Silniki elektryczne pojawiły się dość dawno temu, ale duże zainteresowanie nimi wzrosło, gdy zaczęły stanowić alternatywę dla silników spalinowych. Szczególnie interesująca jest kwestia sprawności silnika elektrycznego, która jest jedną z jego głównych cech.
Każdy system ma pewien rodzaj wydajności, który charakteryzuje wydajność jego pracy jako całości. Oznacza to, że określa, jak dobrze system lub urządzenie dostarcza lub przekształca energię. W ujęciu wartościowym sprawność nie ma wartości i najczęściej jest przedstawiana jako wartość procentowa lub liczba od zera do jednego.
Parametry sprawności silników elektrycznych
Głównym zadaniem silnika elektrycznego jest zamiana energii elektrycznej na energię mechaniczną. Wydajność określa wydajność tej funkcji. Wzór na sprawność silnika wygląda następująco:
n=p2/p1
W tym wzorze p1 to dostarczona moc elektryczna, p2 to użyteczna moc mechaniczna, która jest generowana bezpośredniosilnik. Moc elektryczną określa wzór: p1=UI (napięcie pomnożone przez prąd), a wartość mocy mechanicznej ze wzoru P=A/t (stosunek pracy do jednostki czasu). Tak wygląda obliczanie sprawności silnika elektrycznego. Jest to jednak najprostsza część. W zależności od przeznaczenia silnika i jego zakresu obliczenia będą się różnić i uwzględniać wiele innych parametrów. W rzeczywistości wzór na sprawność silnika zawiera o wiele więcej zmiennych. Najprostszy przykład podano powyżej.
Zmniejszona wydajność
Przy wyborze silnika należy wziąć pod uwagę sprawność mechaniczną silnika elektrycznego. Straty związane z nagrzewaniem się silnika, redukcją mocy i prądami biernymi odgrywają bardzo ważną rolę. Najczęściej spadek sprawności związany jest z wydzielaniem ciepła, które naturalnie występuje podczas pracy silnika. Przyczyny wydzielania ciepła mogą być różne: silnik może się nagrzewać podczas tarcia, a także z powodów elektrycznych, a nawet magnetycznych. Jako najprostszy przykład możemy przytoczyć sytuację, w której na energię elektryczną wydano 1000 rubli, a pracę wykonano za 700 rubli. W takim przypadku sprawność wyniesie 70%.
Do chłodzenia silników elektrycznych, wentylatory są wykorzystywane do przetłaczania powietrza przez utworzone szczeliny. W zależności od klasy silników ogrzewanie można prowadzić do określonej temperatury. Na przykład silniki klasy A mogą się nagrzewaćdo 85-90 stopni, klasa B - do 110 stopni. W przypadku, gdy temperatura przekroczy dopuszczalny limit, może to oznaczać zwarcie stojana.
Średnia sprawność silników elektrycznych
Warto zauważyć, że sprawność silnika prądu stałego (i prądu przemiennego) zmienia się w zależności od obciążenia:
- Wydajność wynosi 0% na biegu jałowym.
- Przy obciążeniu 25% sprawność wynosi 83%.
- Przy 50% obciążeniu sprawność wynosi 87%.
- Przy 75% obciążeniu sprawność wynosi 88%.
- Przy 100% obciążeniu sprawność wynosi 87%.
Jedną z przyczyn spadku wydajności jest asymetria prądów, gdy do każdej z trzech faz przykładane jest inne napięcie. Jeżeli np. pierwsza faza ma napięcie 410 V, druga - 403 V, a trzecia - 390 V, to średnia wartość wyniesie 401 V. Asymetria w tym przypadku będzie równa różnicy między maksymalne i minimalne napięcia na fazach (410 -390), czyli 20 V. Wzór na sprawność silnika do obliczania strat będzie wyglądał tak, jak w naszej sytuacji: 20/401100=4,98%. Oznacza to, że tracimy 5% wydajności podczas pracy ze względu na różnicę napięć w fazach.
Całkowite straty i spadek wydajności
Istnieje wiele negatywnych czynników, które wpływają na spadek wydajności silnika elektrycznego. Istnieją pewne metody, które pozwalają je określić. Na przykład można określić, czy istnieje przerwa, przez którą moc jest częściowo przenoszona z sieci do stojana, a następnie do wirnika.
Straty rozrusznika również występują i składają się z kilkuwartości. Przede wszystkim mogą to być straty związane z prądami wirowymi i przemagnesowaniem rdzeni stojana.
Jeżeli silnik jest asynchroniczny, występują dodatkowe straty spowodowane zębami wirnika i stojana. Prądy wirowe mogą również występować w poszczególnych elementach silnika. Wszystko to w sumie obniża sprawność silnika elektrycznego o 0,5%. W silnikach asynchronicznych brane są pod uwagę wszystkie straty, które mogą wystąpić podczas pracy. Dlatego zakres wydajności może wahać się od 80 do 90%.
Silniki samochodowe
Historia rozwoju silników elektrycznych zaczyna się od odkrycia prawa indukcji elektromagnetycznej. Według niego prąd indukcyjny zawsze porusza się w taki sposób, aby przeciwdziałać przyczynie, która go powoduje. To właśnie ta teoria stała się podstawą do stworzenia pierwszego silnika elektrycznego.
Nowoczesne modele opierają się na tej samej zasadzie, ale radykalnie różnią się od pierwszych egzemplarzy. Silniki elektryczne stały się znacznie mocniejsze, bardziej kompaktowe, ale co najważniejsze, ich wydajność znacznie wzrosła. O sprawności silnika elektrycznego pisaliśmy już powyżej i w porównaniu z silnikiem spalinowym jest to niesamowity wynik. Na przykład maksymalna sprawność silnika spalinowego sięga 45%.
Zalety silnika elektrycznego
Wysoka sprawność to główna zaleta takiego silnika. A jeśli silnik spalinowy zużywa ponad 50% energii na ogrzewanie, to w silniku elektrycznym niewielka część zużywana jest na ogrzewanieenergia.
Drugą zaletą jest niewielka waga i kompaktowy rozmiar. Na przykład Yasa Motors stworzyła silnik o wadze zaledwie 25 kg. Jest w stanie dostarczyć 650 Nm, co jest bardzo przyzwoitym wynikiem. Ponadto takie silniki są trwałe, nie wymagają skrzyni biegów. Wielu właścicieli samochodów elektrycznych mówi o sprawności silników elektrycznych, co jest do pewnego stopnia logiczne. W końcu podczas pracy silnik elektryczny nie emituje żadnych produktów spalania. Wielu kierowców zapomina jednak, że do wytwarzania energii elektrycznej konieczne jest wykorzystanie węgla, gazu czy wzbogaconego uranu. Wszystkie te elementy zanieczyszczają środowisko, dlatego przyjazność dla środowiska silników elektrycznych jest bardzo kontrowersyjna. Tak, nie zanieczyszczają powietrza podczas pracy. Dla nich elektrownie robią to w produkcji energii elektrycznej.
Poprawa sprawności silników elektrycznych
Silniki elektryczne mają pewne wady, które mają zły wpływ na wydajność pracy. Są to słaby moment rozruchowy, wysoki prąd rozruchowy i niespójność między momentem mechanicznym wału a obciążeniem mechanicznym. Prowadzi to do spadku wydajności urządzenia.
Aby poprawić wydajność, próbują obciążyć silnik do 75% lub więcej i zwiększyć współczynniki mocy. Istnieją również specjalne urządzenia do regulacji częstotliwości dostarczanego prądu i napięcia, co również prowadzi do zwiększenia wydajności i zwiększenia wydajności.
Jednym z najpopularniejszych urządzeń zwiększających sprawność silnika elektrycznego jest płynnystart, który ogranicza tempo wzrostu prądu rozruchowego. Właściwe jest również zastosowanie przemienników częstotliwości do zmiany prędkości obrotowej silnika poprzez zmianę częstotliwości napięcia. Prowadzi to do zmniejszenia zużycia energii i zapewnia płynny rozruch silnika, wysoką dokładność regulacji. Rośnie również moment rozruchowy, a przy zmiennym obciążeniu prędkość obrotowa stabilizuje się. W rezultacie poprawia się sprawność silnika elektrycznego.
Maksymalna sprawność silnika
W zależności od rodzaju konstrukcji, sprawność silników elektrycznych może wahać się od 10 do 99%. Wszystko zależy od tego, jaki to będzie silnik. Na przykład sprawność silnika pompy tłokowej wynosi 70-90%. Ostateczny wynik zależy od producenta, konstrukcji urządzenia itp. To samo można powiedzieć o sprawności silnika dźwigu. Jeśli jest równy 90%, oznacza to, że 90% zużytej energii elektrycznej zostanie wykorzystane do wykonania prac mechanicznych, pozostałe 10% zostanie wykorzystane do ogrzewania części. Wciąż jednak istnieją najbardziej udane modele silników elektrycznych, których sprawność zbliża się do 100%, ale nie jest równa tej wartości.
Czy możliwe jest osiągnięcie ponad 100% wydajności?
Nie jest tajemnicą, że silniki elektryczne, których sprawność przekracza 100%, nie mogą istnieć w naturze, ponieważ jest to sprzeczne z podstawowym prawem zachowania energii. Faktem jest, że energia nie może pochodzić znikąd i znikać w ten sam sposób. Każdy silnik potrzebujeźródło energii: benzyna, prąd. Jednak benzyna nie jest wieczna, podobnie jak elektryczność, ponieważ ich zapasy trzeba uzupełniać. Ale gdyby istniało źródło energii, którego nie trzeba było uzupełniać, to całkiem możliwe byłoby stworzenie silnika o sprawności ponad 100%. Rosyjski wynalazca Władimir Czernyszow przedstawił opis silnika, który jest oparty na magnesie trwałym, a jego sprawność, jak zapewnia sam wynalazca, przekracza 100%.
Hydroelektryka jako przykład perpetuum mobile
Weźmy na przykład elektrownię wodną, w której energia jest generowana przez upadek z dużej wysokości wody. Woda obraca turbinę, która wytwarza energię elektryczną. Spadek wody odbywa się pod wpływem grawitacji Ziemi. I chociaż wykonywana jest praca wytwarzania elektryczności, grawitacja Ziemi nie słabnie, to znaczy siła przyciągania nie maleje. Następnie woda wyparowuje pod wpływem światła słonecznego i ponownie wchodzi do zbiornika. To kończy cykl. W efekcie wytworzona została energia elektryczna, a koszty jej produkcji zostały przywrócone.
Oczywiście możemy powiedzieć, że Słońce nie jest wieczne, to prawda, ale przetrwa kilka miliardów lat. Jeśli chodzi o grawitację, to ciągle pracuje, wyciągając wilgoć z atmosfery. Generalnie elektrownia wodna to silnik, który zamienia energię mechaniczną na energię elektryczną, a jego sprawność przekracza 100%. To uświadamia, że nie warto przestawać szukać sposobów na stworzenie silnika elektrycznego, którego sprawność może przekraczać 100%. W końcu nie tylko grawitacja może być niewyczerpanym źródłemenergia.
Magnesy trwałe jako źródła energii dla silników
Drugim interesującym źródłem jest magnes trwały, który nie otrzymuje energii znikąd, a pole magnetyczne nie jest zużywane nawet podczas wykonywania pracy. Na przykład, jeśli magnes przyciągnie coś do siebie, to wykona pracę, a jego pole magnetyczne nie osłabnie. Ta właściwość została już wielokrotnie wypróbowana, aby stworzyć tak zwaną perpetuum mobile, ale jak dotąd nie wyszło z niej nic bardziej lub mniej normalnego. Każdy mechanizm prędzej czy później zużyje się, ale samo źródło, którym jest magnes trwały, jest praktycznie wieczne.
Jednak są eksperci, którzy twierdzą, że z biegiem czasu magnesy trwałe tracą swoją siłę w wyniku starzenia. To nieprawda, ale nawet gdyby była, to można by go przywrócić do życia jednym impulsem elektromagnetycznym. Silnik, który wymagałby doładowania raz na 10-20 lat, chociaż nie może twierdzić, że jest wieczny, jest bardzo bliski temu.
Podjęto już wiele prób stworzenia perpetuum mobile w oparciu o magnesy trwałe. Do tej pory niestety nie było skutecznych rozwiązań. Ale biorąc pod uwagę fakt, że jest zapotrzebowanie na takie silniki (po prostu nie może być), całkiem możliwe, że w niedalekiej przyszłości zobaczymy coś, co będzie bardzo zbliżone do modelu perpetuum mobile, który będzie zasilany energią odnawialną.
Wniosek
Sprawność silnika elektrycznego jest najważniejszym parametrem określającym sprawność konkretnego silnika. Im wyższa sprawność, tym lepszy silnik. W silniku o sprawności 95% prawie wszystkoenergia wydatkowana jest wydatkowana na wykonywanie pracy, a tylko 5% jest wydawane bez potrzeby (na przykład na ogrzewanie części zamiennych). Nowoczesne silniki wysokoprężne mogą osiągnąć sprawność 45%, co jest uważane za fajny wynik. Sprawność silników benzynowych jest jeszcze mniejsza.
