מנועים חשמליים הופיעו די מזמן, אך עניין רב בהם התעורר כשהחלו לייצג אלטרנטיבה למנועי בעירה פנימית. מעניינת במיוחד שאלת היעילות של המנוע החשמלי, שהיא אחד המאפיינים העיקריים שלו.
לכל מערכת יש סוג של יעילות, המאפיינת את יעילות עבודתה בכללותה. כלומר, הוא קובע עד כמה מערכת או מכשיר מספקים או ממירים אנרגיה. לפי ערך, ליעילות אין ערך, ולרוב היא מוצגת כאחוז או מספר מאפס לאחד.
פרמטרי יעילות במנועים חשמליים
המשימה העיקרית של מנוע חשמלי היא להמיר אנרגיה חשמלית לאנרגיה מכנית. היעילות קובעת את היעילות של פונקציה זו. נוסחת יעילות המנוע היא כדלקמן:
n=p2/p1
בנוסחה זו, p1 הוא ההספק החשמלי המסופק, p2 הוא ההספק המכני השימושי שנוצר ישירותמנוע. ההספק החשמלי נקבע לפי הנוסחה: p1=UI (מתח מוכפל בזרם), וערך ההספק המכני לפי הנוסחה P=A/t (היחס בין עבודה ליחידת זמן). כך נראה חישוב היעילות של המנוע החשמלי. עם זאת, זהו החלק הפשוט ביותר בו. בהתאם לייעוד המנוע והיקפו, החישוב יהיה שונה וייקח בחשבון פרמטרים רבים נוספים. למעשה, נוסחת היעילות המוטורית כוללת הרבה יותר משתנים. הדוגמה הפשוטה ביותר ניתנה למעלה.
יעילות מופחתת
יש לקחת בחשבון את היעילות המכנית של מנוע חשמלי בעת בחירת מנוע. הפסדים הקשורים לחימום המנוע, הפחתת הספק וזרמים תגובתיים ממלאים תפקיד חשוב מאוד. לרוב, הירידה ביעילות קשורה לשחרור חום, המתרחש באופן טבעי במהלך פעולת המנוע. הסיבות לשחרור חום יכולות להיות שונות: המנוע יכול להתחמם בזמן חיכוך, כמו גם מסיבות חשמליות ואפילו מגנטיות. כדוגמה הפשוטה ביותר, אנו יכולים לצטט מצב שבו 1,000 רובל הוצאו על אנרגיה חשמלית, והעבודה נעשתה עבור 700 רובל. במקרה זה, היעילות תהיה שווה ל-70%.
כדי לקרר מנועים חשמליים, משתמשים במאווררים כדי לאלץ אוויר דרך הרווחים שנוצרו. בהתאם לסוג המנועים, ניתן לבצע חימום עד לטמפרטורה מסוימת. לדוגמה, מנועים מסוג A יכולים להתחמםעד 85-90 מעלות, מחלקה B - עד 110 מעלות. במקרה שהטמפרטורה חורגת מהמגבלה המותרת, הדבר עשוי להצביע על קצר חשמלי בסטטור.
יעילות ממוצעת של מנועים חשמליים
ראוי לציין שהיעילות של מנוע DC (ו-AC) משתנה בהתאם לעומס:
- היעילות היא 0% במצב סרק.
- בעומס של 25%, היעילות היא 83%.
- בעומס של 50%, היעילות היא 87%.
- בעומס של 75%, היעילות היא 88%.
- בעומס של 100%, היעילות היא 87%.
אחת הסיבות לירידה ביעילות היא א-סימטריה של הזרמים, כאשר מתח שונה מופעל על כל אחד משלושת הפאזות. אם, למשל, לשלב הראשון יש מתח של 410 וולט, השני - 403 וולט, והשלישי - 390 וולט, אז הערך הממוצע יהיה 401 וולט. האסימטריה במקרה זה תהיה שווה להפרש בין ה- מתחים מקסימליים ומינימליים על הפאזות (410 -390), כלומר 20 V. נוסחת יעילות המנוע לחישוב הפסדים תיראה במצב שלנו: 20/401100=4.98%. משמעות הדבר היא שאנו מאבדים 5% יעילות במהלך הפעולה עקב הפרש המתח בשלבים.
סה"כ הפסדים וירידה ביעילות
יש הרבה גורמים שליליים שמשפיעים על הירידה ביעילות של מנוע חשמלי. ישנן שיטות מסוימות המאפשרות לך לקבוע אותן. לדוגמה, אתה יכול לקבוע אם יש פער שדרכו הכוח מועבר חלקית מהרשת אל הסטטור ולאחר מכן אל הרוטור.
הפסדים מתחילים מתרחשים גם הם, והם מורכבים מכמהערכים. קודם כל, אלו יכולים להיות הפסדים הקשורים לזרמי מערבולת ומגנטיזציה מחדש של ליבות הסטטור.
אם המנוע אסינכרוני, אז יש הפסדים נוספים עקב השיניים ברוטור ובסטטור. זרמי מערבולת יכולים להתרחש גם ברכיבי מנוע בודדים. כל זה בסך הכל מפחית את יעילות המנוע החשמלי ב-0.5%. במנועים אסינכרוניים, כל ההפסדים שעלולים להתרחש במהלך הפעולה נלקחים בחשבון. לכן, טווח היעילות יכול לנוע בין 80 ל-90%.
מנועי רכב
ההיסטוריה של התפתחות מנועים חשמליים מתחילה בגילוי חוק האינדוקציה האלקטרומגנטית. לדבריו, זרם האינדוקציה זז תמיד בצורה כזו שנוגד את הסיבה שגורמת לו. התיאוריה הזו היא שהיווה את הבסיס ליצירת המנוע החשמלי הראשון.
דגמים מודרניים מבוססים על אותו עיקרון, אך שונים בתכלית מהעותקים הראשונים. מנועים חשמליים הפכו להרבה יותר חזקים, קומפקטיים יותר, אבל הכי חשוב, היעילות שלהם עלתה משמעותית. כבר כתבנו למעלה על יעילותו של מנוע חשמלי, ולעומת מנוע בעירה פנימית מדובר בתוצאה מדהימה. לדוגמה, היעילות המקסימלית של מנוע בעירה פנימית מגיעה ל-45%.
יתרונות מנוע חשמלי
יעילות גבוהה היא היתרון העיקרי של מנוע כזה. ואם מנוע בעירה פנימית מוציא יותר מ-50% מהאנרגיה על חימום, אז במנוע חשמלי חלק קטן מושקע על חימוםאנרגיה.
היתרון השני הוא קל משקל וגודל קומפקטי. כך למשל, יאסה מוטורס יצרה מנוע במשקל של 25 ק ג בלבד. הוא מסוגל לספק 650 ננומטר, וזו תוצאה הגונה מאוד. כמו כן, מנועים כאלה עמידים, אינם צריכים תיבת הילוכים. בעלי רכב חשמלי רבים מדברים על יעילותם של מנועים חשמליים, וזה הגיוני במידה מסוימת. אחרי הכל, במהלך הפעולה, המנוע החשמלי אינו פולט תוצרי בעירה. עם זאת, נהגים רבים שוכחים כי יש צורך להשתמש בפחם, גז או אורניום מועשר לייצור חשמל. כל האלמנטים הללו מזהמים את הסביבה, כך שהידידות הסביבתית של מנועים חשמליים היא נושא מאוד שנוי במחלוקת. כן, הם לא מזהמים את האוויר במהלך הפעולה. עבורם, תחנות כוח עושות זאת בייצור חשמל.
שפר את היעילות של מנועים חשמליים
למנועים חשמליים יש כמה חסרונות שמשפיעים לרעה על יעילות העבודה. אלו הם מומנט התנעה חלש, זרם התנעה גבוה וחוסר עקביות בין המומנט המכני של הציר לעומס המכני. זה מוביל לכך שיעילות המכשיר יורדת.
כדי לשפר את היעילות, הם מנסים להעמיס את המנוע ל-75% או יותר ולהגדיל את מקדמי ההספק. ישנם גם מכשירים מיוחדים לוויסות תדירות הזרם והמתח המסופקים, מה שמוביל גם ליעילות מוגברת ולהגברת היעילות.
אחד המכשירים הפופולריים ביותר להגברת היעילות של מנוע חשמלי הוא חלקstart, המגביל את קצב הצמיחה של זרם הכניסה. כמו כן, ראוי להשתמש בממירי תדר כדי לשנות את מהירות הסיבוב של המנוע על ידי שינוי תדר המתח. זה מוביל להפחתה בצריכת החשמל ומספק התנעה חלקה של המנוע, דיוק כוונון גבוה. גם מומנט ההתנעה גדל, ובעומס משתנה מהירות הסיבוב מתייצבת. כתוצאה מכך, היעילות של המנוע החשמלי משתפרת.
יעילות המנוע המקסימלית
בהתאם לסוג הבנייה, היעילות של מנועים חשמליים יכולה לנוע בין 10 ל-99%. הכל תלוי איזה סוג של מנוע זה יהיה. לדוגמה, היעילות של מנוע משאבה מסוג בוכנה היא 70-90%. התוצאה הסופית תלויה ביצרן, בעיצוב המכשיר וכו'. ניתן לומר אותו דבר לגבי היעילות של מנוע העגורן. אם זה שווה ל-90%, אז זה אומר ש-90% מהחשמל הנצרך ישמש לביצוע עבודה מכנית, 10% הנותרים ישמשו לחימום חלקים. ובכל זאת, ישנם הדגמים המוצלחים ביותר של מנועים חשמליים, שיעילותם מתקרבת ל-100%, אך אינה שווה לערך זה.
האם אפשר להשיג מעל 100% יעילות?
זה לא סוד שמנועים חשמליים שיעילותם עולה על 100% לא יכולים להתקיים בטבע, מכיוון שהדבר סותר את החוק הבסיסי של שימור האנרגיה. העובדה היא שאנרגיה לא יכולה לבוא משום מקום ולהיעלם באותו אופן. כל מנוע צריךמקור אנרגיה: בנזין, חשמל. עם זאת, בנזין אינו נצחי, כמו חשמל, כי יש למלא את המלאי שלהם. אבל אם היה מקור אנרגיה שלא צריך לחדש, אז זה בהחלט אפשרי ליצור מנוע עם יעילות של מעל 100%. הממציא הרוסי ולדימיר צ'רנישוב הראה תיאור של המנוע, המבוסס על מגנט קבוע, ויעילותו, כפי שהממציא עצמו מבטיח, היא יותר מ-100%.
הידרואלקטרי כדוגמה למכונת תנועה תמידית
לדוגמה, ניקח תחנת כוח הידרואלקטרית, שבה אנרגיה מופקת מנפילה מגובה רב של מים. המים הופכים את הטורבינה, המייצרת חשמל. נפילת המים מתבצעת בהשפעת כוח המשיכה של כדור הארץ. ולמרות שנעשית מלאכת הפקת החשמל, כוח המשיכה של כדור הארץ אינו נחלש, כלומר כוח המשיכה אינו פוחת. ואז המים מתאדים תחת פעולת אור השמש ושוב נכנסים למאגר. זה משלים את המחזור. כתוצאה מכך, נוצר חשמל, ועלויות ייצורו הוחזרו.
כמובן, אנחנו יכולים לומר שהשמש אינה נצחית, זה נכון, אבל היא תימשך כמה מיליארדי שנים. באשר לכוח המשיכה, הוא כל הזמן עושה עבודה, שולף לחות מהאטמוספירה. באופן כללי, תחנת כוח הידרואלקטרית היא מנוע הממיר אנרגיה מכנית לאנרגיה חשמלית, ויעילותה היא יותר מ-100%. זה מבהיר שלא כדאי לעצור כדי לחפש דרכים ליצור מנוע חשמלי, שיעילותו יכולה להיות יותר מ-100%. אחרי הכל, לא רק כוח הכבידה יכול לשמש מקור בלתי נדלהאנרגיה.
מגנטים קבועים כמקורות אנרגיה למנועים
המקור המעניין השני הוא מגנט קבוע, שאינו מקבל אנרגיה משום מקום, והשדה המגנטי אינו נצרך גם בעת ביצוע עבודה. למשל, אם מגנט מושך משהו לעצמו, אז הוא יעשה את העבודה, והשדה המגנטי שלו לא יחלש. הנכס הזה כבר נוסה יותר מפעם אחת כדי ליצור את מה שנקרא מכונת תנועה תמידית, אבל עד כה לא יצא מזה דבר נורמלי יותר או פחות. כל מנגנון יתבלה במוקדם או במאוחר, אבל המקור עצמו, שהוא מגנט קבוע, הוא למעשה נצחי.
עם זאת, ישנם מומחים שאומרים שעם הזמן, מגנטים קבועים מאבדים את כוחם כתוצאה מהזדקנות. זה לא נכון, אבל גם אם זה היה נכון, אז אפשר היה להחזיר אותו לחיים עם פולס אלקטרומגנטי אחד בלבד. מנוע שידרוש טעינה אחת ל-10-20 שנים, למרות שהוא לא יכול לטעון שהוא נצחי, קרוב מאוד לזה.
כבר היו ניסיונות רבים ליצור מכונת תנועה מתמדת המבוססת על מגנטים קבועים. עד כה לא היו פתרונות מוצלחים, למרבה הצער. אבל בהתחשב בעובדה שיש ביקוש למנועים כאלה (פשוט לא יכול להיות), בהחלט ייתכן שבעתיד הקרוב נראה משהו שיתקרב מאוד לדגם מכונת התנועה התמידית שתופעל על ידי אנרגיה מתחדשת.
מסקנה
היעילות של מנוע חשמלי היא הפרמטר החשוב ביותר שקובע את היעילות של מנוע מסוים. ככל שהיעילות גבוהה יותר, כך המנוע טוב יותר. במנוע עם נצילות של 95%, כמעט הכלהאנרגיה המושקעת מושקעת על ביצוע עבודה ורק 5% מושקעת ללא צורך (לדוגמה, על חימום חלקי חילוף). מנועי דיזל מודרניים יכולים להגיע ליעילות של 45%, וזו נחשבת לתוצאה מגניבה. היעילות של מנועי בנזין נמוכה עוד יותר.
