Elektromotory se objevily již poměrně dávno, ale velký zájem o ně vznikl, když začaly představovat alternativu ke spalovacím motorům. Zvláště zajímavá je otázka účinnosti elektromotoru, která je jednou z jeho hlavních charakteristik.
Každý systém má nějaký druh účinnosti, který charakterizuje efektivitu jeho práce jako celku. To znamená, že určuje, jak dobře systém nebo zařízení dodává nebo přeměňuje energii. Podle hodnoty nemá účinnost žádnou hodnotu a nejčastěji se uvádí jako procento nebo číslo od nuly do jedné.
Účinnostní parametry elektromotorů
Hlavním úkolem elektromotoru je přeměňovat elektrickou energii na mechanickou energii. Účinnost určuje účinnost této funkce. Vzorec účinnosti motoru je následující:
n=p2/p1
V tomto vzorci je p1 dodávaný elektrický výkon, p2 je užitečný mechanický výkon, který je generován přímomotor. Elektrický výkon je určen vzorcem: p1=UI (napětí násobené proudem) a hodnotou mechanického výkonu podle vzorce P=A/t (poměr práce k jednotce času). Takto vypadá výpočet účinnosti elektromotoru. To je však ta nejjednodušší část. Podle účelu motoru a jeho rozsahu se bude výpočet lišit a zohledňovat mnoho dalších parametrů. Ve skutečnosti vzorec účinnosti motoru zahrnuje mnohem více proměnných. Nejjednodušší příklad byl uveden výše.
Snížená účinnost
Při výběru motoru je třeba vzít v úvahu mechanickou účinnost elektromotoru. Ztráty spojené s ohřevem motoru, snížením výkonu a jalovými proudy hrají velmi důležitou roli. Nejčastěji je pokles účinnosti spojen s uvolňováním tepla, ke kterému přirozeně dochází při chodu motoru. Důvody pro uvolňování tepla mohou být různé: motor se může zahřát během tření, stejně jako z elektrických a dokonce i magnetických důvodů. Jako nejjednodušší příklad můžeme uvést situaci, kdy bylo vynaloženo 1 000 rublů na elektrickou energii a práce byla provedena za 700 rublů. V tomto případě bude účinnost rovna 70 %.
K chlazení elektromotorů se používají ventilátory, které prohánějí vzduch skrz vytvořené mezery. V závislosti na třídě motorů může být ohřev prováděn až na určitou teplotu. Například motory třídy A se mohou zahřívataž 85-90 stupňů, třída B - až 110 stupňů. V případě, že teplota překročí přípustný limit, může to znamenat zkrat statoru.
Průměrná účinnost elektromotorů
Za zmínku stojí, že účinnost stejnosměrného (a střídavého) motoru se liší v závislosti na zatížení:
- Účinnost je 0 % při nečinnosti.
- Při 25% zatížení je účinnost 83%.
- Při 50% zatížení je účinnost 87%.
- Při 75% zatížení je účinnost 88%.
- Při 100% zatížení je účinnost 87%.
Jedním z důvodů poklesu účinnosti je asymetrie proudů, kdy je na každou ze tří fází přivedeno jiné napětí. Pokud má například první fáze napětí 410 V, druhá - 403 V a třetí - 390 V, pak bude průměrná hodnota 401 V. Asymetrie se v tomto případě bude rovnat rozdílu mezi maximální a minimální napětí na fázích (410 -390), tedy 20 V. Vzorec účinnosti motoru pro výpočet ztrát bude v naší situaci vypadat takto: 20/401100=4,98 %. To znamená, že během provozu ztrácíme 5% účinnost kvůli rozdílu napětí ve fázích.
Celkové ztráty a pokles účinnosti
Existuje mnoho negativních faktorů, které ovlivňují pokles účinnosti elektromotoru. Existují určité metody, které vám je umožňují určit. Můžete například určit, zda existuje mezera, kterou je energie částečně přenášena ze sítě na stator a poté na rotor.
Vyskytují se také ztráty startéru, které se skládají z několikahodnoty. Za prvé to mohou být ztráty související s vířivými proudy a remagnetizací jader statoru.
Pokud je motor asynchronní, dochází k dalším ztrátám způsobeným zuby v rotoru a statoru. Vířivé proudy se mohou vyskytovat i v jednotlivých součástech motoru. To vše v součtu snižuje účinnost elektromotoru o 0,5 %. U asynchronních motorů se berou v úvahu všechny ztráty, které mohou nastat během provozu. Proto se rozsah účinnosti může lišit od 80 do 90 %.
Automobilové motory
Historie vývoje elektrických motorů začíná objevem zákona elektromagnetické indukce. Indukční proud se podle něj vždy pohybuje tak, aby působil proti příčině, která jej způsobuje. Právě tato teorie vytvořila základ pro vytvoření prvního elektromotoru.
Moderní modely jsou založeny na stejném principu, ale radikálně odlišné od prvních kopií. Elektromotory se staly mnohem výkonnějšími, kompaktnějšími, ale hlavně výrazně vzrostla jejich účinnost. O účinnosti elektromotoru jsme již psali výše a v porovnání se spalovacím motorem jde o úžasný výsledek. Například maximální účinnost spalovacího motoru dosahuje 45 %.
Výhody elektromotoru
Vysoká účinnost je hlavní výhodou takového motoru. A pokud spalovací motor spotřebuje více než 50 % energie na vytápění, pak v elektromotoru je malá část vynaložena na vytápěníenergie.
Druhou výhodou je nízká hmotnost a kompaktní velikost. Například Yasa Motors vytvořila motor s hmotností pouhých 25 kg. Je schopen podat 650 Nm, což je velmi slušný výsledek. Takové motory jsou také odolné, nepotřebují převodovku. Mnoho majitelů elektromobilů mluví o účinnosti elektromotorů, což je do jisté míry logické. Při provozu totiž elektromotor nevypouští žádné zplodiny spalování. Mnoho řidičů však zapomíná, že k výrobě elektřiny je nutné využívat uhlí, plyn nebo obohacený uran. Všechny tyto prvky znečišťují životní prostředí, proto je ekologická šetrnost elektromotorů velmi kontroverzní záležitostí. Ano, během provozu neznečišťují vzduch. Pro ně to dělají elektrárny při výrobě elektřiny.
Zlepšit účinnost elektrických motorů
Elektromotory mají některé nevýhody, které mají špatný vliv na efektivitu práce. Jedná se o slabý rozběhový moment, vysoký rozběhový proud a nesoulad mezi mechanickým momentem hřídele a mechanickým zatížením. To vede k tomu, že účinnost zařízení klesá.
Pro zlepšení účinnosti se snaží zatížit motor na 75 % nebo více a zvýšit účiník. Existují také speciální zařízení pro regulaci frekvence dodávaného proudu a napětí, což také vede ke zvýšení účinnosti a zvýšení účinnosti.
Jedním z nejoblíbenějších zařízení pro zvýšení účinnosti elektromotoru je plynulý chodstart, který omezuje rychlost růstu zapínacího proudu. Rovněž je vhodné použít frekvenční měniče pro změnu rychlosti otáčení motoru změnou frekvence napětí. To vede ke snížení spotřeby energie a poskytuje hladký start motoru, vysokou přesnost nastavení. Zvyšuje se také rozběhový moment a při proměnném zatížení se rychlost otáčení ustálí. Výsledkem je zlepšení účinnosti elektromotoru.
Maximální účinnost motoru
V závislosti na typu konstrukce se účinnost elektromotorů může lišit od 10 do 99 %. Vše záleží na tom, jaký to bude motor. Například účinnost motoru čerpadla pístového typu je 70-90%. Konečný výsledek závisí na výrobci, konstrukci zařízení atd. Totéž lze říci o účinnosti motoru jeřábu. Pokud se rovná 90 %, pak to znamená, že 90 % spotřebované elektřiny bude využito k provedení mechanické práce, zbylých 10 % se použije na ohřev dílů. Přesto existují nejúspěšnější modely elektromotorů, jejichž účinnost se blíží 100 %, ale této hodnotě se nerovná.
Je možné dosáhnout více než 100% účinnosti?
Není žádným tajemstvím, že elektromotory, jejichž účinnost přesahuje 100%, nemohou v přírodě existovat, protože to odporuje základnímu zákonu zachování energie. Faktem je, že energie nemůže přicházet odnikud a mizet stejným způsobem. Každý motor potřebujezdroj energie: benzín, elektřina. Benzin však není věčný, jako elektřina, protože jejich zásoby se musí doplňovat. Ale pokud by existoval zdroj energie, který není třeba doplňovat, pak by bylo docela možné vytvořit motor s účinností nad 100%. Ruský vynálezce Vladimir Chernyshov ukázal popis motoru, který je založen na permanentním magnetu a jeho účinnost, jak sám vynálezce ujišťuje, je více než 100%.
Hydroelektrika jako příklad perpetum mobile
Vezměme si například vodní elektrárnu, kde se energie vyrábí pádem z velké výšky vody. Voda roztáčí turbínu, která vyrábí elektřinu. Pád vody se provádí pod vlivem gravitace Země. A přestože se dělá práce na výrobě elektřiny, gravitace Země nezeslábne, to znamená, že síla přitažlivosti neklesá. Poté se voda působením slunečního záření odpaří a znovu vstoupí do nádrže. Tím je cyklus dokončen. V důsledku toho byla vyrobena elektřina a náklady na její výrobu byly obnoveny.
Samozřejmě můžeme říci, že Slunce není věčné, to je pravda, ale vydrží několik miliard let. Co se týče gravitace, ta neustále vykonává práci a vytahuje vlhkost z atmosféry. Obecně lze říci, že vodní elektrárna je motor, který přeměňuje mechanickou energii na energii elektrickou a jeho účinnost je více než 100 %. Tím je jasné, že nemá cenu přestat hledat způsoby, jak vytvořit elektromotor, jehož účinnost může být i více než 100 %. Vždyť nejen gravitaci lze využít jako nevyčerpatelný zdrojenergie.
Permanentní magnety jako zdroje energie pro motory
Druhým zajímavým zdrojem je permanentní magnet, který odnikud nepřijímá energii a magnetické pole se nespotřebovává ani při práci. Například, pokud magnet k sobě něco přitahuje, vykoná to svou práci a jeho magnetické pole nezeslábne. Tato vlastnost již byla více než jednou vyzkoušena k vytvoření tzv. perpetuum mobile, ale zatím z toho nic víceméně normálního nepřišlo. Jakýkoli mechanismus se dříve nebo později opotřebuje, ale samotný zdroj, kterým je permanentní magnet, je prakticky věčný.
Existují však odborníci, kteří tvrdí, že permanentní magnety časem ztrácejí svou sílu v důsledku stárnutí. Není to pravda, ale i kdyby to byla pravda, pak by ho bylo možné přivést zpět k životu jen jedním elektromagnetickým impulsem. Motor, který by vyžadoval dobíjení jednou za 10-20 let, ačkoli nemůže tvrdit, že je věčný, je tomu velmi blízký.
Bylo již mnoho pokusů vytvořit perpetum mobile založený na permanentních magnetech. Zatím bohužel nedošlo k žádnému úspěšnému řešení. Ale vzhledem k tomu, že po takových motorech je poptávka (ta prostě nemůže být), je docela možné, že se v blízké budoucnosti dočkáme něčeho, co se bude velmi blížit modelu perpetum mobile, který bude poháněn obnovitelnými zdroji.
Závěr
Účinnost elektromotoru je nejdůležitějším parametrem, který určuje účinnost konkrétního motoru. Čím vyšší účinnost, tím lepší motor. V motoru s účinností 95% téměř všechnyvynaložená energie je vynaložena na práci a pouze 5 % se vynakládá na nepotřebu (například na vytápění náhradních dílů). Moderní dieselové motory mohou dosáhnout účinnosti 45 %, což je považováno za skvělý výsledek. Účinnost benzínových motorů je ještě nižší.
