Moottoritekniikka / Tehokkuusanalyysi
Ajovalon piilokustannukset
Pienellä nopeudella ja osittaisella kuormituksella an AC moottori antaa hiljaa pois tehokkuuden, jota se ei koskaan palaa – katso, mihin tämä voima todella menee ja mitä sille voi tehdä.
Suora vastaus: Miksi tehokkuus laskee alhaisella nopeudella ja osittaisella kuormituksella
AC-moottori heikkenee alhaisilla nopeuksilla tai osittaisilla kuormituksilla, koska sen kiinteät häviöt – ydinhäviö, kitka ja tuuletus – pysyvät lähes vakioina tehosta riippumatta , joten ne kuluttavat kasvavan osan kokonaissyöttötehosta hyödyllisen tehon pienentyessä. Samaan aikaan itsejäähdytetyt AC-moottorit menettävät ilmavirran akseliin asennetuista puhaltimistaan nopeuden pienentyessä, mikä vähentää lämmön haihtumista juuri silloin, kun sisäiset häviöt ovat suhteellisesti suurempia. Tuloksena on moottori, jonka tehokkuus laskee yli 90 %:sta lähes täyskuormituksesta alle 70 %:iin kevyellä kuormituksella koosta ja suunnittelusta riippuen.
Alla olevissa osissa selitetään tämän pudotuksen taustalla olevia erityisiä mekanismeja käyttämällä konkreettisia lukuja ja kerrotaan, mitä voit käytännössä tehdä asialle, jos sovelluksesi käyttää säännöllisesti vaihtovirtamoottoria pois nimellispisteestä.
Kiinteät tappiot eivät pienennä tehon pienentyessä
Jokaisella vaihtovirtamoottorilla on häviöluokka, joka pysyy olennaisesti kiinteinä riippumatta siitä, kuinka kevyesti moottoria kuormitetaan: staattorin magnetoinnista johtuvat (rauta)-häviöt, laakereiden kitka ja ilman läpi pyörivä roottorin tuulia. Nämä häviöt määräytyvät suurelta osin moottorin suunnittelusta ja sen nimellisjännitteestä ja -taajuudesta, eivät sen käyttämästä mekaanisesta kuormasta.
AC moottori
Miksi tämä heikentää tehokkuutta osittaisella kuormituksella
Tehokkuus on yksinkertaisesti hyödyllinen lähtöteho jaettuna kokonaistuloteholla. Kun kuormitus - ja siten lähtöteho - laskee, kiinteät häviöt pysyvät samoina absoluuttisesti, mutta niistä tulee paljon suurempi prosenttiosuus kokonaismäärästä. Moottori, joka häviää 5 % nimellistehostaan kiinteisiin häviöihin täydellä kuormalla saattaa hävitä 15 % - 20 % paljon pienemmällä syötteellä 25 %:n kuormalla, koska osoittaja (häviöt) tuskin muuttuu, kun taas nimittäjä (lähtö) kutistuu dramaattisesti.
- Sydänhäviöt riippuvat vuotiheydestä, joka on sidottu jännitteeseen, ei kuormaan
- Kitka- ja tuuletushäviöt riippuvat nopeudesta, eivät toimitetusta vääntömomentista
- Tyypillisen keskikokoisen oikosulkumoottorin teho voi laskea 10-15 prosenttiyksikköä 100 % - 25 % kuormitus
Liukastumishäviöt lisääntyvät verrattuna hyödylliseen työhön kevyellä kuormituksella
Induktiomoottorit toimivat luistolla – synkronisen nopeuden ja roottorin todellisen nopeuden erolla. Luisto indusoi virran roottoriin ja tuottaa vääntömomenttia, mutta se edustaa myös hukattua tehoa, joka muunnetaan lämmöksi roottorin tangoissa mekaanisen tehon sijaan. Kevyellä kuormituksella absoluuttiset luistohäviöt ovat pienempiä, mutta roottorin ja staattorin kuparihäviöt (I²R-häviöt) eivät putoa lineaarisesti kuormituksen kanssa, koska magnetointivirta pysyy lähes vakiona, vaikka momenttia tuottava virta putoaa.
Magnetointivirran ongelma
Tietoja
Vaihtovirtamoottori käyttää magnetointivirtaa magneettikentän muodostamiseksi mekaanisesta kuormituksesta riippumatta. Tämä virta voi edustaa 25 % - 40 % täyden kuorman virrasta vaikka moottori on olennaisesti kuormittamaton, ja se silti tuottaa I²R-lämpöä käämeissä. Tämä lämpö on todellinen menetys ilman vastaavaa mekaanista tehoa, mikä suoraan laskee osakuormituksen tehokkuutta.
Jäähdytysteho laskee juuri silloin, kun sitä tarvitaan
Suurin osa tavallisista AC-moottoreista käyttää akselille asennettua tuuletinta jäähdytykseen, mikä tarkoittaa, että ilmavirta on suoraan verrannollinen akselin nopeuteen. Kun moottoria hidastetaan – joko mekaanisesti tai taajuuden pienentämisellä vaihtuvanopeuksisessa vaihtovirtamoottorissa – jäähdytyspuhallin siirtää vähemmän ilmaa juuri sillä hetkellä, kun sisäiset häviöt, prosentteina tehosta, nousevat. Tämä aiheuttaa pahenevan ongelman: tehohäviöt tuottavat lämpöä, ja moottorin oma jäähdytysjärjestelmä ei pysty poistamaan tätä lämpöä.
Käytännön seuraus hitaalla nopeudella
Varoitus
Valmistajat määrittävät usein jatkuvan vähimmäisnopeuden – yleensä noin 20-30 % nimellisnopeudesta — jonka alapuolella itsejäähdytetty moottori on vaarassa ylikuumentua jopa pienemmällä kuormituksella, koska ilmavirta ei riitä kuljettamaan lämpöä pois. Tämän kynnyksen alapuolella ajaminen pitkiä aikoja voi lyhentää eristeen käyttöikää ja laukaista lämpösuojan laukaisun.
Tehokerroin laskee jyrkästi osittaisella kuormituksella
Tehokerroin liittyy läheisesti tehokkuuteen AC-moottorijärjestelmissä, ja se heikkenee huomattavasti kuormituksen pienentyessä. Moottori, joka käy tehokertoimella 0,85 - 0,90 täydellä kuormalla voi pudota 0,4 - 0,6 25 %:n kuormituksella , koska magnetoiva (reaktiivinen) virta pysyy suunnilleen vakiona, kun taas todellinen tehonotto laskee. Tämä tarkoittaa, että moottori kuluttaa enemmän virtaa kuin on tarpeen sen suorittamaan hyödylliseen työhön nähden, mikä lisää resistanssihäviöitä moottorin käämeissä ja ylävirran johdotuksessa.
Miksi tämä pahentaa tehokkuusongelmaa
Pienempi tehokerroin ei vaikuta vain sähkölaskuun kysyntämaksujen kautta – se lisää myös I²R-häviöitä koko moottoria syöttävässä sähkönjakelujärjestelmässä. Monia osittain kuormitettuja moottoreita samanaikaisesti käyttävissä tiloissa tämä kumulatiivinen vaikutus voi merkittävästi nostaa kokonaisenergiankulutusta enemmän kuin moottorin tyyppikilven hyötysuhde yksinään viittaa.
Yksivaiheisista AC-moottoreista määrätään lisärangaistuksia
A yksivaiheinen vaihtovirtamoottori on luonnostaan heikompi alhaisella nopeudella ja osittaisella kuormalla kuin kolmivaiheinen vastine, suurelta osin sen vuoksi, miten se tuottaa pyörivän magneettikentän. Monet yksivaiheiset mallit luottavat apukäämeihin, käynnistyskondensaattoreihin tai varjostettuihin napoihin pyörimisen luomiseksi, ja nämä komponentit aiheuttavat lisähäviöitä, jotka eivät pienennä suhteessa pienentyneeseen kuormaan. Yksivaiheisen toiminnan sykkivä vääntömomentti aiheuttaa myös ylimääräisiä mekaanisia häviöitä tärinän ja epätasaisen roottorin kuumenemisen vuoksi, mikä on erityisen voimakasta, kun moottori käy selvästi nimellisnopeudensa alapuolella.
Tehokkuusvertailu moottorityypin mukaan
Kolmivaiheiset oikosulkumoottorit säilyttävät tyypillisesti kohtuullisen hyötysuhteen noin 50 %:iin asti, ennen kuin jyrkkä lasku alkaa. Yksivaiheisen vaihtovirtamoottorin hyötysuhde sitä vastoin usein laskee selvemmin 75 %:n kuormituksesta alaspäin, koska sen käynnistys- ja käyntikäämit on optimoitu kapeammalle toimintakaistalle nimellisolosuhteissa.
Kuinka taajuusmuuttajat vaikuttavat hitaiden nopeuksien tehokkuuteen
AC-moottorin ja taajuusmuuttajan yhdistäminen a vaihtuvanopeuksinen vaihtovirtamoottori järjestelmä ottaa käyttöön omat tehokkuusnäkökohdat alhaisella nopeudella. Useimmat taajuusmuuttajat käyttävät volttia hertsiä kohden, mikä vähentää sekä jännitettä että taajuutta yhdessä ylläpitääkseen vakiovuon. Tämä auttaa rajoittamaan sydänhäviöitä jonkin verran alhaisella nopeudella, mutta taajuusmuuttajassa itsessään on kytkentähäviöitä, jotka muodostavat suuremman osan prosessoitavasta (nyt pienemmästä) kokonaistehosta, ja mikä tahansa ulkoinen jäähdytystuuletin, joka on lisätty kompensoimaan vähentynyttä akselikäyttöistä ilmavirtaa, kuluttaa lisäenergiaa, joka ei vaikuta suoraan moottorin tehokkuuteen.
Järjestelmän kokonaisnäkymä
Muuttuvanopeuksisen vaihtovirtamoottorin asetuksia arvioitaessa on tärkeää tarkastella yhdistettyä taajuusmuuttajan ja moottorin hyötysuhdetta pelkän moottorin hyötysuhteen sijaan. Taajuusmuuttajan teho voi olla 96–98 % täydellä teholla, mutta tämä luku tyypillisesti laskee myös alhaisella nopeudella ja kevyellä kuormituksella, mikä pinoaa moottorin oman alentuneen hyötysuhteen kyseisellä toiminta-alueella.
Tyypillinen tehokkuus kuormitusalueella
| Kuormitustaso | Tyypillinen tehokkuus | Tyypillinen tehokerroin |
|---|---|---|
| 100 % kuormitus | 88 % - 94 % | 0,85 - 0,90 |
| 75% kuormitus | 87 % - 92 % | 0,80 - 0,85 |
| 50% kuormitus | 82 % - 88 % | 0,65 - 0,75 |
| 25% kuormitus | 65 % - 78 % | 0,40 - 0,55 |
Käytännön vaiheita tehokkuuden parantamiseksi matalalla kuormituksella
Jos sovelluksesi käyttää säännöllisesti vaihtovirtamoottoria sen nimelliskuormituksen tai nopeuden alapuolella, useat käytännön toimenpiteet voivat vähentää tehokkuutta:
- Sopivan kokoinen moottori tyypilliseen käyttökuormituksellesi mieluummin kuin ylimitoitettu harvoin huippuolosuhteisiin
- Käytä oikein konfiguroitua säädettävänopeuksista vaihtovirtamoottoria, jossa on vuooptimoitu ohjaus alhaisella nopeudella yksinkertaisen voltti/hertsi-skaalauksen sijaan
- Lisää pakotettu ulkoinen jäähdytys moottoreille, joiden on käytävä jatkuvasti alhaisella nopeudella, koska akselikäyttöiset puhaltimet menettävät tehonsa alle nimelliskierrosluvun
- Asenna tehokertoimen korjauskondensaattorit, jos samassa sähköjärjestelmässä toimii useita kevyesti kuormitettuja moottoreita
- Harkitse huipputehokkaita tai tehokkaita moottoreita, jotka yleensä ylläpitävät paremmat hyötysuhdekäyrät laajemmalla kuormitusalueella
Menestystä
Moottorin koon sovittaminen todelliseen käyttöjaksoon, oikean ohjausstrategian valitseminen sekä jäähdytyksen ja tehokertoimen huomioiminen suoraan ovat tehokkaimpia tapoja minimoida tehokkuuden menetys todellisessa käytössä.
Viimeinen tarjous alhaisen nopeuden ja osittaisen kuormituksen tehokkuudesta
Vaihtovirtamoottoreiden alhaisella nopeudella ja osakuormituksella kokema hyötysuhteen lasku ei ole vika missään yksittäisessä komponentissa, vaan yhteistulos siitä, että kiinteät häviöt pysyvät vakiona, magnetointivirta pysyy korkeana, jäähdytysilmavirta pienenee nopeuden myötä ja tehokerroin heikkenee todellisen tehontarpeen pienentyessä. Tämä vaikutus on selkein yksivaiheisessa vaihtovirtamoottorissa sen luonnostaan kapeamman tehokkaan toimintakaistan vuoksi, ja se vaatii huolellista huomiota suunniteltaessa tai määriteltäessä muuttuvanopeuksisen vaihtovirtamoottorijärjestelmän, koska taajuusmuuttajan hyötysuhde pinoutuu moottorin hyötysuhteen päälle samalla matalan kuormituksen alueella. Moottorin koon sovittaminen todelliseen käyttösuhteeseen, oikean ohjausstrategian valitseminen sekä jäähdytyksen ja tehokertoimen ottaminen suoraan huomioon ovat tehokkaimpia tapoja minimoida tämä tehokkuuden menetys todellisessa käytössä.
++86 13524608688
