Коэффициент полезного действия или КПД — что это такое
Применение любого механизма всегда связано с совершением работы, которая больше той, что необходима для решения поставленной задачи. Неравенство совершенной и необходимой работ обуславливается наличием различных внутренних сил трения, сопротивления и других, которые препятствуют выполнению работы. По этой причине различают следующие виды работ:
- полная (затраченная) работа;
- полезная работа.
КПД — это процент полезной работы от работы затраченной.
И как же достоверно определить, какая работа полезная, а какая затраченная?
Все очень просто! Задаем два вопроса:
- За счет чего происходит процесс?
- Ради какого результата?
В чем измеряется КПД
В электродвигателях коэффициент полезного действия представляет собой взаимоотношение совершаемой (полезной) механической работы по отношению к электрической энергии, которую отдает источник. Для тепловых двигателей, например, КПД является отношением полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты.
В случае же с электрическими трансформаторами КПД — это отношение электромагнитной энергии, которая получается во вторичной обмотке, к энергии, используемой первичной обмоткой.
При математическом расчете КПД разные виды энергии и механическая работа выражаются в совершенно одинаковых единицах, исходя из механического эквивалента теплоты. По причине своей общности термин КПД позволяет сравнивать и оценивать с идентичной точки зрения следующие совершенно разные системы:
- атомные реакторы;
- теплоэнергетические установки;
- электрические генераторы и двигатели;
- биологические и другие объекты;
- полупроводниковые приборы.
Коэффициент полезного действия всегда меньше, чем единица. Это обусловлено причиной неизбежности энергетических потерь на трение, нагрев окружающих тел и другие затраты.
Таким образом, КПД выражают в долях энергии, которая была затрачена. Эта величина является безразмерной.
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/P1,
где η - КПД,
P2- полезная механическая мощность электромотора, Вт
P1- потребляемая двигателем электрическая мощность, Вт;
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 .
КПД электродвигателя - это очень важный параметр определяющий, прежде всего эффективность использования энергоресурсов предприятия. Как известно, КПД электродвигателя значительно снижается после его ремонта . При уменьшении коэффициента полезного действия будут соответственно увеличены потери электроэнергии. В последнее время набирают популярность энергоэффективные электродвигатели разных производителей.
Общие потери и падение КПД
Негативных факторов, которые оказывают влияние на падение КПД электродвигателя, очень много. Есть определенные методики, позволяющие их определять. К примеру, можно определить, есть ли зазор, через который частично передается мощность из сети к статору и далее - на ротор.
Потери в стартере также имеют место, и они состоят из нескольких значений. В первую очередь это могут быть потери, имеющие отношение к вихревым токам и перемагничиванию сердечников статора.
Если двигатель асинхронный, то имеют место дополнительные потери из-за зубцов в роторе и статоре. Также в отдельных узлах двигателя могут возникать вихревые токи. Все это в сумме снижает КПД электродвигателя на 0,5%. В асинхронных моторах учитываются все потери, которые могут возникать при работе. Поэтому диапазон коэффициента полезного действия может варьироваться от 80 до 90%.
Значимые потери мощности, от которых зависит величина КПД электродвигателя, делятся на следующие группы:
- магнитные (относятся к постоянным);
- электрические (постоянными не являются);
- механические (постоянные).
Помимо основных, наблюдаются также добавочные потери (например, в полюсных наконечниках), которые сложно поддаются точному расчету. Незначительный уровень таких потерь позволяет принять их сумму условно равной 0,5-1 % и учитывать это значение при расчете общей величины КПД.
Остановимся подробнее на основных разновидностях потерь мощности.
Магнитные, электрические и механические потери
Значение магнитных потерь, которые происходят в результате перемагничивания якорного сердечника, складывается из показателей потерь от вихревых токов в стали и от гистерезиса. От толщины стальных листов, из которых изготовлен сердечник, и качества изоляции может зависеть исходная величина. Также на объем магнитных потерь влияет частота, с которой происходит перемагничивание.
Электрические потери, показатели которых меняются с изменением уровня нагрузки оборудования, происходят:
- в якорных обмотках;
- в щетках;
- в цепях возбуждения.
Основной причиной механических потерь является трение разных видов. Это может быть трение в подшипниках, а также трение щеток о контактные кольца и коллектор, трение ротора и пр. Потери также возникают в процессе вентиляции. Механические и электрические потери воздействуют на эффективность эксплуатируемого двигателя в наибольшей степени.
Изменение КПД электродвигателя
В процессе работы асинхронного двигателя значение КПД не остается постоянной величиной. Показатели меняются, быстро достигая пиковой величины (при нагрузке, составляющей примерно 80% от номинальной) и далее постепенно снижаясь. Это объясняется существенным ростом электрических потерь, который наблюдается при нагрузках.
Чтобы повысить среднюю величину КПД, необходимо снизить потери мощности. Для этого существует ряд возможностей:
- механические потери сокращаются, если использовать современные материалы с более совершенными эксплуатационными характеристиками;
- электрические потери будут ниже, если двигатель работает при малых скольжениях.
Поскольку коэффициент полезного действия является определяющим параметром для экономичности эксплуатации оборудования, в процессе разработки новых моделей электродвигателей конструкторы ставят своей целью минимизировать неизбежные потери мощности и добиться повышения КПД.
Одним из самых популярных приборов для увеличения КПД электродвигателя является устройство плавного пуска, которое ограничивает скорость роста пускового тока. Также уместно использовать и частотные преобразователи для изменения скорости вращения мотора путем изменения частоты напряжения. Это приводит к снижению расхода электроэнергии и обеспечивает плавный пуск двигателя, высокую точность регулировки. Также увеличивается пусковой момент, а при переменной нагрузке стабилизируется скорость вращения. В результате эффективность электродвигателя повышается.
Высокий КПД электрического двигателя
Высокий КПД - это главное достоинство подобного мотора. И если двигатель внутреннего сгорания тратит более 50% энергии на нагрев, то в электрическом моторе на нагрев уходит небольшая часть энергии.
Средний КПД электрических двигателей
Стоит отметить, что КПД электродвигателя постоянного тока (и переменного тоже) изменяется в зависимости от нагрузки:
- При холостом ходе КПД равен 0%.
- При нагрузке 25% КПД равен 83%.
- При нагрузке 50% КПД равен 87%.
- При нагрузке 75% КПД равен 88%.
- При нагрузке 100% КПД равен 87%.
Одна из причин падения коэффициента полезного действия - асимметрия токов, когда подается разное напряжение на каждой из трех фаз. Если, к примеру, на первой фазе будет напряжение 410 В, на второй - 403 В, а на третьей - 390 В, то среднее значение будет равно 401 В. Асимметрия в данном случае будет равна разнице между максимальным и минимальным напряжением на фазах (410-390), то есть 20 В. Формула КПД электродвигателя для расчета потерь будет иметь вид в нашей ситуации: 20/401*100 = 4.98%. Это значит, что мы теряем 5% КПД при работе из-за разности напряжений на фазах.
Максимальный КПД электродвигателя
В зависимости от типа конструкции, коэффициент полезного действия в электрических двигателях может варьироваться от 10 до 99%. Все зависит от того, какой именно это будет двигатель. Например, КПД электродвигателя насоса поршневого типа составляет 70-90%. Конечный результат зависит от производителя, строения устройства и т. д. То же самое можно сказать и про КПД электродвигателя подъемного крана. Если он равен 90%, то это значит, что 90% потребляемой электроэнергии пойдет на выполнение механической работы, остальные 10% - на нагрев деталей. Все же есть наиболее удачные модели электродвигателей, коэффициент полезного действия которых приближается к 100%, но не равен этому значению.
Коэффициент полезного действия теплового двигателя
С точки зрения термодинамики любой тепловой двигатель состоит из нагревателя, холодильника и рабочего тела.
Первое упоминание о прототипе тепловой машине относится к паровой турбине, которая была изобретена еще в древнем Риме (II век до н.э.). Правда, изобретение не нашло тогда широкого применения из-за отсутствия в то время многих вспомогательных деталей. Например, тогда еще не был придуман такой ключевой элемент для работы любого механизма, как подшипник.
Общая схема работы любой тепловой машины выглядит так:
- Нагреватель имеет температуру T1 достаточно высокую, чтобы передать большое количество теплоты Q1. В большинстве тепловых машин нагревание получается при сгорании топливной смеси (топливо-кислород);
- Рабочее тело (пар или газ) двигателя совершает полезную работу А, например, перемещают поршень или вращают турбину;
- Холодильник поглощает часть энергии от рабочего тела. Температура холодильника Т2 < Т1. То есть, на совершение работы идет только часть теплоты Q1.
Тепловая машина (двигатель) должен работать непрерывно, поэтому рабочее тело должно вернуться в исходное состояние, чтобы его температура стала равна T1. Для непрерывности процесса работа машины должна происходить циклически, периодически повторяясь. Чтобы создать механизм цикличности — вернуть рабочее тело (газ) в исходное состояние — нужен холодильник, чтобы охладить газ в процессе сжатия. Холодильником может служить атмосфера (для двигателей внутреннего сгорания) или холодная вода (для паровых турбин).
К тепловым двигателям относятся:
- поршневые (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания);
- роторные/турбинные (газовые или паровые турбины АЭС и ТЭЦ);
- реактивные (авиация);
- ракетные (космическая техника).
КПД тепловой машины можно сформулировать как отношение полезной работы, совершённой за один цикл, к энергии (количеству теплоты), поступившей от энергоносителя (нагревателя).
Тогда формулу можно преобразовать следующим образом:
где Q1 — количество теплоты, полученное двигателем от нагревателя за цикл;
Q2 — количество теплоты, отданное двигателем охладителю (холодильнику) за цикл;
Q1 – Q2 – количество теплоты, которое пошло на совершение работы.
Предположим, что Q1 = Q2, то есть на совершение полезной работы ничего не осталось – вся энергия «ушла в трубу». Тогда и КПД будет нулевым. Если же Q2 = 0, то есть вся энергия отдана полезной работе (потери отсутствуют), то коэффициент полезного действия будет равен 1.
Но это теория, на практике ни то ни другое нереалистично. В первом случае двигатель просто бесполезен, во втором – идеален, но недосягаем.
Значения КПД для различных типов тепловых двигателей приведены ниже.
Самым большим КПД обладают тепловые двигатели, работающие на основе цикла Карно (процесс назван в честь французского инженера, открывшего это явление в 1824 г.). В термодинамике оно характеризует круговой цикл, включающий в себя две стадии: расширение и сжатие рабочего тела.
Причём на протяжении обеих стадий попеременно проходят два процесса: изотермический (протекающий при постоянной температуре), и адиабатический (протекающий без теплообмена с окружающей средой). Максимальное значение КПД здесь достигается за счёт того, что тела с разной температурой не контактируют, а значит, без осуществления работы теплопередача исключается.
Факторы, влияющие на КПД теплового двигателя
Влияние КПД теплового двигателя зависит от нескольких факторов:
Температура рабочего тела
Температура рабочего тела является одним из основных факторов, влияющих на КПД теплового двигателя. Повышение температуры рабочего тела обычно приводит к увеличению КПД. Это связано с тем, что при более высокой температуре разница между температурой рабочего тела и окружающей среды увеличивается, что позволяет более эффективно использовать тепловую энергию.
Расход рабочего тела
Расход рабочего тела также оказывает влияние на КПД теплового двигателя. Обычно, при увеличении расхода рабочего тела, КПД снижается. Это связано с тем, что при большем расходе рабочего тела увеличиваются потери из-за трения и другие неидеальности в работе двигателя.
Потери из-за трения
Потери из-за трения являются еще одним фактором, влияющим на КПД теплового двигателя. Трение внутри двигателя приводит к потере энергии в виде тепла, что снижает КПД. Чем меньше потери из-за трения, тем выше КПД теплового двигателя.
Примеры расчета КПД теплового двигателя с использованием формулы
Для наглядности рассмотрим пример расчета КПД теплового двигателя с использованием формулы:
Пусть у нас есть тепловой двигатель, работающий по циклу Карно. Известны следующие параметры:
- Температура нагрева рабочего тела (Th) = 500 К
- Температура охлаждения рабочего тела (Tc) = 300 К
Для расчета КПД теплового двигателя по формуле:
КПД = 1 – (Tc / Th)
Подставим значения и произведем вычисления:
КПД = 1 – (300 / 500) = 1 – 0.6 = 0.4
Таким образом, КПД теплового двигателя составляет 0.4 или 40%.
Анализируя полученный результат, можно сделать вывод, что данный тепловой двигатель не является очень эффективным, так как его КПД составляет всего 40%. Возможно, для повышения КПД необходимо увеличить температуру нагрева рабочего тела или снизить температуру охлаждения.
Какой максимальный КПД может иметь тепловой двигатель
Талантливый французский ученый и инженер Сади Карно в 1824 году придумал идеальную тепловую машину. В качестве рабочего тела в ней выступал идеальный газ. А сосуд, в который заключен газ, обернут теплоизоляцией, которую можно мысленно снять, когда возникнет такая необходимость.
Проведя мысленный эксперимент, Карно рассчитал, какую часть полученной энергии можно превратить в полезную работу при идеальных условиях. Другими словами, он рассчитал, какой максимально возможный КПД может иметь идеальный тепловой двигатель.
Для КПД идеального двигателя он получил такую формулу:
η=TH—TXTH=1—TXTH
TH(K) – температура нагревателя в градусах Кельвина;
TX(K) – температура холодильника в градусах Кельвина;
Из формулы следует:
Чем больше различаются температуры нагревателя и холодильника, тем выше будет КПД.
Если температура нагревателя сравняется с температурой холодильника, то полезной работы машина не совершит η=0.
Максимальный КПД даже для идеального теплового двигателя всегда меньше единицы.
Температура холодильника не может равняться абсолютному нулю, так как достигнуть абсолютного нуля температуры не получается.
Примечание: В идеальном двигателе нет потерь энергии, так как полностью отсутствует трение между его движущимися частями. В реальных двигателях трение есть, поэтому КПД реальных двигателей всегда ниже, чем КПД идеального двигателя.