Los motores eléctricos aparecieron hace bastante tiempo, pero surgió un gran interés por ellos cuando comenzaron a representar una alternativa a los motores de combustión interna. De particular interés es la cuestión de la eficiencia del motor eléctrico, que es una de sus principales características.
Cada sistema tiene algún tipo de eficiencia, que caracteriza la eficiencia de su trabajo como un todo. Es decir, determina qué tan bien un sistema o dispositivo entrega o convierte energía. Por valor, la eficiencia no tiene valor, y la mayoría de las veces se presenta como un porcentaje o un número de cero a uno.
Parámetros de eficiencia en motores eléctricos
La tarea principal de un motor eléctrico es convertir la energía eléctrica en energía mecánica. La eficiencia determina la eficiencia de esta función. La fórmula de eficiencia del motor es la siguiente:
n=p2/p1
En esta fórmula, p1 es la potencia eléctrica suministrada, p2 es la potencia mecánica útil que se genera directamentemotor. La potencia eléctrica se determina mediante la fórmula: p1=UI (voltaje multiplicado por corriente), y el valor de la potencia mecánica según la fórmula P=A/t (la relación entre el trabajo y la unidad de tiempo). Así es como se ve el cálculo de la eficiencia del motor eléctrico. Sin embargo, esta es la parte más simple. Dependiendo del propósito del motor y su alcance, el cálculo diferirá y tendrá en cuenta muchos otros parámetros. De hecho, la fórmula de eficiencia del motor incluye muchas más variables. El ejemplo más simple se dio arriba.
Eficiencia reducida
La eficiencia mecánica de un motor eléctrico debe tenerse en cuenta al elegir un motor. Las pérdidas asociadas con el calentamiento del motor, la reducción de potencia y las corrientes reactivas juegan un papel muy importante. Muy a menudo, la caída en la eficiencia está asociada con la liberación de calor, que ocurre naturalmente durante el funcionamiento del motor. Las razones de la liberación de calor pueden ser diferentes: el motor puede calentarse durante la fricción, así como por razones eléctricas e incluso magnéticas. Como ejemplo más simple, podemos citar una situación en la que se gastaron 1000 rublos en energía eléctrica y se realizó un trabajo por 700 rublos. En este caso, la eficiencia será igual al 70%.
Para enfriar los motores eléctricos, se utilizan ventiladores para forzar el aire a través de los espacios creados. Dependiendo de la clase de motores, el calentamiento se puede realizar hasta una determinada temperatura. Por ejemplo, los motores de clase A pueden calentarsehasta 85-90 grados, clase B - hasta 110 grados. En caso de que la temperatura exceda el límite permitido, esto puede indicar un cortocircuito en el estator.
Eficiencia media de los motores eléctricos
Vale la pena señalar que la eficiencia de un motor de CC (y CA) varía según la carga:
- La eficiencia es del 0 % en reposo.
- Con una carga del 25 %, la eficiencia es del 83 %.
- Al 50 % de carga, la eficiencia es del 87 %.
- Con una carga del 75 %, la eficiencia es del 88 %.
- Al 100 % de carga, la eficiencia es del 87 %.
Una de las razones de la caída de la eficiencia es la asimetría de las corrientes, cuando se aplica un voltaje diferente a cada una de las tres fases. Si, por ejemplo, la primera fase tiene un voltaje de 410 V, la segunda - 403 V y la tercera - 390 V, entonces el valor promedio será 401 V. La asimetría en este caso será igual a la diferencia entre el voltajes máximos y mínimos en las fases (410 -390), es decir, 20 V. La fórmula de eficiencia del motor para calcular las pérdidas se verá en nuestra situación: 20/401100=4.98%. Esto significa que perdemos un 5% de eficiencia durante el funcionamiento debido a la diferencia de tensión en las fases.
Pérdidas totales y caída de la eficiencia
Hay muchos factores negativos que afectan la caída en la eficiencia de un motor eléctrico. Hay ciertos métodos que le permiten determinarlos. Por ejemplo, puede determinar si existe un espacio a través del cual la energía se transfiere parcialmente de la red al estator y luego al rotor.
También se producen pérdidas de arranque, y consisten en variosvalores. En primer lugar, pueden ser pérdidas relacionadas con las corrientes de Foucault y la remagnetización de los núcleos del estator.
Si el motor es asíncrono, entonces hay pérdidas adicionales debido a los dientes en el rotor y el estator. Las corrientes de Foucault también pueden ocurrir en componentes individuales del motor. Todo esto en total reduce la eficiencia del motor eléctrico en un 0,5%. En los motores asíncronos se tienen en cuenta todas las pérdidas que puedan producirse durante el funcionamiento. Por lo tanto, el rango de eficiencia puede variar de 80 a 90%.
Motores automotrices
La historia del desarrollo de los motores eléctricos comienza con el descubrimiento de la ley de la inducción electromagnética. Según él, la corriente de inducción siempre se mueve de tal manera que contrarresta la causa que la provoca. Fue esta teoría la que formó la base para la creación del primer motor eléctrico.
Los modelos modernos se basan en el mismo principio, pero radicalmente diferente de las primeras copias. Los motores eléctricos se han vuelto mucho más potentes, más compactos, pero lo más importante, su eficiencia ha aumentado significativamente. Ya hemos escrito anteriormente sobre la eficiencia de un motor eléctrico y, en comparación con un motor de combustión interna, este es un resultado sorprendente. Por ejemplo, la eficiencia máxima de un motor de combustión interna alcanza el 45%.
Ventajas del motor eléctrico
La alta eficiencia es la principal ventaja de un motor de este tipo. Y si un motor de combustión interna gasta más del 50% de la energía en calefacción, entonces en un motor eléctrico se gasta una pequeña parte en calefacción.energía.
La segunda ventaja es el peso ligero y el tamaño compacto. Por ejemplo, Yasa Motors ha creado un motor con un peso de solo 25 kg. Es capaz de entregar 650 Nm, que es un resultado muy decente. Además, tales motores son duraderos, no necesitan una caja de cambios. Muchos propietarios de coches eléctricos hablan de la eficiencia de los motores eléctricos, lo cual es lógico hasta cierto punto. Después de todo, durante el funcionamiento, el motor eléctrico no emite ningún producto de combustión. Sin embargo, muchos conductores olvidan que es necesario utilizar carbón, gas o uranio enriquecido para generar electricidad. Todos estos elementos contaminan el medio ambiente, por lo que el respeto por el medio ambiente de los motores eléctricos es un tema muy controvertido. Sí, no contaminan el aire durante el funcionamiento. Para ellos, las centrales eléctricas hacen esto en la producción de electricidad.
Mejorar la eficiencia de los motores eléctricos
Los motores eléctricos tienen algunos inconvenientes que tienen un efecto negativo en la eficiencia del trabajo. Estos son par de arranque débil, corriente de arranque alta e inconsistencia entre el par mecánico del eje y la carga mecánica. Esto lleva al hecho de que la eficiencia del dispositivo disminuye.
Para mejorar la eficiencia, intentan cargar el motor al 75 % o más y aumentar los factores de potencia. También hay dispositivos especiales para regular la frecuencia de la corriente y el voltaje suministrados, lo que también conduce a una mayor eficiencia y una mayor eficiencia.
Uno de los dispositivos más populares para aumentar la eficiencia de un motor eléctrico es un suavearranque, lo que limita la tasa de crecimiento de la corriente de irrupción. También es apropiado usar convertidores de frecuencia para cambiar la velocidad de rotación del motor cambiando la frecuencia del voltaje. Esto conduce a una reducción en el consumo de energía y proporciona un arranque suave del motor, alta precisión de ajuste. El par de arranque también aumenta y, con una carga variable, la velocidad de rotación se estabiliza. Como resultado, se mejora la eficiencia del motor eléctrico.
Eficiencia máxima del motor
Dependiendo del tipo de construcción, la eficiencia de los motores eléctricos puede variar del 10 al 99%. Todo depende de qué tipo de motor será. Por ejemplo, la eficiencia de un motor de bomba de pistón es del 70-90%. El resultado final depende del fabricante, el diseño del dispositivo, etc. Lo mismo puede decirse de la eficiencia del motor de la grúa. Si es igual al 90%, significa que el 90% de la electricidad consumida se utilizará para realizar trabajos mecánicos, el 10% restante se utilizará para calentar piezas. Aún así, existen los modelos más exitosos de motores eléctricos, cuya eficiencia se acerca al 100%, pero no es igual a este valor.
¿Es posible lograr una eficiencia superior al 100 %?
No es ningún secreto que los motores eléctricos cuya eficiencia supera el 100% no pueden existir en la naturaleza, ya que esto contradice la ley básica de conservación de la energía. El hecho es que la energía no puede venir de la nada y desaparecer de la misma manera. Todo motor necesitafuente de energía: gasolina, electricidad. Sin embargo, la gasolina no es eterna, como la electricidad, porque hay que reponer sus existencias. Pero si hubiera una fuente de energía que no necesitara reponerse, entonces sería bastante posible crear un motor con una eficiencia superior al 100%. El inventor ruso Vladimir Chernyshov mostró una descripción del motor, que se basa en un imán permanente, y su eficiencia, como asegura el propio inventor, es superior al 100%.
Hidroeléctrica como ejemplo de máquina de movimiento perpetuo
Por ejemplo, tomemos una central hidroeléctrica, donde la energía se genera al caer desde una gran altura de agua. El agua hace girar la turbina, que produce electricidad. La caída del agua se lleva a cabo bajo la influencia de la gravedad de la Tierra. Y aunque se está haciendo el trabajo de producir electricidad, la gravedad de la Tierra no se debilita, es decir, la fuerza de atracción no disminuye. Luego, el agua se evapora bajo la acción de la luz solar y nuevamente ingresa al depósito. Esto completa el ciclo. Como resultado, se ha generado electricidad y se han restablecido los costes de su producción.
Por supuesto, podemos decir que el Sol no es eterno, es cierto, pero durará un par de billones de años. En cuanto a la gravedad, está trabajando constantemente, extrayendo humedad de la atmósfera. En términos generales, una central hidroeléctrica es un motor que convierte la energía mecánica en energía eléctrica, y su eficiencia es superior al 100%. Esto deja claro que no vale la pena detenerse a buscar formas de crear un motor eléctrico, cuya eficiencia puede ser superior al 100%. Después de todo, no solo la gravedad puede usarse como una fuente inagotableenergía.
Imanes permanentes como fuentes de energía para motores
La segunda fuente interesante es un imán permanente, que no recibe energía de ninguna parte, y el campo magnético no se consume incluso cuando se realiza trabajo. Por ejemplo, si un imán atrae algo hacia sí mismo, entonces hará el trabajo y su campo magnético no se debilitará. Esta propiedad ya se ha probado más de una vez para crear la llamada máquina de movimiento perpetuo, pero hasta ahora no ha resultado nada más o menos normal. Cualquier mecanismo se desgasta tarde o temprano, pero la fuente en sí, que es un imán permanente, es prácticamente eterna.
Sin embargo, hay expertos que dicen que con el tiempo, los imanes permanentes pierden su fuerza como resultado del envejecimiento. Esto no es cierto, pero incluso si fuera cierto, sería posible devolverlo a la vida con solo un pulso electromagnético. Un motor que requeriría recargarse una vez cada 10-20 años, aunque no puede pretender ser eterno, está muy cerca de esto.
Ya ha habido muchos intentos de crear una máquina de movimiento perpetuo basada en imanes permanentes. Hasta ahora no ha habido soluciones exitosas, lamentablemente. Pero dado que existe una demanda de tales motores (simplemente no puede haberla), es muy posible que en un futuro próximo veamos algo que se acerque mucho al modelo de máquina de movimiento perpetuo que funcionará con energía renovable..
Conclusión
La eficiencia de un motor eléctrico es el parámetro más importante que determina la eficiencia de un motor en particular. Cuanto mayor sea la eficiencia, mejor será el motor. En un motor con una eficiencia del 95%, casi todosla energía gastada se gasta en hacer trabajo y solo el 5% no se gasta en necesidad (por ejemplo, en calentar repuestos). Los motores diesel modernos pueden alcanzar una eficiencia del 45%, y esto se considera un resultado genial. La eficiencia de los motores de gasolina es aún menor.
