Kỹ thuật động cơ / Phân tích hiệu quả
Chi phí tiềm ẩn của đèn chạy
Ở tốc độ thấp và tải một phần, động cơ xoay chiều lặng lẽ mang lại hiệu quả mà nó không bao giờ phục hồi - hãy xem sức mạnh đó thực sự đi đến đâu và phải làm gì với nó.
Câu trả lời trực tiếp: Tại sao hiệu suất giảm ở tốc độ thấp và tải một phần
Động cơ AC trở nên kém hiệu quả hơn ở tốc độ thấp hoặc tải một phần vì nó Tổn thất cố định - tổn thất lõi, ma sát và sức gió - gần như không đổi bất kể đầu ra , do đó chúng tiêu thụ ngày càng nhiều trong tổng công suất đầu vào khi đầu ra hữu ích giảm xuống. Đồng thời, động cơ AC tự làm mát sẽ mất luồng không khí từ quạt gắn trên trục khi tốc độ giảm, giảm khả năng tản nhiệt chính xác khi tổn thất bên trong cao hơn tương ứng. Kết quả là một động cơ có thể thấy hiệu suất giảm từ trên 90% khi gần đầy tải xuống dưới 70% khi tải nhẹ, tùy thuộc vào kích thước và thiết kế.
Các phần bên dưới giải thích các cơ chế cụ thể đằng sau sự sụt giảm này, sử dụng các số liệu cụ thể và phác thảo những gì bạn thực tế có thể làm nếu ứng dụng của bạn thường xuyên chạy động cơ AC xa điểm định mức của nó.
Tổn thất cố định Không giảm quy mô với sản lượng giảm
Mỗi động cơ AC đều có một loại tổn thất về cơ bản vẫn cố định cho dù động cơ được tải nhẹ đến đâu: tổn thất lõi (sắt) do từ hóa stato, ma sát trong ổ trục và gió từ rôto quay trong không khí. Những tổn thất này chủ yếu do thiết kế của động cơ cũng như điện áp và tần số định mức của nó chứ không phải do tải cơ học mà động cơ truyền động.
động cơ xoay chiều
Tại sao điều này làm ảnh hưởng đến hiệu quả khi tải một phần
Hiệu suất đơn giản là công suất đầu ra hữu ích chia cho tổng công suất đầu vào. Khi tải - và do đó là công suất đầu ra - giảm xuống, tổn thất cố định giữ nguyên về mặt tuyệt đối nhưng chiếm tỷ lệ phần trăm lớn hơn nhiều trong tổng tổn thất. Một động cơ bị mất 5% công suất định mức của nó thành tổn thất cố định khi đầy tải có thể thua 15% đến 20% của đầu vào nhỏ hơn nhiều ở mức tải 25%, vì tử số (tổn thất) hầu như không thay đổi trong khi mẫu số (đầu ra) co lại đáng kể.
- Tổn thất lõi phụ thuộc vào mật độ từ thông, gắn liền với điện áp chứ không phải tải
- Tổn thất do ma sát và gió phụ thuộc vào tốc độ chứ không phải mô-men xoắn được truyền
- Một động cơ cảm ứng cỡ trung điển hình có thể thấy hiệu suất giảm xuống 10 đến 15 điểm phần trăm tải từ 100% đến 25%
Tổn hao trượt tăng lên so với công có ích khi tải nhẹ
Động cơ cảm ứng hoạt động bằng sự trượt - sự khác biệt giữa tốc độ đồng bộ và tốc độ rôto thực tế. Sự trượt là nguyên nhân tạo ra dòng điện trong rôto và tạo ra mô-men xoắn, nhưng nó cũng thể hiện sự lãng phí năng lượng được chuyển thành nhiệt trong các thanh rôto hơn là đầu ra cơ học. Ở mức tải nhẹ, tổn hao trượt tuyệt đối nhỏ hơn, nhưng tổn hao đồng rôto và stato (tổn hao I2R) không giảm tuyến tính theo tải, vì dòng điện từ hóa vẫn gần như không đổi ngay cả khi dòng điện tạo ra mô-men xoắn giảm xuống.
Vấn đề từ hóa hiện tại
Thông tin
Động cơ AC hút dòng điện từ hóa để thiết lập từ trường của nó bất kể tải cơ học. Dòng điện này có thể đại diện 25% đến 40% dòng điện đầy tải ngay cả khi động cơ về cơ bản không tải và nó vẫn tạo ra nhiệt I2R trong cuộn dây. Lượng nhiệt đó là tổn thất thực sự và không có công suất cơ học tương ứng, trực tiếp làm giảm hiệu suất tải một phần.
Công suất làm mát giảm ngay khi cần thiết
Hầu hết các động cơ AC tiêu chuẩn đều sử dụng quạt gắn trên trục để làm mát, nghĩa là luồng không khí tỷ lệ thuận với tốc độ trục. Khi động cơ chạy chậm lại - dù là bằng cơ học hay thông qua việc giảm tần số khi thiết lập động cơ xoay chiều có tốc độ thay đổi - thì quạt làm mát sẽ di chuyển ít không khí hơn vào đúng thời điểm mà tổn thất bên trong, tính theo phần trăm sản lượng, đang tăng lên. Điều này tạo ra một vấn đề phức tạp: tổn thất hiệu suất tạo ra nhiệt và hệ thống làm mát của động cơ trở nên kém khả năng loại bỏ lượng nhiệt đó.
Hậu quả thực tế khi vận hành ở tốc độ thấp
Cảnh báo
Các nhà sản xuất thường chỉ định tốc độ hoạt động liên tục tối thiểu - thường là khoảng 20% đến 30% tốc độ định mức — dưới mức đó, động cơ tự làm mát có nguy cơ quá nóng ngay cả khi tải giảm, đơn giản là do không có đủ luồng không khí để mang nhiệt đi. Chạy dưới ngưỡng này trong thời gian dài có thể rút ngắn tuổi thọ cách nhiệt và kích hoạt các chuyến đi bảo vệ nhiệt.
Hệ số công suất giảm mạnh khi tải một phần
Hệ số công suất có liên quan chặt chẽ đến hiệu suất trong hệ thống động cơ AC và nó giảm đáng kể khi tải giảm. Một động cơ chạy ở hệ số công suất 0,85 đến 0,90 khi đầy tải có thể giảm xuống 0,4 đến 0,6 ở mức tải 25% , bởi vì dòng điện từ hóa (phản kháng) gần như không đổi trong khi công suất thực giảm. Điều này có nghĩa là động cơ tiêu thụ nhiều dòng điện hơn mức cần thiết so với công hữu ích mà nó thực hiện, làm tăng tổn thất điện trở trong cuộn dây động cơ và hệ thống dây điện phía trước.
Tại sao điều này lại tạo ra vấn đề về hiệu quả
Hệ số công suất thấp hơn không chỉ ảnh hưởng đến hóa đơn tiện ích thông qua phí nhu cầu — mà còn làm tăng tổn thất I2R trong toàn bộ hệ thống phân phối điện cấp điện cho động cơ. Đối với các cơ sở vận hành đồng thời nhiều động cơ được tải một phần, hiệu ứng tích lũy này có thể làm tăng đáng kể tổng mức tiêu thụ năng lượng vượt xa mức hiệu suất trên bảng tên của động cơ sẽ gợi ý.
Thiết kế động cơ xoay chiều một pha phải đối mặt với các hình phạt bổ sung
A động cơ điện xoay chiều một pha vốn dĩ kém hiệu quả hơn ở tốc độ thấp và tải một phần so với đối tác ba pha của nó, phần lớn là do cách nó tạo ra từ trường quay. Nhiều thiết kế một pha dựa vào cuộn dây phụ, tụ điện khởi động hoặc cực bóng để tạo ra chuyển động quay và các bộ phận này gây ra tổn hao bổ sung mà không giảm tỷ lệ tương ứng với tải giảm. Đặc tính mô-men xoắn dao động của hoạt động một pha cũng tạo ra tổn thất cơ học bổ sung do rung động và làm nóng rôto không đều, đặc biệt rõ rệt khi động cơ chạy dưới tốc độ định mức.
So sánh hiệu quả theo loại động cơ
Động cơ cảm ứng ba pha thường duy trì hiệu suất hợp lý ở mức tải khoảng 50% trước khi xảy ra hiện tượng sụt giảm mạnh. Ngược lại, động cơ điện xoay chiều một pha thường có hiệu suất giảm rõ rệt hơn bắt đầu từ mức tải 75% trở xuống, vì cuộn dây khởi động và chạy của nó được tối ưu hóa cho dải hoạt động hẹp hơn xung quanh các điều kiện định mức.
Ổ đĩa tần số thay đổi ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất tốc độ thấp
Ghép nối động cơ AC với bộ truyền động để tạo ra động cơ ac tốc độ thay đổi hệ thống đưa ra những cân nhắc về hiệu quả của riêng nó ở tốc độ thấp. Hầu hết các ổ đĩa sử dụng điều khiển vôn trên mỗi hertz, giảm cả điện áp và tần số cùng nhau để duy trì dòng không đổi. Điều này giúp hạn chế phần nào tổn thất lõi ở tốc độ thấp, nhưng bản thân bộ truyền động đã có tổn thất chuyển mạch chiếm tỷ lệ phần trăm lớn hơn trong tổng công suất (hiện nhỏ hơn) đang được xử lý và bất kỳ quạt làm mát bên ngoài nào được thêm vào để bù cho luồng không khí dẫn động trục giảm sẽ tiêu thụ thêm năng lượng không góp phần trực tiếp vào hiệu suất động cơ.
Chế độ xem hệ thống tổng thể
Khi đánh giá thiết lập động cơ xoay chiều tốc độ thay đổi, điều quan trọng là phải xem xét hiệu suất kết hợp giữa truyền động và động cơ thay vì chỉ hiệu suất của động cơ. Ổ đĩa có thể có hiệu suất từ 96% đến 98% ở công suất tối đa, nhưng con số đó thường giảm ở tốc độ thấp và tải nhẹ, cộng với hiệu suất giảm của chính động cơ trong vùng vận hành đó.
Hành vi hiệu quả điển hình trên phạm vi tải
| Mức tải | Hiệu quả điển hình | Hệ số công suất điển hình |
|---|---|---|
| Tải 100% | 88% - 94% | 0,85 - 0,90 |
| Tải 75% | 87% - 92% | 0,80 - 0,85 |
| Tải 50% | 82% - 88% | 0,65 - 0,75 |
| Tải 25% | 65% - 78% | 0,40 - 0,55 |
Các bước thực tế để cải thiện hiệu quả tải thấp
Nếu ứng dụng của bạn thường xuyên chạy động cơ AC dưới mức tải hoặc tốc độ định mức, một số biện pháp thực tế có thể làm giảm mức phạt về hiệu suất:
- Điều chỉnh kích thước động cơ phù hợp với tải vận hành thông thường của bạn thay vì kích thước quá lớn trong điều kiện cao điểm hiếm gặp
- Sử dụng bộ điều khiển động cơ xoay chiều có tốc độ thay đổi được cấu hình phù hợp với khả năng điều khiển từ thông được tối ưu hóa ở tốc độ thấp, thay vì chia tỷ lệ vôn trên mỗi hertz đơn giản
- Bổ sung khả năng làm mát cưỡng bức bên ngoài cho các động cơ phải chạy liên tục ở tốc độ thấp, vì quạt dẫn động trục sẽ mất hiệu quả dưới tốc độ vòng/phút định mức
- Lắp đặt tụ điện điều chỉnh hệ số công suất ở nơi có nhiều động cơ tải nhẹ hoạt động trên cùng một hệ thống điện
- Xem xét các thiết kế động cơ hiệu suất cao hoặc hiệu suất cao, thường duy trì đường cong hiệu suất tốt hơn trong phạm vi tải rộng hơn
thành công
Điều chỉnh kích thước động cơ phù hợp với chu kỳ làm việc thực tế, lựa chọn chiến lược điều khiển phù hợp và giải quyết trực tiếp hệ số công suất và làm mát là những cách hiệu quả nhất để giảm thiểu tổn thất hiệu suất trong hoạt động trong thế giới thực.
Bài học cuối cùng về hiệu quả tải một phần và tốc độ thấp
Việc giảm hiệu suất mà động cơ AC gặp phải ở tốc độ thấp và tải một phần không phải là lỗi ở bất kỳ bộ phận đơn lẻ nào mà là kết quả tổng hợp của tổn thất cố định không đổi, dòng từ hóa duy trì ở mức cao, luồng khí làm mát giảm dần theo tốc độ và hệ số công suất giảm khi nhu cầu công suất thực giảm. Hiệu ứng này rõ rệt nhất ở động cơ xoay chiều một pha do dải hoạt động hiệu quả vốn đã hẹp hơn và nó đòi hỏi sự chú ý cẩn thận khi thiết kế hoặc chỉ định hệ thống động cơ xoay chiều tốc độ thay đổi, vì hiệu suất truyền động dựa trên hiệu suất của động cơ trong cùng vùng tải thấp đó. Điều chỉnh kích thước động cơ phù hợp với chu kỳ hoạt động thực tế, chọn chiến lược điều khiển phù hợp cũng như giải quyết trực tiếp hệ số công suất và làm mát là những cách hiệu quả nhất để giảm thiểu sự mất mát hiệu suất này trong hoạt động trong thế giới thực.
++86 13524608688
