Работа электрического двигателя и кпд электромотора

ФИЗИКА

§ 24. КПД теплового двигателя

Любой тепловой двигатель превращает в механическую энергию только незначительную часть энергии, которая выделяется топливом. Большая часть энергии топлива не используется полезно, а теряется в окружающем пространстве.

Тепловой двигатель состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника. Газ или пар, который является рабочим телом, получает от нагревателя некоторое количество теплоты.

Рабочее тело, нагреваясь, расширяется и совершает работу за счёт своей внутренней энергии. Часть энергии передаётся атмосфере — холодильнику — вместе с отработанным паром или выхлопными газами.

Рис. 29

Очень важно знать, какую часть энергии, выделяемой топливом, тепловой двигатель превращает в полезную работу. Чем больше эта часть энергии, тем двигатель экономичнее

Для характеристики экономичности различных двигателей введено понятие коэффициента полезного действия двигателя — КПД.

Отношение совершённой полезной работы двигателя к энергии, полученной от нагревателя, называют коэффициентом полезного действия теплового двигателя.

Коэффициент полезного действия обозначают η (греч. буква «эта»).

КПД теплового двигателя определяют по формуле

где А_п — полезная работа, Q₁ — количество теплоты, полученное от нагревателя, Q₂ — количество теплоты, отданное холодильнику, Q₁ — Q₂ — количество теплоты, которое пошло на совершение работы. КПД выражается в процентах.

Например, двигатель из всей энергии, выделившейся при сгорании топлива, расходует на совершение полезной работы только одну четвёртую часть. Тогда коэффициент полезного действия двигателя равен ¼, или 25% .

КПД двигателя обычно выражают в процентах. Он всегда меньше единицы, т. е. меньше 100% . Например, КПД двигателей внутреннего сгорания 20—40%, паровых турбин — немногим выше 30%.

Вопросы

1. Почему в тепловых двигателях только часть энергии топлива превращается в механическую энергию?
2. Что называют КПД теплового двигателя?
3. Почему КПД двигателя не может быть не только больше 100%, но и равен 100%?
4. Какой такт работы двигателя внутреннего сгорания изображён на рисунке 29?

Упражнение 17

1. Можно ли за счёт внутренней энергии тела, равной 200 Дж, совершить механическую работу в 200 Дж?
2. Тепловая машина за цикл получает от нагревателя количество теплоты, равное 155 Дж, а холодильнику отдаёт количество теплоты, равное 85 Дж. Определите КПД машины.
3. Определите количество теплоты, отданное двигателем внутреннего сгорания холодильнику, если его КПД равен 30%, а полезная работа равна 450 Дж.

Задание

Подготовьте доклад на одну из тем (по выбору). История изобретения паровых машин.

• История изобретения турбин.
• Первые паровозы Стефенсона и Черепановых.
• Достижения науки и техники в строительстве паровых турбин.
• Использование энергии Солнца на Земле.

От чего зависит КПД дизельного двигателя

Если сравнивать эффективность бензинового и дизельного моторов, выяснится, что второй обладает лучшими показателями:

• замечено, что, бензиновые двигатели преобразуют только одну четвертую часть использованной энергии в механическую работу;
• в то время, как дизельные – 40% соответственно;
• при установке турбонаддува в дизеле, КПД газотурбинного двигателя возрастает до 50 и более процентов.

Конструкция и принцип работы дизелей способствуют наибольшей эффективности в сравнении с карбюраторными двигателями. Причины лучшего КПД дизельного двигателя:

1. Более высокий показатель степени сжатия.
2. Воспламенение топлива происходит по другому принципу.
3. Корпусные детали нагреваются меньше.
4. Благодаря меньшему количеству клапанов, снижены расходы энергии на преодоление сил трения.
5. В конструкции дизеля отсутствуют привычные свечи, катушки зажигания, на которые требуется дополнительная энергия от электрогенератора.
6. Коленчатый вал дизеля раскручивается с меньшими оборотами.

В сравнении с дизелями, электрические двигатели считаются более эффективными. Двигатель с самым большим КПД – это электрический. При создании более долговечных аккумуляторных батарей, которым не страшны морозы, автомобильная промышленность постепенно перейдет на выпуск электромобилей в больших количествах.

Методика и порядок измерений

Идеальные условия можно рассматривать только в теории. Для корректной оценки замкнутой системы необходимо учитывать энергетические потери на выполнение необходимой работы. Ниже показано, как определить КПД механических силовых агрегатов с применением разных исходных данных.

Движению поршня в блоке цилиндров двигателя внутреннего сгорания препятствует сила трения. Поступательно-возвратные движения в ходе стандартного цикла преобразуются во вращение вала с дополнительными потерями. Высокая температура не выполняет в данном случае полезные функции. Чтобы не допустить разрушения агрегата, необходимо поддерживать определенный тепловой режим. Приходится обеспечить циркуляцию охлаждающей жидкости с помощью помпы.

Понятно, что в подобном случае сделать общий КПД расчет с учетом каждого компонента конструкции непросто. Однако можно узнать в ходе эксперимента с высокой точностью, какое количество топлива (масса – m) придется затратить на 100 км пробега машины за соответствующее время (t). Далее нужно взять из сопроводительной документации (справочников) следующие данные:

• мощность мотора – Рм;
• удельную теплоту бензина – У.

В этом варианте для расчета КПД двигателя формула преобразуется следующим образом:

Для отображения результата в % итоговое значение умножают на 100.

Если мощность силового агрегата не известна, определять эффективность можно по массе авто (Mа). Измерять ее несложно с помощью промышленных весов (на станции техосмотра, элеваторе). В ходе эксперимента разгоняются с места до контрольной скорости (v). Массу топлива вычисляют по объему (переведенному из литров в м кв.), который умножают на плотность (справочная величина в кг на куб. м).

В этом случае КПД расчет находят по формуле:

η = (Mа * v2)/(2 * У * m).

Следует перевести предварительно скорость из км/час в м/с.

Проще измеряется эффективность электродвигателя с паспортной мощностью (P). Его подключают к источнику питания с известным напряжением (U). После выхода на стабильную частоту вращения фиксируют значение тока (I) в цепи. Далее применяют классическую формулу:

Если сопроводительная документация отсутствует, технические параметры берут с официального сайта производителя. Однако и в этом случае следует понимать ограниченную точность подобных данных. В процессе эксплуатации характеристики могут ухудшиться за счет естественного износа. Погрешность увеличивается после длительной интенсивной эксплуатации, при подключении редуктора или другого переходного устройства.

Значительно улучшить точность можно с применением простой методики:

• устанавливают на вал шкив с закрепленным тросом;
• поднимают на контрольную высоту (h) груз c массой m;
• секундомером фиксируют время (t) на выполнение этой работы;
• мультиметром измеряют напряжение (U) и силу тока (I) на клеммах источника питания и в разрыве цепи, соответственно.

Для нахождения КПД в физике формула выглядит следующим образом:

η = (m * h * g)/(I * U * t),

где g – это гравитационная постоянная (9,80665).

Эффективность любого силового агрегата определяют по соотношению полезной работы к расходованной энергии. Чтобы корректно определять класс техники, пользуются переводом в проценты. Следует подчеркнуть, что значение больше 100% обозначает ошибку в расчетах. Создатель подобного агрегата станет «властелином мира», так как изобретет вечный двигатель.

Сравнение КПД тепловых двигателей — бензиновый и дизельный

Если сравнивать полезную мощность, то сразу отметим, что бензиновый не такой эффективный. Его величина составляет всего 25-30%, в то время как у дизельного она -40%.

Несмотря на схожесть агрегатов, у них различные виды смесебразования.

1. У бензинового мотора поршни работают при более высоких температурах, что требует хорошего охлаждения. Поэтому тепловая энергия, которая могла бы трансформироваться в механическую, тратится впустую, тем самым снижая КПД.
2. У дизельного – рабочая смесь воспламеняется при сжатии, поэтому давление в цилиндрах намного выше. Кроме того, мотор намного меньше и экологичнее. При низких оборотах и большом рабочем объеме уровень КПД может возрасти до 50%.

На какие части делится энергия нагревателя

Мы выяснили, что за счет одной части энергии газ совершает работу. Вторая часть полученной от нагревателя энергии передается холодильнику, который затем рассеивает ее в окружающее пространство (рис. 4).

Эта теплота выбрасывается в атмосферу вместе с отработанным паром, или сгоревшими выхлопными газами турбин и двигателей внутреннего сгорания – то есть, теряется безвозвратно.  Главное то, что никакой газ не превращает свою внутреннюю энергию в работу полностью. Часть энергии неизбежно будет утеряна.

Рис. 4. Энергия нагревателя частично расходуется на совершение работы, оставшаяся часть теряется в окружающую среду

Посмотрев на рисунок 4, легко составить связь между энергией нагревателя, работой и энергией холодильника.

\

\(\large Q_{H} \left(\text{Дж} \right) \) – тепловая энергия, полученная от нагревателя;

\(\large Q_{X} \left(\text{Дж} \right) \) – тепловая энергия, переданная холодильнику;

\(\large A \left(\text{Дж} \right) \) – работа, которую совершил расширяющийся газ (пар);

Так как часть энергии теряется, работа всегда будет меньше полученной энергии. Работу и энергию измеряют в джоулях. Работа – это затраченная энергия, то есть, разница между конечной и начальной энергией.

\

Примечание: Полученная энергия берется со знаком «плюс», а утерянная – со знаком «минус». Нам уже известно, что энергия \(Q_{X}\), переданная холодильнику и утерянная, будет отрицательной. Запишем ее по модулю, чтобы не учитывать в формуле ее знак.

Максимально возможный КПД идеального теплового двигателя

В качестве идеальной тепловой машины Сади Карно предложил машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Идеальная модель Карно работает по циклу (цикл Карно), состоящему из двух изотерм и двух адиабат.

Рис. 2. Цикл Карно:.

Напомним:

• Адиабатический процесс — это термодинамический процесс, происходящий без теплообмена с окружающей средой (Q=0);
• Изотермический процесс — это термодинамический процесс, происходящий при постоянной температуре. Так как у идеального газа внутренняя энергия зависит только от температуры, то переданное газу количество тепла Q идет полностью на совершение работы A (Q = A).

Сади Карно доказал, что максимально возможный КПД, который может быть достигнут идеальным тепловым двигателем, определяется с помощью следующей формулы:

$$ηmax=1-{T2\over T1}$$

Формула Карно позволяет вычислить максимально возможный КПД теплового двигателя. Чем больше разница между температурами нагревателя и холодильника, тем больше КПД.

КПД и мощность 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/P1где η – КПД

P2- полезная механическая мощность электромотора, ВтP1- 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 .

Электродвигатели появились достаточно давно, но большой интерес к ним возник тогда, когда они стали представлять собой альтернативу двигателям внутреннего сгорания. Особо интересен вопрос КПД электродвигателя, который является одной из главных его характеристик.

Каждая система обладает каким-либо коэффициентом полезного действия, который характеризует эффективность ее работы в целом. То есть он определяет, насколько хорошо система или устройство отдает или преобразовывает энергию. По значению КПД величины не имеет, и чаще всего оно представляется в процентном соотношении или числе от нуля до единицы.

Решение примеров

Задача 1. Поезд на скорости 54 км/ч развивает мощность 720 кВт. Нужно вычислить силу тяги силовых агрегатов. Решение: чтобы найти мощность, используется формула N=F x v. Если перевести скорость в единицу СИ, получится 15 м/с. Подставив данные в уравнение, определяется, что F равно 48 kН.

Задача 2. Масса транспортного средства соответствует 2200 кг. Машина, поднимаясь в гору под уклоном в 0,018, проходит расстояние 100 м. Скорость развивается до 32,4 км/ч, а коэффициент трения соответствует 0,04. Нужно определить среднюю мощность авто при движении. Решение: вычисляется средняя скорость — v/2. Чтобы определить силу тяги мотора, выполняется рисунок, на котором отображаются силы, воздействующие на машину:

• тяжесть — mg;
• реакция опоры — N;
• трение — Ftr;
• тяга — F.

Первая величина вычисляется по второму закону Ньютона: mg+N+Ftr+F=ma. Для ускорения используется уравнение a=v2/2S. Если подставить последние значение и воспользоваться cos, получится средняя мощность. Так как ускорение считается постоянной величиной и равно 9,8 м/с2, поэтому v= 9 м/с. Подставив данные в первую формулу, получится: N= 9,5 kBt.

При решении сложных задач по физике рекомендуется проверить соответствие предоставленных в условиях единиц измерения с международными стандартами. Если они отличаются, необходимости перевести данные с учётом СИ.

Источник

Конфигурация двигателя

Двигатели внутреннего сгорания можно классифицировать по их конфигурации, которая влияет на их физические размеры и плавность (с более плавными двигателями, производящими меньше вибрации). Обычные конфигурации включают прямую или линейную конфигурацию, более компактную V-конфигурацию и более широкую, но более гладкую плоскую или боксерскую конфигурацию. Авиационные двигатели также могут принимать радиальную конфигурацию, которая позволяет более эффективно охлаждать. Также использовались более необычные конфигурации, такие как «H», «U», «X» или «W».

Конфигурации с несколькими коленчатыми валами вовсе не обязательно должны иметь головку цилиндров, но вместо этого могут иметь поршень на каждом конце цилиндра, который называется конструкцией с противоположным расположением поршней. Эта конструкция использовалась в дизельном авиационном двигателе Junkers Jumo 205 с использованием двух коленчатых валов, по одному на каждом конце одного блока цилиндров, и наиболее примечательно в дизельных двигателях Napier Deltic, которые использовали три коленчатых вала для обслуживания трех рядов двусторонних цилиндры расположены в равностороннем треугольнике с коленчатыми валами по углам. Он также использовался в локомотивных двигателях с одной банкой и продолжает использоваться для судовых двигателей, как для движителей, так и для вспомогательных генераторов. Роторный двигатель Gnome, использовавшийся в нескольких ранних самолетах, имел неподвижный коленчатый вал и ряд радиально расположенных цилиндров, вращающихся вокруг него.

 Более детально в видео: 

Классы энергоэффективности электродвигателей

Понятие энергоэффективность означает оптимальное использование энергии, благодаря которому достигается снижение ее потребления при идентичной мощности нагрузки. Еще со школы мы знаем, что двигатель при работе теряет долю энергии в виде тепла. Главным знаком энергоэффективности электродвигателей является КПД. КПД – это отношение полезно использованной к суммарной энергии, полученной системой. Основные потери можно условно разделяют на:

• • механические потери (возникают от трения, возникшего в динамических частей двигателя);
• • магнитные потери (например, из-за токов Фуко);
• • электрические потери (потери в стали при протекании тока).

Классы энергоэффективности IEC

Для того чтобы классифицировать эл.двигатели была разработана особая классификация, утвержденная организацией IEC. Так действующим евростандартом IEC60034-30-1 выделяют вот такие классы энергоэффективности электродвигателей:

• • IE1 – это стандартный тип;
• • IE2 – высокая группа эффективности;
• • IE3 – сверхвысокий класс;
• • IE4 – премиум класс

Благодаря наличию данного разграничения определяют нижние уровни эффективности электрических систем. Так же система рангов по понятным причинам подстегивает здравую конкуренцию, не давая уйти рынку в стагнацию.

На графике, представленном выше, наглядно можно увидеть вышеупомянутое разделение на категории. Чем большее КПД выдает эл двигатель при данной нагрузке – тем выше будет ранг энергоэффективности электродвигателя. Сравним данные классы энергоэффективности на примере асинхронных электродвигателей: сопоставим их цены, актуальность установки под те или иные задачи. Для начала стоит сразу расставить все точки над i. Стоит четко понимать: чем выше КПД электромотора , тем дольше он прослужит. Почему? Все очень просто. Чем выше коэффициент полезного действия, тем меньше тепловых потерь, значит, эл.двигатель меньше греется и, следовательно, дольше живет. От сюда следует:

• • выбирая асинхронный электромотор более высокого разряда, вы экономите на энергии;
• • вы уменьшаете так называемую «цену жизненного цикла» — двигатель придется реже менять.

Электродвигатели IE1 чаще всего применяются там, где наиважнейшим критерием служит дешевизна, простота конструкции (как следствие – простота ремонта) и доступность готового оборудования.

Электродвигатели IE2 применяют, когда необходима более тонкая настройка оборудования для работы его в оптимальном режиме. Данный класс электродвигателей более эффективен, по сравнению с предыдущим даже при частичной нагрузке. Так же, безусловно, стоит отметить, что в них используются менее мощные и как следствие менее шумные вентиляторы (охлаждающие мотор). На представленной ниже диаграмме наглядно видны преимущества данного класса по сравнению с IE1

Электродвигатели IE3 получили признание не так давно, а именно в 2017 году. Именно тогда вступил в силу Регламент ЕС указывающий, что двигатели мощностью от 0,75 до 375кВт должны соответствовать типу IE3 или же типу IE2 с применением преобразователя частоты. Они способны работать даже при длительных перегрузках в диапазоне 10-15%. Следовательно, применяют данные моторы, например, на станках, где трудно заметить перегрузку, ведь мощность на валу рабочей машины постоянно изменяется.

Электродвигатели IE4 – это двигатели премиум сегмента. В них используются уникальные системы аэродинамики, теплообмена, конструкции и так далее

Внимание заслуживает повышенное содержание активных материалов и максимальное уменьшение воздушного зазора, благодаря сверхточной соосности всех центров агрегата. Априори, внедрение двигателей класса IE4 незамедлительно снизит энергозатраты производства

Эффект от внедрения более энергоэффективных двигателей:

• экономия потребления электроэнергии;
• снижение мощности, необходимой для работы оборудования с электроприводом (как следствие, опять-таки, экономия);
• снижение затрат на обслуживание оборудования (чем выше энергоэффективность мотора, тем больше его срок наработки на отказ).

Так, например, использование двигателя мощностью 55 кВт повышенного класса энергоэффективности позволяет сэкономить около 8000 кВт в год от одного двигателя.

Источник

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 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%.

Коэффициент полезного действия это характеристика эффективности работы, какого либо устройства или машины. КПД определяется как отношение полезной энергии на выходе системы к общему числу энергии подведенной к системе. КПД величина безразмерная и зачастую определяется в процентах.

Формула 1 — коэффициент полезного действия

Где—A полезная работа

—Q суммарная работа, которая была затрачена

Любая система, совершающая какую либо работу, должна из вне получать энергию, с помощью которой и будет совершаться работа. Возьмем, к примеру, трансформатор напряжения. На вход подается сетевое напряжение 220 вольт, с выхода снимается 12 вольт для питания, к примеру, лампы накаливания. Так вот трансформатор преобразует энергию на входе до необходимого значения, при котором будет работать лампа.

Но не вся энергия, взятая от сети, попадет к лампе, поскольку в трансформаторе существуют потери. Например, потери магнитной энергии в сердечнике трансформатора. Или потери в активном сопротивлении обмоток. Где электрическая энергия будет переходить в тепловую не доходя до потребителя. Эта тепловая энергия в данной системе является бесполезной.

Поскольку потерь мощности избежать невозможно в любом системе то коэффициент полезного действия всегда ниже единицы.

КПД можно рассматривать как для всей системы целиком, состоящей из множество отдельных частей. Так и определять КПД для каждой части в отдельности тогда суммарный КПД будет равен произведению коэффициентов полезного действия всех его элементов.

В заключение можно сказать, что КПД определяет уровень совершенства, какого либо устройства в смысле передачи или преобразования энергии. Также говорит о том, сколько энергии подводимой к системе расходуется на полезную работу.