Существует множество факторов, влияющих на КПД высоковольтного двигателя, включая потери в самом двигателе, влияние режима работы, конструктивные и структурные факторы, а также монтаж, обслуживание и окружающую среду. Ниже они разбираются по порядку.

I. Потери в самом двигателе (наиболее существенные)

КПД высоковольтного двигателя = выходная мощность / (выходная мощность + потери); чем больше потери, тем ниже КПД.

1.        Потери в меди статора

1) сопротивление обмотки статора, величина тока, материал и сечение провода

2)     рост превышения температуры → увеличение сопротивления → дальнейший рост потерь в меди

2.        Потери в меди ротора (асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором)

1)материал стержней ротора (медная клетка > алюминиевая клетка), конструкция короткозамыкающих колец

2)чем больше скольжение, тем выше потери в роторе

3.        Потери в стали (потери в сердечнике)

1)материал и толщина электротехнической стали, магнитная индукция

2)повышенное напряжение сети и колебания частоты значительно увеличивают потери в стали

4.        Механические потери

1)трение в подшипниках, аэродинамическое сопротивление вентилятора, потери на трение ротора о воздух

2)способ охлаждения (открытое > защищённое > закрытое) оказывает большое влияние

5.        Добавочные (паразитные) потери

1)дополнительные потери от высших гармоник, магнитных потоков рассеяния, магнитного поля в лобовых частях и т. п.

2)тесно связаны с сочетанием пазов, типом обмотки и технологией изготовления

II. Влияние режима работы

1. Коэффициент загрузки

• КПД высоковольтного двигателя максимален вблизи номинальной нагрузки

• при работе с малой нагрузкой (< 50 %) коэффициент мощности низкий, а КПД заметно снижается

2. Качество питания

• несимметрия напряжения → ток обратной последовательности → дополнительный нагрев, снижение КПД

• как повышенное, так и пониженное напряжение увеличивает потери

• гармоники (при питании от преобразователя частоты) значительно увеличивают добавочные потери

3. Частота вращения и скольжение

• чем больше скольжение асинхронного двигателя, тем больше потери в роторе и тем ниже КПД

• у синхронного двигателя нет потерь от скольжения, поэтому КПД обычно выше

III. Конструктивные и структурные факторы

1. Тип двигателя

• Синхронный двигатель с постоянными магнитами>Обычный синхронный двигатель>Высокоэффективный асинхронный двигатель>Обычный асинхронный двигатель

2. Способ охлаждения

• Полностью закрытое исполнение с воздушно-воздушным охлаждением (IC611) имеет большие потери на трение о воздух

• водяное и водородное охлаждение позволяют значительно снизить механические потери и повысить КПД

3. Изоляция и технология изготовления обмотки

• технология намотки, коэффициент заполнения и способ параллельной намотки проводов влияют на потери в меди

4. Величина воздушного зазора

• слишком большой зазор → большой ток возбуждения → низкий коэффициент мощности, рост потерь

IV. Монтаж, обслуживание и окружающая среда

1. плохая смазка и износ подшипников → рост потерь на трение

2. несоосность двигателя, повышенная вибрация → дополнительные механические потери

3. засорение и запыление каналов охлаждения → повышение превышения температуры → рост потерь

4. слишком высокая температура среды → рост сопротивления обмотки, снижение КПД

5. длительная перегрузка или частые пуски → сильный нагрев, устойчиво низкий КПД

Анализ основных факторов, влияющих на КПД высоковольтного двигателя

Высоковольтный двигатель как ключевое силовое оборудование промышленного производства: эффективность его работы напрямую связана с энергозатратами предприятия, стабильностью производства и уровнем энергопользования. Обычно под высоковольтными двигателями понимают машины классов 6 кВ и 10 кВ; на их КПД комплексно влияет множество факторов, которые в основном можно проанализировать по четырём ключевым направлениям: потери в самом двигателе, режим работы, проектирование и изготовление, монтаж и обслуживание. Понимание механизма действия каждого фактора имеет большое значение для повышения эффективности работы двигателя и снижения энергопотребления.

Потери в самом двигателе — наиболее существенный фактор, влияющий на КПД высоковольтного двигателя. КПД по своей сути равен отношению выходной мощности к входной (сумме выходной мощности и всех потерь), поэтому величина потерь напрямую определяет уровень КПД. Потери в меди статора — один из основных видов потерь; их величина тесно связана с сопротивлением обмотки статора, величиной протекающего тока, материалом и сечением провода. При этом повышение температуры в процессе работы увеличивает сопротивление обмотки, что ещё больше усиливает потери в меди, образуя порочный круг. Для высоковольтных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором потери в меди ротора также нельзя игнорировать: различие в материале стержней ротора напрямую влияет на величину потерь, причём потери медной клетки ротора значительно ниже, чем алюминиевой; рациональность конструкции короткозамыкающих колец также влияет на потери ротора, а чем больше скольжение, тем выше потери в роторе.

Потери в стали (потери в сердечнике) — ещё один ключевой вид потерь в самом двигателе, возникающий главным образом в сердечнике; их величина зависит от материала, толщины и магнитной индукции электротехнической стали. Качественная тонкая электротехническая сталь эффективно снижает потери в стали, тогда как повышенное напряжение сети и колебания частоты значительно увеличивают потери в стали и снижают КПД. Механические потери возникают главным образом из-за трения в подшипниках, аэродинамического сопротивления вентилятора и потерь на трение ротора о воздух; способ охлаждения сильно влияет на механические потери: обычно у открытых двигателей они больше, чем у защищённых, а у защищённых — больше, чем у закрытых. Кроме того, добавочные потери как дополнительные обусловлены высшими гармониками, магнитными потоками рассеяния, магнитным полем в лобовых частях и т. п. и тесно связаны с сочетанием пазов, типом обмотки и технологией изготовления; при недостаточной точности технологии добавочные потери заметно возрастают.

Режим работы — важный внешний фактор, влияющий на КПД высоковольтного двигателя, причём наиболее заметно влияние коэффициента загрузки. Высоковольтный двигатель проектируется для достижения максимального КПД вблизи номинальной нагрузки; при работе с малой нагрузкой (коэффициент загрузки ниже 50 %) коэффициент мощности снижается, а КПД заметно падает, и длительная работа с малой нагрузкой приводит к большим потерям энергии; длительная же перегрузка вызывает сильный нагрев двигателя, что также снижает КПД и сокращает срок службы. Качество питания также напрямую влияет на КПД: несимметрия напряжения создаёт ток обратной последовательности, вызывая дополнительный нагрев двигателя и снижая КПД; как повышенное, так и пониженное напряжение увеличивает все виды потерь и нарушает нормальную работу двигателя; особенно при питании от преобразователя частоты гармоники в сети значительно увеличивают добавочные потери, ещё больше снижая КПД. Кроме того, на КПД влияют частота вращения и скольжение: чем больше скольжение асинхронного двигателя, тем выше потери в роторе и тем ниже КПД, тогда как у синхронного двигателя из-за отсутствия потерь от скольжения КПД обычно выше, чем у асинхронного.

Уровень проектирования и изготовления определяет исходный потенциал КПД высоковольтного двигателя; разные типы высоковольтных двигателей заметно различаются по КПД: наивысший КПД у синхронного двигателя с постоянными магнитами, затем идёт обычный синхронный двигатель, а высокоэффективный асинхронный превосходит обычный асинхронный. Выбор способа охлаждения также важен: у двигателей с полностью закрытым воздушно-воздушным охлаждением (IC611) велики потери на трение о воздух, тогда как водяное и водородное охлаждение позволяют значительно снизить механические потери и эффективно повысить КПД. Рациональность технологии обмотки также влияет на КПД: точность намотки, коэффициент заполнения и способ параллельной намотки проводов напрямую определяют величину потерь в меди статора; неправильно выбранная величина воздушного зазора также снижает КПД — слишком большой зазор ведёт к росту тока возбуждения, снижению коэффициента мощности и увеличению всех видов потерь.

Качество монтажа, обслуживания и условия эксплуатации определяют эксплуатационный КПД высоковольтного двигателя; хороший монтаж и обслуживание эффективно продлевают срок службы двигателя и поддерживают высокоэффективный режим работы. Плохая смазка или износ подшипников значительно увеличивают потери на трение; несоосность при монтаже и повышенная вибрация при работе создают дополнительные механические потери; засорение и запыление каналов охлаждения ведут к повышению превышения температуры двигателя, а значит, к росту сопротивления обмотки и всех видов потерь; слишком высокая температура среды также усиливает нагрев обмотки и снижает КПД; а длительная перегрузка или частые пуски вызывают сильный нагрев, из-за чего КПД устойчиво снижается и даже возможны отказы двигателя.

Таким образом, КПД высоковольтного двигателя определяется совокупным влиянием потерь в самом двигателе, режима работы, проектирования и изготовления, монтажа и обслуживания, где потери в двигателе — основа, режим работы — ключ, проектирование и изготовление — база, а монтаж и обслуживание — гарантия. В реальном производстве выбор высокоэффективного типа двигателя, оптимизация режима работы и усиление монтажа и обслуживания позволяют эффективно снизить все виды потерь, повысить КПД высоковольтного двигателя и достичь цели энергосбережения.