Кпд двигателя как найти

Формула КПД электродвигателя

Содержание:

Каждая система или устройство обладает определенным коэффициентом полезного действия (КПД). Данный показатель характеризует эффективность их работы по отдаче или преобразованию какого-либо вида энергии. По своему значению КПД является безмерной величиной, представляемой в виде числового значения в пределах от 0 до 1, или в процентном отношении. Эта характеристика в полной мере касается и всех типов электрических двигателей.

Характеристики КПД в электродвигателях

Электрические двигатели относятся к категории устройств, выполняющих преобразование электрической энергии в механическую. Коэффициент полезного действия для данных устройств определяет их эффективность в деле выполнения основной функции.

Как найти кпд двигателя? Формула КПД электродвигателя выглядит так: ƞ = Р2/Р1. В этой формуле Р1 является подведенной электрической мощностью, а Р2 – полезной механической мощностью, вырабатываемой двигателем. Значение электрической мощности (Р) определяется формулой Р = UI, а механической – Р = А/t, как отношение работы к единице времени.

Коэффициент полезного действия обязательно учитывается при выборе электродвигателя. Большое значение имеют потери КПД, связанные с реактивными токами, снижением мощности, нагревом двигателя и другими негативными факторами.

Превращение электрической энергии в механическую сопровождается постепенной потерей мощности. Потеря КПД чаще всего связана с выделением тепла, когда происходит нагрев электродвигателя в процессе работы. Причины потерь могут быть магнитными, электрическими и механическими, возникающими под действием силы трения. Поэтому в качестве примера лучше всего подходит ситуация, когда электрической энергии было потреблено на 1000 рублей, а полезной работы произведено всего лишь на 700-800 рублей. Таким образом, коэффициент полезного действия в данном случае составит 70-80%, а вся разница превращается в тепловую энергию, которая и нагревает двигатель.

Для охлаждения электродвигателей используются вентиляторы, прогоняющие воздух через специальные зазоры. В соответствии с установленными нормами, двигатели А-класса могут нагреваться до 85-900С, В-класса – до 1100С. Если температура двигателя превышает установленные нормы, это свидетельствует о возможном скором межвитковом замыкании статора.

В зависимости от нагрузки КПД электродвигателя может изменять свое значение:

Для холостого хода – 0;
При 25% нагрузке – 0,83;
При 50% нагрузке – 0,87;
При 75% нагрузке – 0,88;
При полной 100% нагрузке КПД составляет 0,87.

Одной из причин снижения КПД электродвигателя может стать асимметрия токов, когда на каждой из трех фаз появляется разное напряжение. Например, если в 1-й фазе имеется 410 В, во 2-й – 402 В, в 3-й – 288 В, то среднее значение напряжения составит (410+402+388)/3 = 400 В. Асимметрия напряжения будет иметь значение: 410 – 388 = 22 вольта. Таким образом, потери КПД по этой причине составят 22/400 х 100 = 5%.

Падение КПД и общие потери в электродвигателе

Существует множество негативных факторов, под влиянием которых складывается количество общих потерь в электрических двигателях. Существуют специальные методики, позволяющие заранее их определить. Например, можно определить наличие зазора, через который мощность частично подается из сети к статору, и далее – на ротор.

Потери мощности, возникающие в самом стартере, состоят из нескольких слагаемых. В первую очередь, это потери, связанные с вихревыми токами и частичным перемагничиванием сердечника статора. Стальные элементы оказывают незначительное влияние и практически не принимаются в расчет. Это связано со скоростью вращения статора, которая значительно превышает скорость магнитного потока. В этом случае ротор должен вращаться в строгом соответствии с заявленными техническими характеристиками.

Значение механической мощности вала ротора ниже, чем электромагнитная мощность. Разница составляет количество потерь, возникающих в обмотке. К механическим потерям относятся трения в подшипниках и щетках, а также действие воздушной преграды на вращающиеся части.

Для асинхронных электродвигателей характерно наличие дополнительных потерь из-за наличия зубцов в статоре и роторе. Кроме того, в отдельных узлах двигателя возможно появление вихревых потоков. Все эти факторы в совокупности снижают КПД примерно на 0,5% от номинальной мощности агрегата.

При расчете возможных потерь используется и формула КПД двигателя, позволяющая вычислить уменьшение этого параметра. Прежде всего учитываются суммарные потери мощности, которые напрямую связаны с нагрузкой двигателя. С возрастанием нагрузки, пропорционально увеличиваются потери и снижается коэффициент полезного действия.

В конструкциях асинхронных электродвигателей учитываются все возможные потери при наличии максимальных нагрузок. Поэтому диапазон КПД этих устройств достаточно широкий и составляет от 80 до 90%. В двигателях повышенной мощности этот показатель может доходить до 90-96%.

КПД электрического двигателя: разбор устройства и формула электродвигателя

Электродвигатели стали делать много лет назад, но наивысший интерес они пробудили, когда стали заменять двигатели, работающие на бензине. КПД электрического двигателя — это один из важнейших показателей мотора. Он показывает продуктивность работы системы в целом, характеризуя, насколько хорошо механизм преобразует энергию. Показатель уровня полезного действия измеряется в процентах или градируется по шкале от 0 до 1.

Главным толчком к развитию электрических двигателей послужило открытие закона электромагнитной индукции. Он гласит, что индукционный ток двигается так, чтобы оказать противодействие тому, что его вызвало. На этой основе и появился первый электрический двигатель.

Сегодняшнее производство электромоторов происходит согласно этой же теории, но теперешние модели имеют много отличий от первоначальных. Мощность электродвигателей возросла, они стали меньше в размерах, и, что немаловажно, коэффициент полезного действия повысился. Если сравнить его с КПД двигателя внутреннего сгорания, то результат будет далеко не в пользу последнего. Самый большой КПД такого мотора составляет не более 45%.

Основные характеристики работы моторов

Главная функция двигателя — превращение электрической энергии в механическую. КПД является показателем продуктивности выполнения данной функции. Формула КПД электродвигателя строится так:

n = p2/p1,

где p1 — это подведенная электрическая мощность, а p2 — полезная механическая мощность, вырабатываемая электромотором.

Однако, не всё так просто. Функции двигателя и область его использования, многие другие переменные будут уточнять расчет и делать его более индивидуальным.

В чем плюсы электромотора

Существует много преимуществ электрических двигателей над двигателями внутреннего сгорания. Вот некоторые из них:

Высокий КПД.
ДВС тратит примерно половину энергии на нагрев мотора. В случае с электрическим двигателем на это затрачивается совсем небольшое количество энергии.
Электромотор гораздо меньше весит и более компактен. Новый двигатель фирмы Yasa Motors весит всего двадцать пять кг, при этом являясь достаточно мощным.
Долгий срок эксплуатации.
Автомобилям с электрическим двигателем не нужна коробка передач.
Экологичность: машина не производит вредных выбросов в атмосферу. Однако это лишь отчасти правдиво, потому что для получения энергии электростанции используют природные ресурсы — газ, уголь, атомные реакции, и это является вредоносным фактором.

Потеря энергии при нагревании движка

Важную роль в работе электродвигателя играют потери энергии при нагревании двигателя. Наиболее часто падение КПД происходит от естественной теплоотдачи при работе механизма.

Электродвигатель обычно нагревается от трения, а еще из-за электрических и магнитных сил, действующих на него в процессе работы. К примеру, энергозатраты работы мотора составили 100 рублей, а механическая энергия была оценена в 80 рублей. В данном случае КПД электродвигателя будет равен 80%.

Чтобы охладить электрический двигатель, существуют специальные вентиляторы, прогоняющие воздух через работающий мотор и тем самым создающие более оптимальную температуру для его работы.

Степень нагрузки оказывает огромное влияние на работу электродвигателя. Без нагрузки мотор работает с КПД, равным 0%. Если нагрузить двигатель на 25%, то КПД будет равняться 83%. В режиме стопроцентной нагрузки КПД будет равен 87%.

Причины падения эффективности

Существует много показателей, уменьшающих КПД электродвигателя. К счастью, есть способы определить, из-за чего именно упал коэффициент полезного действия. Например, можно отследить наличие зазора, который частично сообщает мощность от электросети к статору, а потом передает на ротор. В стартере также могут быть потери энергии.

Также встречается утечка энергии из-за вихревых токов и перемагничивания сердечников статора. В асинхронном двигателе также встречаются потери из-за зубцов в роторе и статоре. В некоторых узлах мотора могут появиться вихревые токи. По таким причинам КПД может понизиться на половину процента. Асинхронные двигатели строятся с учетом этих особенностей, и КПД в таких моторах составляет от 80 до 90 процентов.

Элементы, влияющие на мощность

Электродвигатели имеют некоторые минусы, которые неудовлетворительно влияют на производительность работы. К числу особо неприятных моментов относят:

слабый электропусковой механизм,
сильный уровень пускового тока;
неслаженность машинного вала с нагрузкой.

Перечисленное приводит к тому, что полезное действие приспособления понижается. Для увеличения результативности стремятся обеспечить нагрузку движка до 75 процентов и повышать пропорции мощности. Также существуют специальные аппараты для регулирования диапазонов подаваемого тока и его мощности, что также ведёт к росту эффективности и КПД.

Одним из наиболее известных устройств для роста отдачи электродвигателя считается механизм мягкого пуска, который ограничивает быстроту роста стартерного тока. Также можно применять и преобразователи частоты для перемены скорости вращения двигателя посредством перемены частоты напряжения. Перечисленное ведёт к уменьшению трат электроэнергии и осуществляет мягкий старт движка, высокую точность балансировки. Кроме того возрастает пусковой момент, а при неустойчивой нагрузке стабилизируется быстрота движения. В итоге производительность двигателя возрастает.

Предельный показатель функциональности

Исходя из разновидности конструкции, коэффициент ПД в электродвигателях может колебаться в пределах 10 — 99 процентов. Все зависит от конкретного типа двигателя. К примеру, отдача двигателя насоса поршневого вида достигает 70−90%. Окончательный эффект зависит от изготовителя, структуры устройства и проч.

То же самое справедливо будет отнести и к КПД двигателя подъемного крана. Когда это значение повышается до 90%, означает, что 90% расходуемой электроэнергии уходит на совершение машинной работы, а оставшиеся проценты — на нагревание деталей. Все же есть особенно успешные модели двигателей, коэффициент ПД которых доходит практически до 100%, однако не равен указанному значению.

Бывает ли значение выше 100%

Всем известно, что электродвигатели, эффективность которых превосходит 100%, невозможны согласно законам природы, поскольку это противоречит главному закону сохранении энергии. Все объясняется тем, что энергия не берется из ниоткуда и никуда не исчезает. Поэтому каждый двигатель имеет необходимость в источнике энергии. Ими могут быть:

топливо;
электричество;
солнечный свет и т. д.

Но при этом ни один из перечисленных источников не вечен, к тому же запасы каждого необходимо аккумулировать. Однако если бы имелся источник энергии, нуждающийся в сборе и аккумуляции, то вполне вероятно было бы создание движка, полезное действие которого было бы более 100%.

Гидроэлектростанция — прототип вечного механизма

Если рассмотреть принцип работы гидроэлектростанции, то можно увидеть, что электричество вырабатывается в ней за счет воды, которая падает с большой высоты. Электроэнергия производится турбиной, которую вращает падающая вода. Вода стремится вниз благодаря земному притяжению.

Оно действует постоянно, не ослабевая и не пропадая. После того как вода выработала некоторое количество энергии, она превращается в пар и естественным образом возвращается в водохранилище. Это может повторяться много раз. Как следствие — электрическая энергия вырабатывается без потери ресурсов.

Солнце нагревает землю, участвуя в испарении воды, гравитация совершает двойную работу, участвуя в падении воды, а также в производстве осадков — ведь именно из-за притяжения земли вода из облаков стремится упасть вниз. В целом получается, что гидроэлектростанция — это механизм, преобразующий энергию падения воды в электрическую с коэффициентом полезного действия больше ста процентов.

Из этого видно, что поиски двигателя с КПД больше 100% небеспочвенны, потому что есть и другие ресурсы, кроме гравитации, которые невозможно исчерпать.

Постоянные магниты — производители электроэнергии

Постоянный магнит может также явиться интересным предметом для получения энергии, ведь она не поступает к нему извне, а магнитное поле остается неизменным даже после того, как работа уже совершена.

Магнит имеет свойство притягивать различные вещи из железа и его сплавов. Притянув к себе некий предмет, он не расходует свою энергию, это просто свойство, которым он обладает и которое не может исчерпать. Поэтому на основе магнитов можно было бы сделать двигатель, близкий к вечному. Безусловно, нельзя не принимать во внимание изнашиваемость деталей, но сам принцип работы магнита создает условия для постоянной работы без растраты средств.

Правда, некоторые ученые считают, что со временем магнит теряет свои свойства. Это непроверенная информация, но не учитывать такой поворот событий тоже нельзя.

На основе магнитов много раз пытались создать подобие вечного двигателя, но пока эти попытки ни к чему не привели. Конечно, хочется верить, что в обозримом будущем учёные сделают прорыв и изобретут двигатель, который будет работать на возобновляемой энергии.

Интересно, что один из отечественных изобретателей — В. Чернышов — недавно продемонстрировал описание мотора, основанного на статичном магните, и его КПД, как удостоверяет сам экспериментатор, равняется более чем 100%.

Коэффициент ПД электродвигателя — это чрезвычайно важный показатель, который обусловливает производительность работы какого-либо движка. Чем его показатель выше, тем эффективнее движок. В моторе с КПД 95% почти вся затрачиваемая мощность расходуется на осуществление работы и всего 5% тратится не на требуемое действие (к примеру, на разогрев частей). Нынешние дизельные двигатели способны добиваться значения КПД 45%. Коэффициент маленький, но тем не менее он считается одним из самых производительных. КПД карбюраторных двигателей, работающих на бензине, еще более низкий.

КПД электродвигателя

КПД и мощность - это то, на что в первую очередь стоит обратить внимание при выборе асинхронного электродвигателя АИР. Суть работы любого эл двигателя заключается в том, что электрическая энергия, с сопутствующими преобразованию потерями, превращается в механическую. Чем меньше потери при протекании данного процесса, тем выше его КПД и тем эффективнее эл двигатель. Но, при всей важности коэффициента полезного действия, не стоит забывать о мощности мотора. Ведь даже при чрезвычайно высоком КПД и выдаваемой им мощности может быть недостаточно для решения необходимых вам задач. Поэтому при покупке очень важно знать не только, чему равен КПД электродвигателя, но и какую полезную мощность он сможет выдать на своем валу. Оба эти значения должны быть указаны производителем. Порой бывает и такое, что нет доступа к паспорту мотора (например, если вы покупаете его “с рук”, что крайне не рекомендуется делать) и приходится самостоятельно вычислять столь важные параметры. Для начала стоит определить: что такое коэффициент полезного действия, или попросту КПД. И так, это отношение полезной работы к затраченной энергии.

Определение КПД электродвигателя

Получается, для того чтобы определить этот параметр необходимо сравнить выдаваемую им энергию с энергией, необходимой ему чтобы функционировать. Вычисляется КПД с помощью выражения:

η=P2/P1 где η - КПД

P2- полезная механическая мощность электромотора, Вт P1- потребляемая двигателем электрическая мощность, Вт;

Коэффициент полезного действия это величина, находящаяся в диапазоне от 0 до 1, чем ближе ее значение к единице, тем лучше. Соответственно, если КПД имеет значение 0,95 - это показывает, что 95 процентов электрической энергии будут преобразованы им в механическую и лишь 5 процентов составят потери. Стоит отметить, что КПД не является постоянной величиной, он может меняться в зависимости от нагрузки, а своего максимума он достигает при нагрузках в районе 80 процентов от номинальной мощности, то есть от той, которую заявил производитель мотора. Современные асинхронные электродвигатели имеют номинальный КПД (заявленные производителем) 0,75 - 0,95. Потери при работе двигателя в основном обусловлены нагревом мотора (часть потребляемой энергии выделяется в виде тепловой энергии), реактивными токами, трением подшипников и другими негативными факторами. Под мощностью мотора понимают механическую мощь, которую он выдает на своем валу. В целом же мощность - это параметр, который показывает, какую работу совершает механизм за определенную единицу времени.

КПД электродвигателя это очень важный параметр определяющий, прежде всего эффективность использования энергоресурсов предприятия. Как известно КПД электродвигателя значительно снижается после его ремонта, об этом мы писали в этой статье. При уменьшении коэффициента полезного действия будут соответственно увеличены потери электроэнергии. В последнее время набирают популярность энергоэффективные электродвигатели разных производителей, в России популярны моторы производства ОАО «Владимирский электромоторный завод». Любые асинхронные электродвигатели представлены в каталоге продукции. Дополнительную полезную информацию Вы можете посмотреть в каталоге статей.

Коэффициент полезного действия двигателя

КПД двигателя равен отношению полезной (механической) мощности Р2 к затраченной (электрической) Р1:

Здесь Р2 в кВт; М – вращающий момент двигателя, Нм; n – частота вращения, об/мин.

Зависимости называютсярабочими характеристиками двигателя. Графически они представлены на рис. 2.4.

Рис. 2.3. Кривая зависимости n=f(Iя) при М=const, U=const

Рис. 2.4. Рабочие характеристики двигателя

Методика проведения лабораторной работы (лаборатория № 221)

Ознакомиться на демонстрационном стенде «Машины постоянного тока» с устройством электродвигателя, а на лабораторном стенде – с приборами, аппаратами и подлежащим испытанию электродвигателем. Записать в отчёт о лабораторной работе технические паспортные данные двигателя.
На рабочей панели стенда «Двигатели постоянного тока» в соответствии с принципиальной схемой (см. рис. 2.5) собрать электрическую цепь для снятия характеристик электродвигателя постоянного тока параллельного возбуждения. Монтаж электрической цепи производить согласно монтажной схеме, указанной на рис. 2.6. В качестве нагрузки на валу испытуемого электродвигателя используется электромагнитный тормоз, тормозной момент которого изменяется при изменении тока в его обмотках возбуждения с помощью регулируемого источника постоянного напряжения. Управление тормозом производится рукояткой «Момент нагрузки электродвигателей», расположенной на панели «Нагрузочные устройства».

Изменение момента на валу и частоты вращения якоря электродвигателя производить измерительными приборами (агрегат 2), расположенными на приборной панели.

Перед пуском исследуемого электродвигателя необходимо убедиться в том, что:

а) сопротивление пускового реостата полностью введено (ручка пускового реостата находится в крайнем левом положении – цепь якоря двигателя разомкнута;

б) сопротивление реостата в цепи обмотки возбуждения электродвигателя полностью выведено (ручка реостата «Регулировка возбуждения» находится в крайнем правом положении);

в) напряжение, подводимое к цепи обмотки возбуждения электромагнитного тормоза, равно нулю (ручка «Момент нагрузки электродвигателя» находится в крайнем левом положении);

Рис. 2.5. Принципиальная электрическая схема лабораторной установки

г) значение питающего напряжения электродвигателя установлено равным номинальному его значению Uном=220 В. Установка питающего напряжения производится кнопками «» и «» панели «Нагрузочные устройства» при предварительно нажатой кнопки «Вкл» на панели «Машины постоянного тока»;

д) нажатием кнопки «Агрегат № 2» на панели «Нагрузочные устройства» включено напряжение питания электрической цепи измерения момента и частоты вращения якоря электродвигателя.

Произвести пуск электродвигателя плавным переключением пускового реостата из положения «1» в положение «7» с выдержкой времени в каждом промежуточном положении в течение 1 – 1,5 с. После окончания процесса пуска, когда частота вращения якоря двигателя принимает установившееся значение, пусковой реостат полностью должен быть выведен (рукоятка пускового реостата должна быть в крайнем правом положении – положение «7»).
Снять механическую n=f1(М), частотную n=f2(Iя) и рабочие характеристики электродвигателя: М=f3(P2), n=f4(P2), Iя=f5(P2) и=f5(P2) при U=Uном=const и Iв=Iв.ном=const:

а) осуществить нагрузку электродвигателя с помощью электромагнитного тормоза; изменение момента электромагнитного тормоза должно производиться плавно; в начале опыта устанавливается ток возбуждения, при котором при номинальном питающем напряжении и токе, потребляемом двигателем, частота вращения якоря равна номинальной; это значение тока возбуждения двигателя принимается равным номинальному; в процессе проведения опыта этот ток необходимо поддерживать неизменным;

б) первые точки характеристик снимаются при холостом ходе электродвигателя, т.е. при уменьшенном до нуля моменте электромагнитного тормоза;

в) постепенно нагружая электродвигатель до значения тока, равного I=1,2Iном, произвести регистрацию показаний всех измерительных приборов для 6–7 точек (включая точку номинального режима). Данные наблюдений записать в табл. 2.1.

Обработка результатов измерений:

а) по результатам измерений п. 4 построить механическую n=f1(М) и частотную n=f2(Iя) характеристики электродвигателя;

б) по результатам измерений и вычислений п.4 построить в одной координатной системе рабочие характеристики двигателя, т.е. зависимости момента М, частоты вращения якоря n, тока якоря Iяи КПД от полезной мощности P2на валу электродвигателя при постоянном номинальном значении напряжения U=Uн=const и постоянном токе возбуждения, равном номинальному его значению.

Таблица 2.1

№ измерений

Измерения

Вычисления

Iя,

Iв,

М,

Н м

об/мин

P1,

Вт

P2,

Вт

,





Вычислить расчётное значение следующих величин:

тока, потребляемого электродвигателем:

;

мощности, потребляемой электродвигателем:

P1 = U I;

полезной мощности на валу электродвигателя:

P2= 0,105 M n,

где Р2– мощность, Вт; М – момент, Н м (1 кГм = 9,81 Н м); n – частота вращения якоря, об/мин;

коэффициента полезного действия электродвигателя:

Сделать и записать выводы по работе.

Контрольные вопросы

Объясните принцип действия двигателя постоянного тока.
Почему в момент пуска ток якоря двигателя в несколько раз больше номинального значения и уменьшается в процессе пуска?
Как осуществляют пуск двигателя?
Какова зависимость вращающего момента двигателя от тока якоря?
Каким путём регулируют частоту вращения двигателя?
Каким путём осуществляется реверсирование двигателя?
Начертите рабочие характеристики двигателя.
Определите по данным паспорта двигателя его номинальный вращающий момент.
Объясните понятие противо-ЭДС?

Литература

[1, с. 465-488; 2, с.332–376; 3, с. 172–188].

Список используемой литературы

Гольдберг О. Д. , Хелемская С. П. Электромеханика. – М.: Академия, 2007. – 512 с.
Касаткин А.С., Немцов М.В. Курс электротехники. – М.:Высшая школа, 2009. – 542 с.
Рекус Г.Г., Чесноков В.Н. Лабораторный практикум по электротехнике и основам электроники. – М.: Высшая школа, 2001. –256 с.

Содержание

Введение 3

Лабораторная работа №1. Генераторы постоянного тока 4

Лабораторная работа №2. Двигатель постоянного тока 18

Список используемой литературы 26

Смотрите также

"Питер - АТ"
ИНН 780703320484
ОГРНИП 313784720500453

Новости

Отзывы о Питер-АТ

Спасибо нашим клиентам за отзывы о нас:
repmy.ru
Отзывы на Яндексе
Акция на ремонт вариаторных трансмиссий
Замена масла в двигателе в подарок

При замене масла в АКПП замена масла в двигателе бесплатно!
Клиенту на заметку

Как не попасть на некачественный ремонт АКПП.
Контрактные АКПП в СПб