Електрическите двигатели се появиха доста отдавна, но голям интерес към тях се появи, когато започнаха да представляват алтернатива на двигателите с вътрешно горене. Особен интерес представлява въпросът за ефективността на електродвигателя, който е една от основните му характеристики.
Всяка система има някакъв вид ефективност, която характеризира ефективността на нейната работа като цяло. Тоест, той определя колко добре дадена система или устройство доставя или преобразува енергия. По стойност ефективността няма стойност и най-често се представя като процент или число от нула до единица.
Параметри на ефективност в електрически двигатели
Основната задача на електрическия двигател е да преобразува електрическата енергия в механична. Ефективността определя ефективността на тази функция. Формулата за ефективност на двигателя е както следва:
n=p2/p1
В тази формула p1 е доставената електрическа мощност, p2 е полезната механична мощност, която се генерира директнодвигател. Електрическата мощност се определя по формулата: p1=UI (напрежение, умножено по ток), а стойността на механичната мощност по формулата P=A/t (отношението на работа към единица време). Ето как изглежда изчисляването на ефективността на електродвигателя. Това обаче е най-простата част от него. В зависимост от предназначението на двигателя и неговия обхват, изчислението ще се различава и ще вземе предвид много други параметри. Всъщност формулата за ефективност на двигателя включва много повече променливи. Най-простият пример беше даден по-горе.
Намалена ефективност
Механичната ефективност на електрическия двигател трябва да се вземе предвид при избора на двигател. Загубите, свързани с нагряването на двигателя, намаляването на мощността и реактивните токове, играят много важна роля. Най-често спадът в ефективността е свързан с отделянето на топлина, което естествено се случва по време на работа на двигателя. Причините за отделянето на топлина могат да бъдат различни: двигателят може да се загрее по време на триене, както и поради електрически и дори магнитни причини. Като най-прост пример можем да цитираме ситуация, при която 1000 рубли бяха изразходвани за електрическа енергия, а работата беше извършена за 700 рубли. В този случай ефективността ще бъде равна на 70%.
За охлаждане на електродвигателите се използват вентилатори, които прокарват въздуха през създадените празнини. В зависимост от класа на двигателите, отоплението може да се извърши до определена температура. Например двигателите от клас А могат да се нагорещятдо 85-90 градуса, клас B - до 110 градуса. В случай, че температурата надвиши допустимата граница, това може да означава късо съединение на статора.
Средна ефективност на електрически двигатели
Заслужава да се отбележи, че ефективността на DC (и AC) двигател варира в зависимост от натоварването:
- Ефективността е 0% на празен ход.
- При 25% натоварване ефективността е 83%.
- При 50% натоварване ефективността е 87%.
- При 75% натоварване ефективността е 88%.
- При 100% натоварване ефективността е 87%.
Една от причините за спада на ефективността е асиметрията на токовете, когато към всяка от трите фази се прилага различно напрежение. Ако например първата фаза има напрежение 410 V, втората - 403 V, а третата - 390 V, тогава средната стойност ще бъде 401 V. Асиметрията в този случай ще бъде равна на разликата между максимално и минимално напрежение на фазите (410 -390), тоест 20 V. Формулата за ефективност на двигателя за изчисляване на загубите ще изглежда така в нашата ситуация: 20/401100=4,98%. Това означава, че губим 5% ефективност по време на работа поради разликата в напрежението във фазите.
Общи загуби и спад в ефективността
Има много негативни фактори, които влияят на спада в ефективността на електрическия двигател. Има определени методи, които ви позволяват да ги определите. Например, можете да определите дали има пролука, през която мощността се прехвърля частично от мрежата към статора и след това към ротора.
Стартовите загуби също се появяват и те се състоят от няколкостойности. На първо място, това могат да бъдат загуби, свързани с вихрови токове и премагнетизиране на сърцевината на статора.
Ако двигателят е асинхронен, тогава има допълнителни загуби поради зъбите в ротора и статора. Вихрови токове могат да се появят и в отделни компоненти на двигателя. Всичко това като цяло намалява ефективността на електродвигателя с 0,5%. При асинхронните двигатели се вземат предвид всички загуби, които могат да възникнат по време на работа. Следователно, диапазонът на ефективност може да варира от 80 до 90%.
Автомобилни двигатели
Историята на развитието на електродвигателите започва с откриването на закона за електромагнитната индукция. Според него индукционният ток винаги се движи така, че да противодейства на причината, която го причинява. Именно тази теория формира основата за създаването на първия електродвигател.
Модерните модели са базирани на същия принцип, но коренно различни от първите екземпляри. Електрическите двигатели са станали много по-мощни, по-компактни, но най-важното е, че тяхната ефективност се е увеличила значително. Вече писахме по-горе за ефективността на електрическия двигател и в сравнение с двигател с вътрешно горене това е невероятен резултат. Например, максималната ефективност на двигател с вътрешно горене достига 45%.
Предимства на електродвигателя
Високата ефективност е основното предимство на такъв мотор. И ако двигател с вътрешно горене изразходва повече от 50% от енергията за отопление, тогава в електрическия двигател малка част се изразходва за отоплениеенергия.
Второто предимство е лекото тегло и компактен размер. Например, Yasa Motors създаде двигател с тегло само 25 кг. Той е в състояние да достави 650 Nm, което е много приличен резултат. Също така, такива двигатели са издръжливи, не се нуждаят от скоростна кутия. Много собственици на електрически автомобили говорят за ефективността на електрическите двигатели, което е логично до известна степен. В края на краищата, по време на работа, електрическият двигател не отделя никакви продукти от горенето. Много шофьори обаче забравят, че е необходимо да се използват въглища, газ или обогатен уран за генериране на електроенергия. Всички тези елементи замърсяват околната среда, така че екологосъобразността на електрическите двигатели е много спорен въпрос. Да, не замърсяват въздуха по време на работа. За тях електроцентралите правят това при производството на електроенергия.
Подобрете ефективността на електрическите двигатели
Електрическите двигатели имат някои недостатъци, които имат лош ефект върху ефективността на работа. Това са слаб пусков момент, висок пусков ток и несъответствие между механичния въртящ момент на вала и механичното натоварване. Това води до факта, че ефективността на устройството намалява.
За да подобрят ефективността, те се опитват да натоварят двигателя до 75% или повече и да увеличат факторите на мощността. Има и специални устройства за регулиране на честотата на подавания ток и напрежение, което също води до повишена ефективност и повишена ефективност.
Едно от най-популярните устройства за повишаване на ефективността на електрическия двигател е плавнотостарт, което ограничава скоростта на нарастване на пусковия ток. Също така е подходящо да се използват честотни преобразуватели за промяна на скоростта на въртене на двигателя чрез промяна на честотата на напрежението. Това води до намаляване на консумацията на енергия и осигурява плавен старт на двигателя, висока точност на настройка. Началният въртящ момент също се увеличава, а при променливо натоварване скоростта на въртене се стабилизира. В резултат на това ефективността на електродвигателя се подобрява.
Максимална ефективност на двигателя
В зависимост от типа конструкция, ефективността на електродвигателите може да варира от 10 до 99%. Всичко зависи от това какъв двигател ще бъде. Например, ефективността на бутален двигател на помпа е 70-90%. Крайният резултат зависи от производителя, дизайна на устройството и т. н. Същото може да се каже и за ефективността на двигателя на крана. Ако е равно на 90%, това означава, че 90% от консумираната електроенергия ще се използва за извършване на механична работа, останалите 10% ще се използват за нагряване на части. Все пак има най-успешните модели електродвигатели, чиято ефективност се доближава до 100%, но не е равна на тази стойност.
Възможно ли е да се постигне над 100% ефективност?
Не е тайна, че електрически двигатели, чиято ефективност надвишава 100% не могат да съществуват в природата, тъй като това противоречи на основния закон за запазване на енергията. Факт е, че енергията не може да дойде от нищото и да изчезне по същия начин. Всеки двигател има нуждаизточник на енергия: бензин, електричество. Бензинът обаче не е вечен, както електричеството, защото запасите им трябва да се попълват. Но ако имаше източник на енергия, който не трябваше да се попълва, тогава би било напълно възможно да се създаде двигател с ефективност над 100%. Руският изобретател Владимир Чернишов показа описание на двигателя, който се основава на постоянен магнит, а неговата ефективност, както самият изобретател уверява, е повече от 100%.
Хидроелектрик като пример за вечен двигател
За пример да вземем водноелектрическа централа, където енергията се генерира от падане от голяма височина на водата. Водата върти турбината, която произвежда електричество. Падането на водата се извършва под въздействието на гравитацията на Земята. И въпреки че работата по производството на електричество се извършва, гравитацията на Земята не става по-слаба, тоест силата на привличане не намалява. След това водата се изпарява под действието на слънчевата светлина и отново влиза в резервоара. Това завършва цикъла. В резултат на това е генерирана електроенергия и разходите за производството й са възстановени.
Разбира се, можем да кажем, че Слънцето не е вечно, вярно е, но ще продължи няколко милиарда години. Що се отнася до гравитацията, тя непрекъснато върши работа, извличайки влагата от атмосферата. Най-общо казано, водноелектрическата централа е двигател, който преобразува механичната енергия в електрическа, като ефективността му е повече от 100%. Това дава да се разбере, че не си струва да спирате да търсите начини за създаване на електрически двигател, чиято ефективност може да бъде повече от 100%. В крайна сметка не само гравитацията може да се използва като неизчерпаем източникенергия.
Постоянни магнити като източници на енергия за двигатели
Вторият интересен източник е постоянен магнит, който не получава енергия от никъде, а магнитното поле не се изразходва дори при работа. Например, ако магнит привлече нещо към себе си, тогава той ще свърши работата и магнитното му поле няма да стане по-слабо. Това свойство вече е изпробвано повече от веднъж за създаване на така наречения вечен двигател, но досега нищо повече или по-малко нормално не се е получило от него. Всеки механизъм ще се износи рано или късно, но самият източник, който е постоянен магнит, е практически вечен.
Въпреки това, има експерти, които казват, че с времето постоянните магнити губят силата си в резултат на стареенето. Това не е вярно, но дори и да беше вярно, тогава би било възможно да го върнем към живот само с един електромагнитен импулс. Двигател, който изисква презареждане веднъж на всеки 10-20 години, въпреки че не може да твърди, че е вечен, е много близо до това.
Вече има много опити за създаване на вечен двигател, базиран на постоянни магнити. Досега нямаше успешни решения, за съжаление. Но предвид факта, че има търсене на такива двигатели (просто не може да има), е напълно възможно в близко бъдеще да видим нещо, което ще се доближи много до модела на вечен двигател, който ще се захранва от възобновяема енергия.
Заключение
Ефективността на електродвигателя е най-важният параметър, който определя ефективността на конкретен двигател. Колкото по-висока е ефективността, толкова по-добър е двигателят. В двигател с ефективност от 95%, почти всичкиизразходваната енергия се изразходва за извършване на работа и само 5% се изразходват не за нужда (например за отопление на резервни части). Съвременните дизелови двигатели могат да достигнат ефективност от 45% и това се счита за страхотен резултат. Ефективността на бензиновите двигатели е още по-ниска.
