Οι ηλεκτρικοί κινητήρες εμφανίστηκαν πριν από πολύ καιρό, αλλά μεγάλο ενδιαφέρον για αυτούς προέκυψε όταν άρχισαν να αντιπροσωπεύουν μια εναλλακτική λύση για τους κινητήρες εσωτερικής καύσης. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει το ζήτημα της απόδοσης του ηλεκτροκινητήρα, που είναι ένα από τα κύρια χαρακτηριστικά του.
Κάθε σύστημα έχει κάποιο είδος αποτελεσματικότητας, που χαρακτηρίζει την αποτελεσματικότητα του έργου του στο σύνολό του. Δηλαδή, καθορίζει πόσο καλά ένα σύστημα ή συσκευή παρέχει ή μετατρέπει ενέργεια. Ανά τιμή, η απόδοση δεν έχει τιμή και τις περισσότερες φορές παρουσιάζεται ως ποσοστό ή αριθμός από το μηδέν έως το ένα.
Παράμετροι απόδοσης σε ηλεκτροκινητήρες
Το κύριο καθήκον ενός ηλεκτροκινητήρα είναι να μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική. Η αποδοτικότητα καθορίζει την αποτελεσματικότητα αυτής της λειτουργίας. Ο τύπος απόδοσης κινητήρα έχει ως εξής:
n=p2/p1
Σε αυτόν τον τύπο, p1 είναι η παρεχόμενη ηλεκτρική ισχύς, p2 είναι η χρήσιμη μηχανική ισχύς που παράγεται απευθείαςκινητήρας. Η ηλεκτρική ισχύς καθορίζεται από τον τύπο: p1=UI (τάση πολλαπλασιαζόμενη επί το ρεύμα) και η τιμή της μηχανικής ισχύος σύμφωνα με τον τύπο P=A/t (ο λόγος της εργασίας προς τη μονάδα χρόνου). Έτσι φαίνεται ο υπολογισμός της απόδοσης του ηλεκτροκινητήρα. Ωστόσο, αυτό είναι το πιο απλό μέρος του. Ανάλογα με το σκοπό του κινητήρα και το πεδίο εφαρμογής του, ο υπολογισμός θα διαφέρει και θα λαμβάνει υπόψη πολλές άλλες παραμέτρους. Στην πραγματικότητα, ο τύπος απόδοσης κινητήρα περιλαμβάνει πολλές περισσότερες μεταβλητές. Το απλούστερο παράδειγμα δόθηκε παραπάνω.
Μειωμένη αποτελεσματικότητα
Η μηχανική απόδοση ενός ηλεκτροκινητήρα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά την επιλογή ενός κινητήρα. Οι απώλειες που σχετίζονται με τη θέρμανση του κινητήρα, τη μείωση ισχύος και τα άεργα ρεύματα παίζουν πολύ σημαντικό ρόλο. Τις περισσότερες φορές, η πτώση της απόδοσης σχετίζεται με την απελευθέρωση θερμότητας, η οποία συμβαίνει φυσικά κατά τη λειτουργία του κινητήρα. Οι λόγοι για την απελευθέρωση θερμότητας μπορεί να είναι διαφορετικοί: ο κινητήρας μπορεί να θερμανθεί κατά τη διάρκεια της τριβής, καθώς και για ηλεκτρικούς και ακόμη και μαγνητικούς λόγους. Ως το απλούστερο παράδειγμα, μπορούμε να αναφέρουμε μια κατάσταση όπου δαπανήθηκαν 1.000 ρούβλια για ηλεκτρική ενέργεια και η εργασία έγινε για 700 ρούβλια. Σε αυτήν την περίπτωση, η απόδοση θα είναι ίση με 70%.
Για την ψύξη των ηλεκτροκινητήρων, χρησιμοποιούνται ανεμιστήρες για να ωθήσουν τον αέρα μέσα από τα δημιουργημένα κενά. Ανάλογα με την κατηγορία των κινητήρων, η θέρμανση μπορεί να πραγματοποιηθεί μέχρι μια συγκεκριμένη θερμοκρασία. Για παράδειγμα, οι κινητήρες κατηγορίας Α μπορεί να ζεσταθούνέως 85-90 μοίρες, κατηγορία Β - έως 110 μοίρες. Σε περίπτωση που η θερμοκρασία υπερβεί το επιτρεπόμενο όριο, αυτό μπορεί να υποδηλώνει βραχυκύκλωμα στάτορα.
Μέση απόδοση ηλεκτρικών κινητήρων
Αξίζει να σημειωθεί ότι η απόδοση ενός κινητήρα DC (και AC) ποικίλλει ανάλογα με το φορτίο:
- Η απόδοση είναι 0% στο ρελαντί.
- Σε φορτίο 25%, η απόδοση είναι 83%.
- Σε φορτίο 50%, η απόδοση είναι 87%.
- Σε φορτίο 75%, η απόδοση είναι 88%.
- Σε 100% φορτίο, η απόδοση είναι 87%.
Ένας από τους λόγους για την πτώση της απόδοσης είναι η ασυμμετρία των ρευμάτων, όταν εφαρμόζεται διαφορετική τάση σε καθεμία από τις τρεις φάσεις. Εάν, για παράδειγμα, η πρώτη φάση έχει τάση 410 V, η δεύτερη - 403 V και η τρίτη - 390 V, τότε η μέση τιμή θα είναι 401 V. Η ασυμμετρία σε αυτή την περίπτωση θα είναι ίση με τη διαφορά μεταξύ των μέγιστες και ελάχιστες τάσεις στις φάσεις (410 -390), δηλαδή 20 V. Ο τύπος απόδοσης κινητήρα για τον υπολογισμό των απωλειών θα μοιάζει στην περίπτωσή μας: 20/401100=4,98%. Αυτό σημαίνει ότι χάνουμε 5% απόδοση κατά τη λειτουργία λόγω της διαφοράς τάσης στις φάσεις.
Συνολικές απώλειες και πτώση της αποτελεσματικότητας
Υπάρχουν πολλοί αρνητικοί παράγοντες που επηρεάζουν την πτώση της απόδοσης ενός ηλεκτροκινητήρα. Υπάρχουν ορισμένες μέθοδοι που σας επιτρέπουν να τις προσδιορίσετε. Για παράδειγμα, μπορείτε να προσδιορίσετε εάν υπάρχει ένα κενό μέσω του οποίου η ισχύς μεταφέρεται μερικώς από το δίκτυο στον στάτορα και μετά στον ρότορα.
Συμβαίνουν επίσης απώλειες εκκίνησης και αποτελούνται από αρκετέςαξίες. Πρώτα απ 'όλα, αυτές μπορεί να είναι απώλειες που σχετίζονται με δινορεύματα και επαναμαγνήτιση των πυρήνων του στάτορα.
Εάν ο κινητήρας είναι ασύγχρονος, τότε υπάρχουν πρόσθετες απώλειες λόγω των δοντιών στον ρότορα και στον στάτορα. Τα δινορεύματα μπορούν επίσης να εμφανιστούν σε μεμονωμένα εξαρτήματα του κινητήρα. Όλα αυτά συνολικά μειώνουν την απόδοση του ηλεκτροκινητήρα κατά 0,5%. Στους ασύγχρονους κινητήρες λαμβάνονται υπόψη όλες οι απώλειες που μπορεί να προκύψουν κατά τη λειτουργία. Επομένως, το εύρος απόδοσης μπορεί να κυμαίνεται από 80 έως 90%.
Μηχανές αυτοκινήτων
Η ιστορία της ανάπτυξης των ηλεκτρικών κινητήρων ξεκινά με την ανακάλυψη του νόμου της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής. Σύμφωνα με τον ίδιο, το ρεύμα επαγωγής κινείται πάντα με τέτοιο τρόπο ώστε να εξουδετερώνει την αιτία που το προκαλεί. Αυτή ήταν η θεωρία που αποτέλεσε τη βάση για τη δημιουργία του πρώτου ηλεκτροκινητήρα.
Τα σύγχρονα μοντέλα βασίζονται στην ίδια αρχή, αλλά ριζικά διαφορετικά από τα πρώτα αντίγραφα. Οι ηλεκτρικοί κινητήρες έχουν γίνει πολύ πιο ισχυροί, πιο συμπαγείς, αλλά το πιο σημαντικό, η απόδοσή τους έχει αυξηθεί σημαντικά. Έχουμε ήδη γράψει παραπάνω για την απόδοση ενός ηλεκτροκινητήρα, και σε σύγκριση με έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης, αυτό είναι ένα εκπληκτικό αποτέλεσμα. Για παράδειγμα, η μέγιστη απόδοση ενός κινητήρα εσωτερικής καύσης φτάνει το 45%.
Πλεονεκτήματα ηλεκτρικού κινητήρα
Η υψηλή απόδοση είναι το κύριο πλεονέκτημα ενός τέτοιου κινητήρα. Και αν ένας κινητήρας εσωτερικής καύσης ξοδεύει περισσότερο από το 50% της ενέργειας για θέρμανση, τότε σε έναν ηλεκτροκινητήρα ένα μικρό μέρος δαπανάται για θέρμανσηενέργεια.
Το δεύτερο πλεονέκτημα είναι το μικρό βάρος και το συμπαγές μέγεθος. Για παράδειγμα, η Yasa Motors έχει δημιουργήσει έναν κινητήρα με βάρος μόνο 25 κιλά. Είναι ικανό να αποδώσει 650 Nm, που είναι ένα πολύ αξιοπρεπές αποτέλεσμα. Επίσης, τέτοιοι κινητήρες είναι ανθεκτικοί, δεν χρειάζονται κιβώτιο ταχυτήτων. Πολλοί ιδιοκτήτες ηλεκτρικών αυτοκινήτων μιλούν για την απόδοση των ηλεκτροκινητήρων, κάτι που είναι λογικό σε κάποιο βαθμό. Εξάλλου, κατά τη λειτουργία, ο ηλεκτροκινητήρας δεν εκπέμπει προϊόντα καύσης. Ωστόσο, πολλοί οδηγοί ξεχνούν ότι είναι απαραίτητο να χρησιμοποιούν άνθρακα, αέριο ή εμπλουτισμένο ουράνιο για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Όλα αυτά τα στοιχεία μολύνουν το περιβάλλον, επομένως η φιλικότητα προς το περιβάλλον των ηλεκτροκινητήρων είναι ένα πολύ αμφιλεγόμενο ζήτημα. Ναι, δεν μολύνουν τον αέρα κατά τη λειτουργία. Για αυτούς, οι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής το κάνουν αυτό στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.
Βελτιώστε την απόδοση των ηλεκτροκινητήρων
Οι ηλεκτροκινητήρες έχουν ορισμένα μειονεκτήματα που επηρεάζουν άσχημα την απόδοση της εργασίας. Αυτά είναι η ασθενής ροπή εκκίνησης, το υψηλό ρεύμα εκκίνησης και η ασυνέπεια μεταξύ της μηχανικής ροπής του άξονα και του μηχανικού φορτίου. Αυτό οδηγεί στο γεγονός ότι η απόδοση της συσκευής μειώνεται.
Για να βελτιώσουν την απόδοση, προσπαθούν να φορτώσουν τον κινητήρα στο 75% ή περισσότερο και να αυξήσουν τους συντελεστές ισχύος. Υπάρχουν επίσης ειδικές συσκευές για τη ρύθμιση της συχνότητας του παρεχόμενου ρεύματος και τάσης, γεγονός που οδηγεί επίσης σε αυξημένη απόδοση και αυξημένη απόδοση.
Μία από τις πιο δημοφιλείς συσκευές για την αύξηση της απόδοσης ενός ηλεκτροκινητήρα είναι ο λείοςέναρξη, η οποία περιορίζει τον ρυθμό αύξησης του ρεύματος εισροής. Είναι επίσης σκόπιμο να χρησιμοποιήσετε μετατροπείς συχνότητας για να αλλάξετε την ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα αλλάζοντας τη συχνότητα της τάσης. Αυτό οδηγεί σε μείωση της κατανάλωσης ισχύος και παρέχει ομαλή εκκίνηση του κινητήρα, υψηλή ακρίβεια ρύθμισης. Η ροπή εκκίνησης αυξάνεται επίσης και με μεταβλητό φορτίο, η ταχύτητα περιστροφής σταθεροποιείται. Ως αποτέλεσμα, η απόδοση του ηλεκτροκινητήρα βελτιώνεται.
Μέγιστη απόδοση κινητήρα
Ανάλογα με τον τύπο κατασκευής, η απόδοση των ηλεκτροκινητήρων μπορεί να κυμαίνεται από 10 έως 99%. Όλα εξαρτώνται από το είδος του κινητήρα που θα είναι. Για παράδειγμα, η απόδοση ενός κινητήρα αντλίας τύπου εμβόλου είναι 70-90%. Το τελικό αποτέλεσμα εξαρτάται από τον κατασκευαστή, τον σχεδιασμό της συσκευής κ.λπ. Το ίδιο μπορούμε να πούμε και για την απόδοση του κινητήρα του γερανού. Εάν είναι ίσο με 90%, τότε αυτό σημαίνει ότι το 90% της ηλεκτρικής ενέργειας που καταναλώνεται θα χρησιμοποιηθεί για την εκτέλεση μηχανικών εργασιών, το υπόλοιπο 10% θα χρησιμοποιηθεί για τη θέρμανση εξαρτημάτων. Ακόμα, υπάρχουν τα πιο επιτυχημένα μοντέλα ηλεκτροκινητήρων, η απόδοση των οποίων πλησιάζει το 100%, αλλά δεν ισούται με αυτήν την τιμή.
Είναι δυνατόν να επιτευχθεί πάνω από 100% αποτελεσματικότητα;
Δεν είναι μυστικό ότι οι ηλεκτροκινητήρες των οποίων η απόδοση υπερβαίνει το 100% δεν μπορούν να υπάρχουν στη φύση, καθώς αυτό έρχεται σε αντίθεση με τον βασικό νόμο της διατήρησης της ενέργειας. Γεγονός είναι ότι η ενέργεια δεν μπορεί να έρθει από το πουθενά και να εξαφανιστεί με τον ίδιο τρόπο. Κάθε κινητήρας χρειάζεταιπηγή ενέργειας: βενζίνη, ηλεκτρισμός. Ωστόσο, η βενζίνη δεν είναι αιώνια, όπως η ηλεκτρική ενέργεια, γιατί τα αποθέματά τους πρέπει να αναπληρωθούν. Αλλά αν υπήρχε μια πηγή ενέργειας που δεν χρειαζόταν να αναπληρωθεί, τότε θα ήταν πολύ πιθανό να δημιουργηθεί ένας κινητήρας με απόδοση άνω του 100%. Ο Ρώσος εφευρέτης Βλαντιμίρ Τσερνίσοφ έδειξε μια περιγραφή του κινητήρα, ο οποίος βασίζεται σε μόνιμο μαγνήτη και η απόδοσή του, όπως διαβεβαιώνει ο ίδιος ο εφευρέτης, είναι μεγαλύτερη από 100%.
Υδροηλεκτρικό ως παράδειγμα μηχανής αέναης κίνησης
Για παράδειγμα, ας πάρουμε έναν υδροηλεκτρικό σταθμό, όπου η ενέργεια παράγεται από πτώση από μεγάλο ύψος νερού. Το νερό γυρίζει τον στρόβιλο, ο οποίος παράγει ηλεκτρισμό. Η πτώση του νερού πραγματοποιείται υπό την επίδραση της βαρύτητας της Γης. Και παρόλο που το έργο της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας γίνεται, η βαρύτητα της Γης δεν εξασθενεί, δεν μειώνεται δηλαδή η δύναμη έλξης. Στη συνέχεια, το νερό εξατμίζεται υπό τη δράση του ηλιακού φωτός και εισέρχεται ξανά στη δεξαμενή. Αυτό ολοκληρώνει τον κύκλο. Ως αποτέλεσμα, έχει παραχθεί ηλεκτρική ενέργεια και το κόστος παραγωγής της έχει αποκατασταθεί.
Φυσικά, μπορούμε να πούμε ότι ο Ήλιος δεν είναι αιώνιος, είναι αλήθεια, αλλά θα διαρκέσει μερικά δισεκατομμύρια χρόνια. Όσο για τη βαρύτητα, κάνει συνεχώς δουλειά, τραβώντας την υγρασία από την ατμόσφαιρα. Σε γενικές γραμμές, ένας υδροηλεκτρικός σταθμός είναι ένας κινητήρας που μετατρέπει τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια και η απόδοσή του είναι μεγαλύτερη από 100%. Αυτό καθιστά σαφές ότι δεν αξίζει να σταματήσουμε να αναζητούμε τρόπους δημιουργίας ενός ηλεκτροκινητήρα, η απόδοση του οποίου μπορεί να είναι μεγαλύτερη από 100%. Άλλωστε, όχι μόνο η βαρύτητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ανεξάντλητη πηγήενέργεια.
Μόνιμοι μαγνήτες ως πηγές ενέργειας για κινητήρες
Η δεύτερη ενδιαφέρουσα πηγή είναι ένας μόνιμος μαγνήτης, ο οποίος δεν δέχεται ενέργεια από πουθενά και το μαγνητικό πεδίο δεν καταναλώνεται ακόμη και όταν κάνει εργασία. Για παράδειγμα, εάν ένας μαγνήτης έλκει κάτι στον εαυτό του, τότε θα κάνει τη δουλειά και το μαγνητικό του πεδίο δεν θα γίνει ασθενέστερο. Αυτή η ιδιότητα έχει ήδη δοκιμαστεί περισσότερες από μία φορές για τη δημιουργία της λεγόμενης μηχανής διαρκούς κίνησης, αλλά μέχρι στιγμής δεν έχει βγει τίποτα περισσότερο ή λιγότερο φυσιολογικό. Οποιοσδήποτε μηχανισμός θα φθαρεί αργά ή γρήγορα, αλλά η ίδια η πηγή, που είναι μόνιμος μαγνήτης, είναι πρακτικά αιώνια.
Ωστόσο, υπάρχουν ειδικοί που λένε ότι με την πάροδο του χρόνου, οι μόνιμοι μαγνήτες χάνουν τη δύναμή τους ως αποτέλεσμα της γήρανσης. Αυτό δεν είναι αλήθεια, αλλά ακόμα κι αν ήταν αλήθεια, τότε θα ήταν δυνατό να τον επαναφέρεις στη ζωή με έναν μόνο ηλεκτρομαγνητικό παλμό. Ένας κινητήρας που θα απαιτούσε επαναφόρτιση μία φορά κάθε 10-20 χρόνια, αν και δεν μπορεί να ισχυριστεί ότι είναι αιώνιος, είναι πολύ κοντά σε αυτό.
Έχουν ήδη γίνει πολλές προσπάθειες για τη δημιουργία μιας μηχανής αέναης κίνησης βασισμένης σε μόνιμους μαγνήτες. Μέχρι στιγμής δεν έχουν υπάρξει επιτυχημένες λύσεις, δυστυχώς. Αλλά δεδομένου του γεγονότος ότι υπάρχει ζήτηση για τέτοιους κινητήρες (απλά δεν μπορεί να υπάρξει), είναι πολύ πιθανό στο εγγύς μέλλον να δούμε κάτι που θα πλησιάζει πολύ το μοντέλο της μηχανής αέναης κίνησης που θα τροφοδοτείται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας.
Συμπέρασμα
Η απόδοση ενός ηλεκτροκινητήρα είναι η πιο σημαντική παράμετρος που καθορίζει την απόδοση ενός συγκεκριμένου κινητήρα. Όσο μεγαλύτερη είναι η απόδοση, τόσο καλύτερος είναι ο κινητήρας. Σε έναν κινητήρα με απόδοση 95%, σχεδόν όλαη ενέργεια που δαπανάται δαπανάται για την εκτέλεση εργασιών και μόνο το 5% δαπανάται όχι για ανάγκη (για παράδειγμα, για θέρμανση ανταλλακτικών). Οι σύγχρονοι κινητήρες ντίζελ μπορούν να φτάσουν σε απόδοση 45%, και αυτό θεωρείται καλό αποτέλεσμα. Η απόδοση των βενζινοκινητήρων είναι ακόμη μικρότερη.
