Inżynieria silnikowa / Analiza wydajności
Ukryty koszt świecenia
Przy niskiej prędkości i częściowym obciążeniu an Silnik prądu przemiennego po cichu oddaje wydajność, której nigdy nie odzyskuje — przyjrzyj się, dokąd faktycznie trafia ta moc i co z tym zrobić.
Bezpośrednia odpowiedź: dlaczego wydajność spada przy niskiej prędkości i częściowym obciążeniu
Silnik prądu przemiennego staje się mniej wydajny przy niskich prędkościach lub przy częściowym obciążeniu, ponieważ straty stałe — straty w rdzeniu, tarcie i nawiew — pozostają prawie stałe niezależnie od mocy wyjściowej , więc zużywają coraz większą część całkowitej mocy wejściowej w miarę spadku użytecznej mocy wyjściowej. Jednocześnie chłodzone samoczynnie silniki prądu przemiennego tracą przepływ powietrza z wentylatorów zamontowanych na wale wraz ze spadkiem prędkości, redukując rozpraszanie ciepła dokładnie wtedy, gdy straty wewnętrzne są proporcjonalnie większe. Rezultatem jest silnik, którego sprawność spada z ponad 90% przy pełnym obciążeniu do poniżej 70% przy małym obciążeniu, w zależności od rozmiaru i konstrukcji.
W poniższych sekcjach wyjaśniono konkretne mechanizmy stojące za tym spadkiem, używając konkretnych liczb, i omówiono, co w praktyce można z tym zrobić, jeśli w danej aplikacji silnik prądu przemiennego regularnie pracuje poza jego wartością znamionową.
Naprawione straty nie zmniejszają się przy zmniejszonej wydajności
Każdy silnik prądu przemiennego ma kategorię strat, które pozostają zasadniczo stałe niezależnie od tego, jak lekko jest obciążony: straty w rdzeniu (żelazie) spowodowane namagnesowaniem stojana, tarcie w łożyskach i uzwojenie wirnika wirującego w powietrzu. Straty te są w dużej mierze zależne od konstrukcji silnika oraz jego napięcia znamionowego i częstotliwości, a nie od obciążenia mechanicznego, które napędza.
Silnik prądu przemiennego
Dlaczego to szkodzi wydajności przy częściowym obciążeniu
Wydajność to po prostu użyteczna moc wyjściowa podzielona przez całkowitą moc wejściową. Kiedy obciążenie – a co za tym idzie – moc wyjściowa – spada, stałe straty pozostają takie same w wartościach bezwzględnych, ale stanowią znacznie większy procent całości. Silnik, który przegrywa 5% mocy znamionowej do stałych strat przy pełnym obciążeniu może stracić 15% do 20% znacznie mniejszego wkładu przy obciążeniu 25%, ponieważ licznik (straty) prawie się nie zmienia, podczas gdy mianownik (wyjście) drastycznie się kurczy.
- Straty w rdzeniu zależą od gęstości strumienia, która jest powiązana z napięciem, a nie obciążeniem
- Straty tarcia i nawiewu zależą od prędkości, a nie od dostarczonego momentu obrotowego
- W typowym silniku indukcyjnym średniej wielkości może wystąpić spadek wydajności 10 do 15 punktów procentowych od 100% do 25% obciążenia
Straty poślizgowe zwiększają się w stosunku do pracy użytecznej przy niewielkim obciążeniu
Silniki indukcyjne działają na zasadzie poślizgu — różnicy między prędkością synchroniczną a rzeczywistą prędkością wirnika. Poślizg indukuje prąd w wirniku i wytwarza moment obrotowy, ale reprezentuje także marnowaną moc zamienianą na ciepło w prętach wirnika, a nie moc mechaniczną. Przy małym obciążeniu bezwzględne straty poślizgu są mniejsze, ale straty miedzi w wirniku i stojanie (straty I²R) nie spadają liniowo wraz z obciążeniem, ponieważ prąd magnesowania pozostaje prawie stały nawet wtedy, gdy prąd wytwarzający moment obrotowy spada.
Problem prądu magnesującego
Informacje
Silnik prądu przemiennego pobiera prąd magnesujący w celu ustalenia swojego pola magnetycznego niezależnie od obciążenia mechanicznego. Ten prąd może reprezentować 25% do 40% prądu pełnego obciążenia nawet gdy silnik jest zasadniczo nieobciążony i nadal generuje ciepło I²R w uzwojeniach. Ciepło to jest prawdziwą stratą bez odpowiedniej mocy mechanicznej, co bezpośrednio obniża wydajność przy częściowym obciążeniu.
Wydajność chłodzenia spada dokładnie wtedy, gdy jest potrzebna
Większość standardowych silników prądu przemiennego wykorzystuje do chłodzenia wentylator montowany na wale, co oznacza, że przepływ powietrza jest wprost proporcjonalny do prędkości wału. Kiedy silnik zwalnia — czy to mechanicznie, czy poprzez redukcję częstotliwości w konfiguracji silnika prądu przemiennego o zmiennej prędkości — wentylator chłodzący przepuszcza mniej powietrza dokładnie w momencie, gdy straty wewnętrzne, wyrażone jako procent mocy, rosną. Stwarza to złożony problem: straty wydajności generują ciepło, a własny układ chłodzenia silnika staje się mniej zdolny do usuwania tego ciepła.
Praktyczne konsekwencje dla pracy przy niskich prędkościach
Ostrzeżenie
Producenci często określają minimalną ciągłą prędkość roboczą – zwykle ok 20% do 30% prędkości znamionowej — poniżej którego samochłodzony silnik jest narażony na ryzyko przegrzania nawet przy zmniejszonym obciążeniu, po prostu dlatego, że nie ma wystarczającego przepływu powietrza, aby odprowadzić ciepło. Praca poniżej tego progu przez dłuższy czas może skrócić żywotność izolacji i spowodować zadziałanie zabezpieczenia termicznego.
Współczynnik mocy gwałtownie spada przy częściowym obciążeniu
Współczynnik mocy jest ściśle powiązany ze sprawnością układów silników prądu przemiennego i zmniejsza się zauważalnie wraz ze spadkiem obciążenia. Silnik pracujący ze współczynnikiem mocy wynoszącym 0,85 do 0,90 przy pełnym obciążeniu może spaść do 0,4 do 0,6 przy 25% obciążeniu , ponieważ prąd magnesujący (bierny) pozostaje w przybliżeniu stały, podczas gdy rzeczywisty pobór mocy spada. Oznacza to, że silnik pobiera więcej prądu, niż jest to konieczne w stosunku do pracy użytecznej, którą wykonuje, co zwiększa straty rezystancyjne w uzwojeniach silnika i okablowaniu poprzedzającym.
Dlaczego to pogłębia problem wydajności
Niższy współczynnik mocy nie tylko wpływa na rachunki za media poprzez opłaty za zapotrzebowanie, ale także zwiększa straty I²R w całym systemie dystrybucji energii elektrycznej zasilającym silnik. W przypadku obiektów, w których jednocześnie pracuje wiele częściowo obciążonych silników, ten skumulowany efekt może znacząco zwiększyć całkowite zużycie energii ponad to, co sugerowałaby sama wydajność silnika z tabliczki znamionowej.
Konstrukcjom jednofazowych silników prądu przemiennego grożą dodatkowe kary
A jednofazowy silnik prądu przemiennego jest z natury mniej wydajny przy niskiej prędkości i częściowym obciążeniu niż jego trójfazowy odpowiednik, głównie ze względu na sposób, w jaki generuje wirujące pole magnetyczne. Wiele konstrukcji jednofazowych opiera się na uzwojeniach pomocniczych, kondensatorach rozruchowych lub zacienionych biegunach w celu wytworzenia rotacji, a elementy te wprowadzają dodatkowe straty, które nie zmniejszają się proporcjonalnie przy zmniejszonym obciążeniu. Pulsujący moment obrotowy charakterystyczny dla pracy jednofazowej powoduje również dodatkowe straty mechaniczne w wyniku wibracji i nierównomiernego nagrzewania wirnika, szczególnie widoczne, gdy silnik pracuje znacznie poniżej prędkości znamionowej.
Porównanie wydajności według typu silnika
Trójfazowe silniki indukcyjne zazwyczaj zachowują rozsądną sprawność do około 50% obciążenia, zanim nastąpi gwałtowny spadek. Jednofazowy silnik prądu przemiennego często wykazuje bardziej wyraźny spadek wydajności, zaczynając od 75% obciążenia w dół, ponieważ jego uzwojenia rozruchowe i robocze zostały zoptymalizowane pod kątem węższego pasma roboczego wokół warunków znamionowych.
Jak przemienniki częstotliwości wpływają na wydajność przy niskich prędkościach
Łączenie silnika prądu przemiennego z przetwornicą częstotliwości w celu utworzenia silnik prądu przemiennego o zmiennej prędkości system wprowadza własne rozważania dotyczące wydajności przy niskiej prędkości. Większość napędów wykorzystuje sterowanie woltami na herc, redukując jednocześnie napięcie i częstotliwość, aby utrzymać stały strumień. Pomaga to w pewnym stopniu ograniczyć straty w rdzeniu przy niskiej prędkości, ale sam napęd ma straty przełączania, które stanowią większy procent (teraz mniejszej) całkowitej przetwarzanej mocy, a każdy zewnętrzny wentylator chłodzący dodany w celu kompensacji zmniejszonego przepływu powietrza napędzanego przez wał zużywa dodatkową energię, która nie ma bezpośredniego wpływu na wydajność silnika.
Ogólny widok systemu
Oceniając konfigurację silnika prądu przemiennego o zmiennej prędkości, ważne jest, aby przyjrzeć się łącznej sprawności napędu i silnika, a nie samej sprawności silnika. Napęd może mieć sprawność od 96% do 98% przy pełnej mocy, ale wartość ta zazwyczaj spada również przy niskiej prędkości i niewielkim obciążeniu, nakładając się na zmniejszoną wydajność silnika w tym obszarze pracy.
Typowe zachowanie w zakresie wydajności w całym zakresie obciążenia
| Poziom obciążenia | Typowa wydajność | Typowy współczynnik mocy |
|---|---|---|
| 100% obciążenia | 88% - 94% | 0,85 - 0,90 |
| 75% obciążenia | 87% - 92% | 0,80 - 0,85 |
| 50% obciążenia | 82% - 88% | 0,65 - 0,75 |
| 25% obciążenia | 65% - 78% | 0,40 - 0,55 |
Praktyczne kroki mające na celu poprawę wydajności przy niskim obciążeniu
Jeśli w Twojej aplikacji regularnie pracuje silnik prądu przemiennego poniżej znamionowego obciążenia lub prędkości, kilka praktycznych środków może zmniejszyć spadek wydajności:
- Należy dobrać odpowiedni rozmiar silnika do typowego obciążenia roboczego, zamiast dopasowywać go do rzadkich warunków szczytowych
- Użyj odpowiednio skonfigurowanego napędu silnika prądu przemiennego o zmiennej prędkości ze sterowaniem zoptymalizowanym pod kątem strumienia przy niskiej prędkości, zamiast prostego skalowania woltów na herc
- Dodaj wymuszone chłodzenie zewnętrzne w przypadku silników, które muszą pracować nieprzerwanie z niską prędkością, ponieważ wentylatory napędzane wałem tracą skuteczność poniżej znamionowych obrotów na minutę
- Zainstaluj kondensatory do korekcji współczynnika mocy, jeśli wiele lekko obciążonych silników pracuje w tym samym układzie elektrycznym
- Weź pod uwagę konstrukcje silników o najwyższej lub wysokiej sprawności, które generalnie utrzymują lepsze krzywe sprawności w szerszym zakresie obciążeń
Sukces
Dopasowanie rozmiaru silnika do rzeczywistego cyklu pracy, wybór właściwej strategii sterowania oraz bezpośrednie zajęcie się chłodzeniem i współczynnikiem mocy to najskuteczniejsze sposoby minimalizacji utraty wydajności w rzeczywistych warunkach pracy.
Ostateczny wniosek dotyczący wydajności przy niskiej prędkości i przy częściowym obciążeniu
Spadek wydajności silników prądu przemiennego przy niskiej prędkości i częściowym obciążeniu nie jest wadą żadnego pojedynczego elementu, ale łącznym skutkiem utrzymywania się stałych strat, utrzymywania się wysokiego prądu magnesowania, zmniejszania się przepływu powietrza chłodzącego wraz z prędkością i pogarszania się współczynnika mocy wraz ze spadkiem rzeczywistego zapotrzebowania na moc. Efekt ten jest najbardziej widoczny w przypadku jednofazowego silnika prądu przemiennego ze względu na jego z natury węższy zakres sprawności roboczej i wymaga szczególnej uwagi podczas projektowania lub określania specyfikacji układu silnika prądu przemiennego o zmiennej prędkości, ponieważ sprawność napędu nakłada się na sprawność silnika w tym samym obszarze niskiego obciążenia. Dopasowanie rozmiaru silnika do rzeczywistego cyklu pracy, wybór właściwej strategii sterowania oraz bezpośrednie zajęcie się chłodzeniem i współczynnikiem mocy to najskuteczniejsze sposoby minimalizacji utraty wydajności w rzeczywistych warunkach pracy.
++86 13524608688
