup. Pri nízkej záťaži sú absolútne straty sklzom menšie, ale straty medi rotora a statora (straty I²R) neklesajú lineárne so záťažou, pretože magnetizačný prúd zostáva takmer konštantný, aj keď prúd vytvárajúci krútiaci moment klesne.
Problém magnetizačného prúdu
Info
Striedavý motor odoberá magnetizačný prúd, aby vytvoril svoje magnetické pole bez ohľadu na mechanické zaťaženie. Tento prúd môže predstavovať 25 % až 40 % prúdu pri plnom zaťažení aj keď je motor v podstate nezaťažený a stále generuje ohrev I²R vo vinutí. Toto teplo je skutočnou stratou bez zodpovedajúceho mechanického výkonu, čo priamo znižuje účinnosť čiastočného zaťaženia.
Chladiaca kapacita klesá práve vtedy, keď je potrebná
Väčšina štandardných striedavých motorov používa na chladenie ventilátor namontovaný na hriadeli, čo znamená, že prúdenie vzduchu je priamo úmerné rýchlosti hriadeľa. Keď sa motor spomalí – či už mechanicky alebo znížením frekvencie pri nastavení striedavého motora s premenlivou rýchlosťou – chladiaci ventilátor pohybuje menej vzduchu presne v momente, keď vnútorné straty, vyjadrené ako percento výkonu, stúpajú. To vytvára problém: straty účinnosti vytvárajú teplo a vlastný chladiaci systém motora je menej schopný odvádzať toto teplo.
Praktický výsledok pre nízkorýchlostnú prevádzku
Upozornenie
Výrobcovia často špecifikujú minimálnu nepretržitú prevádzkovú rýchlosť – bežne okolo 20% až 30% menovitej rýchlosti — pod ktorým samochladiaci motor riskuje prehriatie aj pri zníženom zaťažení, jednoducho preto, že nie je dostatok vzduchu na odvádzanie tepla. Dlhodobé behanie pod touto hranicou môže skrátiť životnosť izolácie a spustiť tepelnú ochranu.
Účinník prudko klesá pri čiastočnom zaťažení
Účiník úzko súvisí s účinnosťou v systémoch striedavých motorov a pri znížení záťaže sa výrazne znižuje. Motor, ktorý beží s účinníkom 0,85 až 0,90 pri plnom zaťažení môže klesnúť na 0,4 až 0,6 pri 25% zaťažení , pretože magnetizačný (jalový) prúd zostáva zhruba konštantný, zatiaľ čo skutočný odber energie klesá. To znamená, že motor odoberá viac prúdu, než je potrebné v porovnaní s užitočnou prácou, ktorú vykonáva, čím sa zvyšujú odporové straty vo vinutí motora a v predradenom vedení.
Prečo to spája problém účinnosti
Nižší účinník neovplyvňuje len účet za energie prostredníctvom poplatkov za odber, ale tiež zvyšuje straty I²R v elektrickom rozvodnom systéme napájajúcom motor. Pre zariadenia, v ktorých je súčasne prevádzkovaných veľa čiastočne zaťažených motorov, môže tento kumulatívny efekt zmysluplne zvýšiť celkovú spotrebu energie nad rámec toho, čo by naznačovala samotná účinnosť motora.
Jednofázové motory na striedavý prúd čelia dodatočným sankciám
A jednofázový striedavý motor je vo svojej podstate menej účinný pri nízkej rýchlosti a čiastočnom zaťažení ako jeho trojfázový náprotivok, hlavne kvôli tomu, ako generuje svoje rotujúce magnetické pole. Mnoho jednofázových konštrukcií sa spolieha na pomocné vinutia, štartovacie kondenzátory alebo tieňované póly na vytvorenie rotácie a tieto komponenty prinášajú ďalšie straty, ktoré sa nezmenšujú proporcionálne so zníženým zaťažením. Charakteristiky pulzujúceho krútiaceho momentu pri jednofázovej prevádzke tiež vytvárajú dodatočné mechanické straty v dôsledku vibrácií a nerovnomerného zahrievania rotora, obzvlášť výrazné, keď motor beží výrazne pod menovitými otáčkami.
Porovnanie účinnosti podľa typu motora
Trojfázové indukčné motory si zvyčajne zachovávajú primeranú účinnosť až do približne 50 % záťaže, kým nastane prudký pokles. Jednofázový striedavý motor naopak často vykazuje výraznejší pokles účinnosti od 75 % záťaže smerom nadol, pretože jeho štartovacie a bežiace vinutia boli optimalizované pre užšie prevádzkové pásmo okolo menovitých podmienok.
Ako pohony s premenlivou frekvenciou ovplyvňujú účinnosť pri nízkych rýchlostiach
Spárovanie striedavého motora s pohonom na vytvorenie a striedavý motor s premenlivou rýchlosťou systém zavádza svoje vlastné úvahy o účinnosti pri nízkej rýchlosti. Väčšina pohonov používa riadenie voltov na hertz, čím sa znižuje napätie aj frekvencia, aby sa udržal konštantný tok. To pomáha trochu obmedziť straty v jadre pri nízkych otáčkach, ale samotný pohon má spínacie straty, ktoré predstavujú väčšie percento (teraz menšie) celkového spracovávaného výkonu, a akýkoľvek externý chladiaci ventilátor pridaný na kompenzáciu zníženého prietoku vzduchu poháňaného hriadeľom spotrebúva dodatočnú energiu, ktorá priamo neprispieva k účinnosti motora.
Celkový pohľad na systém
Pri vyhodnocovaní nastavenia striedavého motora s premenlivou rýchlosťou je dôležité pozerať sa skôr na kombinovanú účinnosť pohonu a motora než na účinnosť samotného motora. Pohon môže mať účinnosť 96 % až 98 % pri plnom výkone, ale toto číslo zvyčajne klesá aj pri nízkych otáčkach a nízkom zaťažení, čím sa zvyšuje vlastná znížená účinnosť motora v danej prevádzkovej oblasti.
Typické správanie pri účinnosti v celom rozsahu zaťaženia
| Úroveň zaťaženia | Typická účinnosť | Typický účinník |
|---|---|---|
| 100% zaťaženie | 88 % – 94 % | 0,85 - 0,90 |
| 75% zaťaženie | 87 % – 92 % | 0,80 - 0,85 |
| 50% zaťaženie | 82 % – 88 % | 0,65 - 0,75 |
| 25% zaťaženie | 65 % – 78 % | 0,40 - 0,55 |
Praktické kroky na zlepšenie účinnosti pri nízkej záťaži
Ak vaša aplikácia pravidelne prevádzkuje striedavý motor pod menovitým zaťažením alebo rýchlosťou, niekoľko praktických opatrení môže znížiť zníženie účinnosti:
- Správne dimenzujte motor podľa vášho typického prevádzkového zaťaženia namiesto predimenzovania pre zriedkavé špičkové podmienky
- Použite správne nakonfigurovaný striedavý motor s premenlivou rýchlosťou s riadením s optimalizovaným tokom pri nízkej rýchlosti, namiesto jednoduchého škálovania voltov na hertz
- Pridajte nútené externé chladenie pre motory, ktoré musia bežať nepretržite pri nízkych otáčkach, pretože ventilátory poháňané hriadeľom strácajú účinnosť pod menovitými otáčkami
- Nainštalujte kondenzátory na korekciu účinníka tam, kde na tom istom elektrickom systéme pracuje niekoľko málo zaťažených motorov
- Zvážte konštrukcie motorov s prémiovou účinnosťou alebo vysokou účinnosťou, ktoré si vo všeobecnosti zachovávajú lepšie krivky účinnosti v širšom rozsahu zaťaženia
Úspech
Prispôsobenie veľkosti motora skutočnému pracovnému cyklu, výber správnej stratégie riadenia a priame riešenie chladenia a účinníka sú najefektívnejšie spôsoby, ako minimalizovať stratu účinnosti v reálnej prevádzke.
Konečný prehľad o nízkej rýchlosti a účinnosti čiastočného zaťaženia
Pokles účinnosti striedavých motorov pri nízkych otáčkach a čiastočnom zaťažení nie je chybou žiadneho jednotlivého komponentu, ale kombinovaným výsledkom stálych strát, ktoré zostávajú konštantné, magnetizačného prúdu zostávajúceho vysokého, prietoku chladiaceho vzduchu klesajúceho s rýchlosťou a účinníka zhoršujúceho sa pri poklese skutočnej spotreby energie. Tento efekt je najvýraznejší v jednofázovom striedavom motore kvôli jeho inherentne užšiemu efektívnemu prevádzkovému pásmu a vyžaduje si starostlivú pozornosť pri navrhovaní alebo špecifikovaní systému striedavého motora s premenlivou rýchlosťou, pretože účinnosť pohonu sa hromadí na vrchole účinnosti motora v tej istej oblasti s nízkym zaťažením. Prispôsobenie veľkosti motora skutočnému pracovnému cyklu, výber správnej stratégie riadenia a priame riešenie chladenia a účinníka sú najefektívnejšie spôsoby, ako minimalizovať túto stratu účinnosti v reálnej prevádzke.
++86 13524608688
