Elektromotory sa objavili už pomerne dávno, no veľký záujem o ne vzrástol, keď začali predstavovať alternatívu k spaľovacím motorom. Zvlášť zaujímavá je otázka účinnosti elektromotora, ktorá je jednou z jeho hlavných charakteristík.
Každý systém má nejaký druh účinnosti, ktorý charakterizuje efektivitu jeho práce ako celku. To znamená, že určuje, ako dobre systém alebo zariadenie dodáva alebo premieňa energiu. Podľa hodnoty nemá efektivita žiadnu hodnotu a najčastejšie sa uvádza ako percento alebo číslo od nuly do jedna.
Parametre účinnosti elektromotorov
Hlavnou úlohou elektromotora je premieňať elektrickú energiu na mechanickú energiu. Účinnosť určuje účinnosť tejto funkcie. Vzorec účinnosti motora je nasledujúci:
n=p2/p1
V tomto vzorci je p1 dodávaný elektrický výkon, p2 je užitočný mechanický výkon, ktorý sa generuje priamomotora. Elektrický výkon sa určuje podľa vzorca: p1=UI (napätie vynásobené prúdom) a hodnota mechanického výkonu podľa vzorca P=A/t (pomer práce k jednotke času). Takto vyzerá výpočet účinnosti elektromotora. Toto je však tá najjednoduchšia časť. V závislosti od účelu motora a jeho rozsahu sa výpočet bude líšiť a zohľadní mnoho ďalších parametrov. V skutočnosti vzorec účinnosti motora zahŕňa oveľa viac premenných. Najjednoduchší príklad bol uvedený vyššie.
Znížená účinnosť
Pri výbere motora treba brať do úvahy mechanickú účinnosť elektromotora. Straty spojené s zahrievaním motora, znížením výkonu a jalovými prúdmi zohrávajú veľmi dôležitú úlohu. Najčastejšie je pokles účinnosti spojený s uvoľňovaním tepla, ku ktorému prirodzene dochádza pri prevádzke motora. Dôvody uvoľňovania tepla môžu byť rôzne: motor sa môže zahriať počas trenia, ako aj z elektrických a dokonca aj magnetických dôvodov. Ako najjednoduchší príklad môžeme uviesť situáciu, keď sa na elektrickú energiu minulo 1 000 rubľov a práca bola vykonaná za 700 rubľov. V tomto prípade sa účinnosť bude rovnať 70 %.
Na chladenie elektromotorov sa používajú ventilátory, ktoré preháňajú vzduch cez vytvorené medzery. V závislosti od triedy motorov sa môže ohrev vykonávať až na určitú teplotu. Napríklad motory triedy A sa môžu zohriaťdo 85-90 stupňov, trieda B - do 110 stupňov. V prípade, že teplota prekročí povolenú hranicu, môže to znamenať skrat statora.
Priemerná účinnosť elektromotorov
Za zmienku stojí, že účinnosť jednosmerného (a striedavého) motora sa líši v závislosti od zaťaženia:
- Účinnosť je 0 % pri nečinnosti.
- Pri 25% zaťažení je účinnosť 83%.
- Pri 50% zaťažení je účinnosť 87%.
- Pri 75% zaťažení je účinnosť 88%.
- Pri 100% zaťažení je účinnosť 87%.
Jedným z dôvodov poklesu účinnosti je asymetria prúdov, keď sa na každú z troch fáz privádza iné napätie. Ak má napríklad prvá fáza napätie 410 V, druhá - 403 V a tretia - 390 V, potom bude priemerná hodnota 401 V. Asymetria sa v tomto prípade bude rovnať rozdielu medzi maximálne a minimálne napätie na fázach (410 -390), to znamená 20 V. Vzorec účinnosti motora na výpočet strát bude vyzerať v našej situácii: 20/401100=4,98%. To znamená, že počas prevádzky strácame 5% účinnosť v dôsledku rozdielu napätia vo fázach.
Celkové straty a pokles efektívnosti
Existuje veľa negatívnych faktorov, ktoré ovplyvňujú pokles účinnosti elektromotora. Existujú určité metódy, ktoré vám ich umožňujú určiť. Môžete napríklad určiť, či existuje medzera, cez ktorú sa výkon čiastočne prenáša zo siete na stator a potom na rotor.
Vyskytujú sa aj straty štartéra, ktoré pozostávajú z niekoľkýchhodnoty. V prvom rade to môžu byť straty súvisiace s vírivými prúdmi a remagnetizáciou jadier statora.
Ak je motor asynchrónny, dochádza k dodatočným stratám v dôsledku zubov v rotore a statore. Vírivé prúdy sa môžu vyskytovať aj v jednotlivých komponentoch motora. To všetko celkovo znižuje účinnosť elektromotora o 0,5 %. Pri asynchrónnych motoroch sa berú do úvahy všetky straty, ktoré môžu nastať počas prevádzky. Preto sa rozsah účinnosti môže meniť od 80 do 90 %.
Automobilové motory
História vývoja elektrických motorov sa začína objavením zákona elektromagnetickej indukcie. Indukčný prúd sa podľa neho vždy pohybuje tak, aby pôsobil proti príčine, ktorá ho spôsobuje. Práve táto teória vytvorila základ pre vytvorenie prvého elektromotora.
Moderné modely sú založené na rovnakom princípe, ale radikálne odlišné od prvých kópií. Elektromotory sa stali oveľa výkonnejšími, kompaktnejšími, no hlavne výrazne vzrástla ich účinnosť. O účinnosti elektromotora sme už písali vyššie a v porovnaní so spaľovacím motorom je to úžasný výsledok. Napríklad maximálna účinnosť spaľovacieho motora dosahuje 45 %.
Výhody elektrického motora
Hlavnou výhodou takéhoto motora je vysoká účinnosť. A ak spaľovací motor minie viac ako 50% energie na vykurovanie, potom v elektromotore sa malá časť minie na vykurovanieenergia.
Druhou výhodou je nízka hmotnosť a kompaktné rozmery. Napríklad Yasa Motors vytvorila motor s hmotnosťou iba 25 kg. Je schopný dodať 650 Nm, čo je veľmi slušný výsledok. Takéto motory sú tiež odolné, nepotrebujú prevodovku. Veľa majiteľov elektromobilov hovorí o účinnosti elektromotorov, čo je do istej miery logické. Počas prevádzky totiž elektromotor nevypúšťa žiadne produkty spaľovania. Mnohí vodiči však zabúdajú, že na výrobu elektriny je potrebné využívať uhlie, plyn alebo obohatený urán. Všetky tieto prvky znečisťujú životné prostredie, preto je ekologickosť elektromotorov veľmi kontroverznou témou. Áno, počas prevádzky neznečisťujú vzduch. Pre nich to robia elektrárne pri výrobe elektriny.
Zlepšiť účinnosť elektromotorov
Elektromotory majú určité nevýhody, ktoré majú zlý vplyv na efektivitu práce. Ide o slabý rozbehový moment, vysoký rozbehový prúd a nesúlad medzi mechanickým krútiacim momentom hriadeľa a mechanickým zaťažením. To vedie k tomu, že účinnosť zariadenia klesá.
Na zlepšenie účinnosti sa snažia zaťažiť motor na 75 % alebo viac a zvýšiť účinník. Existujú aj špeciálne zariadenia na reguláciu frekvencie dodávaného prúdu a napätia, čo tiež vedie k zvýšeniu účinnosti a zvýšeniu účinnosti.
Jedným z najobľúbenejších zariadení na zvýšenie účinnosti elektromotora je plynulý chodštart, ktorý obmedzuje rýchlosť rastu nábehového prúdu. Taktiež je vhodné použiť frekvenčné meniče na zmenu rýchlosti otáčania motora zmenou frekvencie napätia. To vedie k zníženiu spotreby energie a poskytuje hladký štart motora, vysokú presnosť nastavenia. Zvyšuje sa aj rozbehový moment a pri premenlivom zaťažení sa rýchlosť otáčania stabilizuje. Výsledkom je zlepšenie účinnosti elektromotora.
Maximálna účinnosť motora
V závislosti od typu konštrukcie sa účinnosť elektromotorov môže meniť od 10 do 99%. Všetko závisí od toho, aký motor to bude. Napríklad účinnosť motora čerpadla piestového typu je 70-90%. Konečný výsledok závisí od výrobcu, konštrukcie zariadenia atď. To isté možno povedať o účinnosti motora žeriavu. Ak sa rovná 90%, potom to znamená, že 90% spotrebovanej elektriny sa použije na vykonávanie mechanickej práce, zvyšných 10% sa použije na ohrev častí. Napriek tomu existujú najúspešnejšie modely elektromotorov, ktorých účinnosť sa blíži k 100 %, no nerovná sa tejto hodnote.
Je možné dosiahnuť viac ako 100 % účinnosť?
Nie je žiadnym tajomstvom, že elektromotory, ktorých účinnosť presahuje 100%, nemôžu v prírode existovať, pretože je to v rozpore so základným zákonom o zachovaní energie. Faktom je, že energia nemôže prísť odnikiaľ a zmiznúť rovnakým spôsobom. Každý motor potrebujezdroj energie: benzín, elektrina. Benzín však nie je večný, ako elektrina, pretože ich zásoby sa musia dopĺňať. Ak by však existoval zdroj energie, ktorý by nebolo potrebné dopĺňať, potom by bolo celkom možné vytvoriť motor s účinnosťou nad 100%. Ruský vynálezca Vladimir Chernyshov ukázal popis motora, ktorý je založený na permanentnom magnete a jeho účinnosť, ako sám vynálezca uisťuje, je viac ako 100%.
Hydroelektrika ako príklad perpetum mobile
Vezmime si napríklad vodnú elektráreň, kde energia vzniká pádom z veľkej výšky vody. Voda roztáča turbínu, ktorá vyrába elektrinu. Pád vody sa uskutočňuje pod vplyvom gravitácie Zeme. A hoci sa vykonáva práca na výrobe elektriny, gravitácia Zeme nezoslabne, to znamená, že sila príťažlivosti neklesne. Potom sa voda pôsobením slnečného žiarenia vyparí a opäť vstúpi do nádrže. Tým sa cyklus dokončí. V dôsledku toho sa vyrobila elektrina a obnovili sa náklady na jej výrobu.
Samozrejme, môžeme povedať, že Slnko nie je večné, to je pravda, ale vydrží niekoľko miliárd rokov. Čo sa týka gravitácie, tá neustále vykonáva prácu a vyťahuje vlhkosť z atmosféry. Všeobecne možno povedať, že vodná elektráreň je motor, ktorý premieňa mechanickú energiu na elektrickú energiu a jeho účinnosť je viac ako 100%. Tým je jasné, že nestojí za to prestať hľadať spôsoby, ako vytvoriť elektromotor, ktorého účinnosť môže byť viac ako 100%. Veď nielen gravitáciu možno využiť ako nevyčerpateľný zdrojenergia.
Permanentné magnety ako zdroje energie pre motory
Druhým zaujímavým zdrojom je permanentný magnet, ktorý neprijíma energiu odnikiaľ a magnetické pole sa nespotrebúva ani pri práci. Napríklad, ak magnet k sebe niečo priťahuje, vykoná to svoju prácu a jeho magnetické pole nezoslabne. Táto vlastnosť bola už viac ako raz skúšaná na vytvorenie takzvaného perpetual mobile, no zatiaľ z toho nič viac-menej normálne neprišlo. Akýkoľvek mechanizmus sa skôr či neskôr opotrebuje, ale samotný zdroj, ktorým je permanentný magnet, je prakticky večný.
Existujú však odborníci, ktorí tvrdia, že časom permanentné magnety strácajú svoju silu v dôsledku starnutia. Nie je to pravda, ale aj keby to bola pravda, potom by ho bolo možné priviesť späť k životu len jedným elektromagnetickým impulzom. Motor, ktorý by vyžadoval dobíjanie raz za 10-20 rokov, hoci nemôže tvrdiť, že je večný, je tomu veľmi blízko.
Bolo už veľa pokusov o vytvorenie perpetum mobile na báze permanentných magnetov. Zatiaľ, žiaľ, neexistujú žiadne úspešné riešenia. Ale vzhľadom na to, že po takýchto motoroch je dopyt (jednoducho nemôže byť), je celkom možné, že v blízkej budúcnosti uvidíme niečo, čo sa bude veľmi blížiť modelu perpetum mobile, ktorý bude poháňaný obnoviteľnou energiou.
Záver
Účinnosť elektromotora je najdôležitejším parametrom, ktorý určuje účinnosť konkrétneho motora. Čím vyššia je účinnosť, tým lepší je motor. V motore s účinnosťou 95% takmer všetkyvynaložená energia sa vynakladá na prácu a iba 5% sa minie na potrebu (napríklad na vykurovanie náhradných dielov). Moderné dieselové motory môžu dosiahnuť účinnosť 45%, čo sa považuje za skvelý výsledok. Účinnosť benzínových motorov je ešte nižšia.
