Как найти эффективный кпд двигателя

В чем измеряется КПД

Коэффициент полезного действия (кпд), характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии; определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой; обозначается обычно h = Wпол/Wcyм.

В электрических двигателях кпд — отношение совершаемой (полезной) механической работы к электрической энергии, получаемой от источника; в тепловых двигателях — отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты; в электрических трансформаторах — отношение электромагнитной энергии, получаемой во вторичной обмотке, к энергии, потребляемой первичной обмоткой.

Для вычисления кпд разные виды энергии и механическая работа выражаются в одинаковых единицах на основе механического эквивалента теплоты, и др. аналогичных соотношений. В силу своей общности понятие кпд позволяет сравнивать и оценивать с единой точки зрения такие различные системы, как атомные реакторы, электрические генераторы и двигатели, теплоэнергетические установки, полупроводниковые приборы, биологические объекты и т. д.

Из-за неизбежных потерь энергии на трение, на нагревание окружающих тел и т. п. кпд всегда меньше единицы. Соответственно этому кпд выражается в долях затрачиваемой энергии, т. е. в виде правильной дроби или в процентах, и является безразмерной величиной. Кпд тепловых электростанций достигает 35—40%, двигателей внутреннего сгорания — 40—50%, динамомашин и генераторов большой мощности—95%, трансформаторов—98%.

В чем измеряется КПД.

Кпд процесса фотосинтеза составляет обычно 6—8%, у хлореллы он достигает 20—25%. У тепловых двигателей в силу второго начала термодинамики кпд имеет верхний предел, определяемый особенностями термодинамического цикла (кругового процесса), который совершает рабочее вещество. Наибольшим кпд обладает Карно цикл. Различают кпд отдельного элемента (ступени) машины или устройства и кпд, характеризующий всю цепь преобразований энергии в системе. Кпд первого типа в соответствии с характером преобразования энергии может быть механическим, термическим и т. д. Ко второму типу относятся общий, экономический, технический и др. виды кпд. Общий кпд системы равен произведению частных кпд, или кпд ступеней.

В технической литературе кпд иногда определяют т. о., что он может оказаться больше единицы. Подобная ситуация возникает, если определять кпд отношением Wпол/Wзатр, где Wпол — используемая энергия, получаемая на «выходе» системы, Wзатр — не вся энергия, поступающая в систему, а лишь та её часть, для получения которой производятся реальные затраты.

Например, при работе полупроводниковых термоэлектрических обогревателей (тепловых насосов) затрата электроэнергии меньше количества теплоты, выделяемой термоэлементом. Избыток энергии черпается из окружающей среды. При этом, хотя истинный кпд установки меньше единицы, рассмотренный кпд h = Wпол/Wзатр может оказаться больше единицы.

Примеры расчета КПД.

Взаимосвязь полезной мощности и КПД

Коэффициент полезного действия (КПД) – величина безразмерная, численно выражается в процентах. КПД обозначают буквой η.

Формула имеет вид:

η = А/Q,

где:

• А – полезная работа (энергия);
• Q – затраченная энергия.

По мере увеличения КПД в различных двигателях допустимо выстроить следующую линейку:

• электродвигатель – до 98%;
• ДВС – до 40%;
• паровая турбина – до 30%.

Что касается мощности, КПД равен отношению полезной мощности к полной мощности, которую выдает источник. В любом случае  η ≤ 1.

Важно! КПД и Pпол не одно и то же. В разных рабочих процессах добиваются максимума или одного, или другого

Получение максимальной энергии на выходе ИП

К сведению. Чтобы увеличить КПД подъёмных кранов, нагнетательных насосов или двигателей самолётов, нужно уменьшить силы трения механизмов или сопротивления воздуха. Этого достигают применением разнообразных смазок, установкой подшипников повышенного класса (заменив скольжение качением), изменением геометрии крыла и т.д.

Максимальная энергия или мощность на выходе ИП может быть достигнута при согласовании сопротивления нагрузки Rн и внутреннего сопротивления R0 ИП. Это значит, что Rн = R0. В этом случае КПД равен 50%. Это вполне приемлемо для малоточных цепей и радиотехнических устройств.

Однако этот вариант не подходит для электрических установок. Чтобы впустую не тратились большие мощности, режим эксплуатации генераторов, выпрямителей, трансформировав и электродвигателей таков, что к.п.д. приближается к 95% и выше.

График зависимости Рпол и η от тока в цепи

Достижение максимального КПД

Формула КПД источника тока имеет вид:

η = Pн/Pобщ = R/Rн+r,

где:

• Pн – мощность нагрузки;
• Pобщ – общая мощность;
• R – полное сопротивление цепи;
• Rн – сопротивление нагрузки;
• r – внутреннее сопротивление ИТ.

Как видно из графика, изображённого на рис. выше, мощность Pн с уменьшением тока в цепи стремится к нулю. КПД, в свою очередь, достигнет максимального значения, когда цепь будет разомкнута, и ток равен нулю, при коротком замыкании в цепи станет равным нулю.

Если обратиться к элементарному тепловому двигателю, состоящему из поршня и цилиндра, то у него степень сжатия равна степени расширения. Повышение КПД такого мотора возможно в случае:

• изначально высоких параметров: давления и температуры рабочего тела перед началом расширения;
• приближения их значений к параметрам окружающей среды по окончании расширения.

Достижение ηmax доступно лишь при наиболее эффективном изменении давления рабочего компонента во вращательное движение вала.

К сведению. Термический коэффициент полезного действия повышается с повышением доли теплоты, подаваемой к рабочему телу, которая преобразуется в работу. Подаваемая теплота делится на два вида энергии: внутренняя в виде температуры и энергия давления.

Механическую работу, по сути, совершает только второй вид энергии. Это порождает целый ряд минусов тормозящих процесс повышения КПД:

• некоторая часть давления уходит на внешнюю среду;
• достижение максимального коэффициента полезного действия невозможно без увеличения процента использования энергии давления для преобразования в работу;
• нельзя поднять КПД тепловых двигателей, не изменяя S поверхности приложения давления, и без удаления этой поверхности от точки вращения;
• использование только газообразного рабочего тела не способствует повышению η тепловых двигателей.

Для достижения высокого коэффициента полезного действия теплового двигателя нужно определяться с рядом решений. Этому способствуют следующие модели устройства:

• ввести в цикл расширения ещё одно рабочее тело с другими физическими свойствами;
• наиболее полно перед расширением использовать оба вида энергии рабочего тела;
• осуществлять генерацию добавочного рабочего тела прямо при расширении газообразного.

Информация. Все доработки двигателей внутреннего сгорания в виде: нагнетателя турбонадува, организации многократного или распределённого впрыска, а также повышения влажности воздуха, доведения топлива при впрыске до состояния пара, не дали ощутимых результатов резкого повышения КПД.

КПД двигателя внутреннего сгорания

Мощность и коэффициент полезного действия электродвигателей

Электрические двигатели имеют высокий коэффициент полезного действия (КПД), но все же он далек от идеальных показателей, к которым продолжают стремиться конструкторы. Все дело в том, что при работе силового агрегата преобразование одного вида энергии в другой проходит с выделение теплоты и неминуемыми потерями. Рассеивание тепловой энергии можно зафиксировать в разных узлах двигателя любого типа. Потери мощности в электродвигателях являются следствием локальных потерь в обмотке, в стальных деталях и при механической работе. Вносят свой вклад, пусть и незначительный, дополнительные потери.

Расчет КПД.

Магнитные потери мощности

При перемагничивании в магнитном поле сердечника якоря электродвигателя происходят магнитные потери. Их величина, состоящая из суммарных потерь вихревых токов и тех, что возникают при перемагничивании, зависят от частоты перемагничивания, значений магнитной индукции спинки и зубцов якоря. Немалую роль играет толщина листов используемой электротехнической стали, качество ее изоляции.

Механические и электрические потери

Механические потери при работе электродвигателя, как и магнитные, относятся к числу постоянных. Они складываются из потерь на трение подшипников, на трение щеток, на вентиляцию двигателя. Минимизировать механические потери позволяет использование современных материалов, эксплуатационные характеристики которых совершенствуются из года в год. В отличие от них электрические потери не являются постоянными и зависят от уровня нагрузки электродвигателя. Чаще всего они возникают вследствие нагрева щеток, щеточного контакта.

Падает коэффициент полезного действия (КПД) от потерь в обмотке якоря и цепи возбуждения. Механические и электрические потери вносят основной вклад в изменение эффективности работы двигателя.

Добавочные потери

Добавочные потери мощности в электродвигателях складываются из потерь, возникающих в уравнительных соединениях, из потерь из-за неравномерной индукции в стали якоря при высокой нагрузке. Вносят свой вклад в общую сумму добавочных потерь вихревые токи, а также потери в полюсных наконечниках. Точно определить все эти значения довольно сложно, поэтому их сумму принимают обычно равной в пределах 0,5-1%. Эти цифры используют при расчете общих потерь для определения КПД электродвигателя.

Будет интересно Правила безопасности при работе с электричеством

КПД и его зависимость от нагрузки

Коэффициент полезного действия (КПД) электрического двигателя это отношение полезной мощности силового агрегата к мощности потребляемой. Этот показатель у двигателей, мощностью до 100 кВт находится в пределах от 0,75 до 0,9. для более мощных силовых агрегатов КПД существенно выше: 0,9-0,97. Определив суммарные потери мощности в электродвигателях можно достаточно точно вычислить коэффициент полезного действия любого силового агрегата. Этот метод определения КПД называется косвенным и он может применяться для машин различной мощности.

Комментарий эксперта

Лагутин Виталий Сергеевич

Инженер по специальности «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем», МИФИ, 2005–2010 гг.

Задать вопрос

Для маломощных силовых агрегатов часто используют метод непосредственной нагрузки, заключающийся в измерениях потребляемой двигателем мощности. КПД электрического двигателя не является величиной постоянной, своего максимума он достигает при нагрузках около 80% мощности.

Достигает он пикового значения быстро и уверенно, но после своего максимума начинает медленно уменьшаться. Это связывают с возрастанием электрических потерь при нагрузках, более 80% от номинальной мощности. Падение коэффициента полезного действия не велико, что позволяет говорить о высоких показателях эффективности электродвигателей в широком диапазоне мощностей.

От чего зависит КПД дизельного двигателя

Если сравнивать эффективность бензинового и дизельного моторов, выяснится, что второй обладает лучшими показателями:

• замечено, что, бензиновые двигатели преобразуют только одну четвертую часть использованной энергии в механическую работу;
• в то время, как дизельные – 40% соответственно;
• при установке турбонаддува в дизеле, КПД газотурбинного двигателя возрастает до 50 и более процентов.

Конструкция и принцип работы дизелей способствуют наибольшей эффективности в сравнении с карбюраторными двигателями. Причины лучшего КПД дизельного двигателя:

1. Более высокий показатель степени сжатия.
2. Воспламенение топлива происходит по другому принципу.
3. Корпусные детали нагреваются меньше.
4. Благодаря меньшему количеству клапанов, снижены расходы энергии на преодоление сил трения.
5. В конструкции дизеля отсутствуют привычные свечи, катушки зажигания, на которые требуется дополнительная энергия от электрогенератора.
6. Коленчатый вал дизеля раскручивается с меньшими оборотами.

В сравнении с дизелями, электрические двигатели считаются более эффективными. Двигатель с самым большим КПД – это электрический. При создании более долговечных аккумуляторных батарей, которым не страшны морозы, автомобильная промышленность постепенно перейдет на выпуск электромобилей в больших количествах.

Асинхронные механизмы

Расшифровка термина «асинхронность» — несовпадение по времени. Понятие используется во многих современных машинах, которые являются электрическими и способны преобразовывать соответствующую энергию в механическую. Плюсы устройств:

• простое изготовление;
• низкая цена;
• надёжность;
• незначительные эксплуатационные затраты.

Чтобы рассчитать КПД, используется уравнение η = P2 / P1. Для расчёта Р1 и Р2 применяются общие данные потери энергии в обмотках мотора. У большинства агрегатов показатель находится в пределах 80−90%. Для быстрого расчёта используется онлайн-ресурс либо личный калькулятор. Для проверки возможного КПД у мотора внешнего сгорания, который функционирует от разных источников тепла, используется силовой агрегат Стирлинга. Он представлен в виде тепловой машины с рабочим телом в виде жидкости либо газа. Вещество движется по замкнутому объёму.

Принцип его функционирования основан на постепенном нагреве и охлаждении объекта за счёт извлечения энергии из давления. Подобный механизм применяется на косметическом аппарате и современной подводной лодке. Его работоспособность наблюдается при любой температуре. Он не нуждается в дополнительной системе для запуска. Его КПД возможно расширить до 70%, в отличие от стандартного мотора.

Рабочие характеристики

Рабочими называются регулировочная, скоростная, моментная и к.п.д. характеристики.

Регулировочная характеристика

Регулировочная характеристика представляет зависимость скорости вращения П от тока Iв возбуждения в случае, если ток Iа якоря и напряжение U сети остаются неизменными, т. е. n=f(Iв) при Ia=const и U=const.

До тех пор, пока сталь магнитопривода машины не насыщена, поток Ф изменяется пропорционально току возбуждения Iв. В этом случае регулировочная характеристика является гиперболической. По мере насыщения при больших токах Iв характеристика приближается к линейной (рис. 2). При малых значениях тока Iв скорость вращения резко возрастает. Поэтому при обрыве цепи возбуждения двигателя (Iв = 0) с параллельным возбуждением скорость его вращения достигает недопустимых пределов, как говорят: «Двигатель идет вразнос». Исключение могут составлять микродвигатели, которые имеют относительно большой момент М0 холостого хода.

Рис. 2. Регулировочная характеристика двигателя

В двигателях последовательного возбуждения Iв = Iа. При малых нагрузках ток якоря Iа мал и скорость вращения может быть слишком большой, поэтому пуск и работа при малых нагрузках недопустимы. Микродвигатели так же, как и. в предыдущем случае, могут составлять исключение.

Скоростные характеристики.

Скоростные характеристики дают зависимость скорости вращения п от полезной мощности Р2 на валу двигателя в случае, если напряжение U сети и сопротивление rв регулировочного реостата цепи возбуждения остаются неизменными, т. е. n=f(P2), при U=const и rв = const.

Рис. 3. Скоростные характеристики

С возрастанием тока якоря при увеличении механической нагрузки двигателя параллельного возбуждения одновременно увеличивается падения напряжения в якоре и появляется реакция якоря, которая обычно действует размагничивающим образом. Первая причина стремится уменьшить скорость вращения двигателя, вторая — увеличить. Действие падения напряжения в якоре обычно оказывает большее влияние. Поэтому скоростная характеристика двигателя параллельного возбуждения имеет слегка падающий характер (кривая 1, рис. 3).

В двигателе последовательного возбуждения ток якоря является током возбуждения. В результате скоростная характеристика двигателя с последовательным возбуждением имеет характер, близкий к гиперболическому. При увеличении нагрузки по мере насыщения магнитной цепи характеристика приобретает более прямолинейный характер (кривая 3 на рис. 3).

В компаундном двигателе при согласном включении обмоток скоростная характеристика занимает промежуточное положение между характеристиками двигателя параллельного и последовательного возбуждения (кривая 2).

Моментные характеристики.

Моментные характеристики показывают, как изменяется момент М при изменении полезной мощности Р2 на валу двигателя, если напряжение U сети и сопротивление rв регулировочного реостата в цепи возбуждения остаются неизменными, т. е. М = f(P2), при U=const, rв=const.

Полезный момент на валу двигателя

Если скорость вращения двигателя параллельного возбуждения не изменялась бы с нагрузкой, то зависимость момента Ммех от полезной мощности графически представляла бы прямую линию, проходящую через начало координат. В действительности скорость вращения с увеличением нагрузки падает. Поэтому характеристика полезного момента несколько загибается кверху (кривая 2, рис. 4). При этом кривая электромагнитного момента М проходит выше кривой полезного момента Ммех на постоянную величину, равную моменту холостого хода М0 (кривая 1).

Рис. 4. Моментные характеристики

В двигателе последовательного возбуждения вид моментной характеристики приближается к параболическому, так как изменение момента от тока нагрузки происходит, по закону параболы, пока сталь не насыщена. По мере насыщения зависимость приобретает более прямолинейный характер (кривая 4). В компаундном двигателе моментная характеристика (кривая 3) занимает промежуточное положение между характеристиками двигателя параллельного и последовательного возбуждения.

Характеристика изменения коэффициента полезного действия.

Кривая зависимости к. п. д. от нагрузки имеет характерный для всех двигателей вид (рис 5). Кривая проходит через начало координат и быстро растет при увеличении полезной мощности до 1/4 номинальной. При мощности Р2, равной примерно 2/3 номинальной, к. п. д. обычно достигает максимального значения. При увеличении нагрузки до номинальной к. п. д. остается постоянным или незначительно падает.

Рис. 5. Изменение к. п. д. двигателя

Физика

Коэффициент полезного действия источника тока ( КПД ) определяется долей полезной мощности от полной мощности источника тока:

η = P полезн P полн ⋅ 100 % ,

где P полезн — полезная мощность источника тока (мощность, выделяющаяся во внешней цепи); P полн — полная мощность источника тока:

P полн = P полезн + P потерь ,

т.е. суммарная мощность, выделяющаяся во внешней цепи ( P полезн ) и в источнике тока ( P потерь ).

Коэффициент полезного действия источника тока (КПД) определяется долей полезной энергии от полной энергии, вырабатываемой источником тока:

η = E полезн E полн ⋅ 100 % ,

где E полезн — полезная энергия источника тока (энергия, выделяющаяся во внешней цепи); E полн — полная энергия источника тока:

E полн = E полезн + E потерь ,

т.е. суммарная энергия, выделяющаяся во внешней цепи ( E полезн ) и в источнике тока ( E потерь ).

Энергия источника тока связана с мощностью источника тока следующими формулами:

энергия, выделяющаяся во внешней цепи (полезная энергия) за время t , связана с полезной мощностью источника P полезн —

E полезн = P полезн t ;

энергия, выделяющаяся в источнике тока (энергия потерь) за время t , связана с мощностью потерь источника P потерь —

E потерь = P потерь t ;

полная энергия , вырабатываемая источником тока за время t , связана с полной мощностью источника P полн —

E полн = P полн t .

Коэффициент полезного действия источника тока (КПД) может определяться:

долей, которую составляет сопротивление внешней цепи от суммарного сопротивления источника тока и нагрузки (внешней цепи), —

где R — сопротивление цепи (нагрузки), к которой подключен источник тока; r — внутреннее сопротивление источника тока;

долей, которую составляет разность потенциалов на клеммах источника от его электродвижущей силы, —

где U — напряжение на зажимах (клеммах) источника тока; ℰ — ЭДС источника тока.

При максимальной мощности , выделяющейся во внешней цепи, КПД источника тока равен 50 %:

так как в этом случае сопротивление нагрузки R равно внутреннему сопротивлению r источника тока:

η * = R R + r ⋅ 100 % = r r + r ⋅ 100 % = r 2 r ⋅ 100 % = 50 % .

Пример 16. При подключении источника тока с КПД 75 % к некоторой цепи на ней выделяется мощность, равная 20 Вт. Найти количество теплоты, выделившееся в источнике тока за 10 мин.

Решение . Проанализируем условие задачи.

Мощность, выделяющаяся во внешней цепи, является полезной:

P полезн = 20 Вт,

где P полезн — полезная мощность источника тока.

Количество теплоты, которое выделяется в источнике тока, связано с мощностью потерь:

Q потерь = P потерь t ,

где P потерь — мощность потерь; t — время работы источника тока.

КПД источника связывает полезную и полную мощности:

η = P полезн P полн ⋅ 100 % ,

где P полн — полная мощность источника тока.

Полезная мощность и мощность потерь в сумме дают полную мощность источника тока:

P полн = P полезн + P потерь .

Записанные уравнения образуют систему уравнений:

η = P полезн P полн ⋅ 100 % , Q потерь = P потерь t , P полн = P полезн + P потерь . >

Для нахождения искомой величины — количества теплоты, выделившейся в источнике Q потерь , — необходимо определить мощность потерь P потерь . Выполним подстановку третьего уравнения в первое:

η = P полезн P полезн + P потерь ⋅ 100 %

и выразим P потерь :

P потерь = 100 % − η η P полезн .

Подставим полученную формулу в выражение для Q потерь :

Q потерь = 100 % − η η P полезн t .

Q потерь = 100 % − 75 % 75 % ⋅ 20 ⋅ 10 ⋅ 60 = 4,0 ⋅ 10 3 Дж = 4,0 кДж .

За указанное в условии задачи время в источнике выделится 4,0 кДж теплоты.

Источник

Классификации

По источнику энергии

Двигатели могут использовать следующие типы источников энергии:

• электрические;
  • постоянного тока (электродвигатель постоянного тока);
  • переменного тока (синхронные и асинхронные);
• электростатические;
• химические;
• ядерные;
• гравитационные;
• пневматические;
• гидравлические;
• лазерные.

По типам движения

Получаемую энергию двигатели могут преобразовывать к следующим типам движения:

• вращательное движение твёрдых тел;
• поступательное движение твёрдых тел;
• возвратно-поступательное движение твёрдых тел;
• движение реактивной струи;
• другие виды движения.

Электродвигатели, обеспечивающие поступательное и/или возвратно-поступательное движение твёрдого тела;

• линейные;
• индукционные;
• пьезоэлектрические.

Некоторые типы электроракетных двигателей:

• ионные двигатели;
• стационарные плазменные двигатели;
• двигатели с анодным слоем;
• радиоионизационные двигатели;
• коллоидные двигатели;
• электромагнитные двигатели и др.

По устройству

Двигатели внешнего сгорания — класс двигателей, где источник тепла или процесс сгорания топлива отделены от рабочего тела:

• поршневые паровые двигатели;
• паровые турбины;
• двигатели Стирлинга;
• паровой двигатель.

Двигатели внутреннего сгорания — класс двигателей, у которых образование рабочего тела и подвод к нему тепла объединены в одном процессе и происходят в одном технологическом объеме:

• двигатели с герметично запираемыми рабочими камерами (поршневые и роторные ДВС);
• двигатели с камерами, откуда рабочее тело имеет свободный выход в атмосферу (газовые турбины).

По типу движения главного рабочего органа ДВС с запираемыми рабочими камерами делятся на ДВС с возвратно-поступательным движением (поршневые) (делятся на тронковые и крецкопфные) и ДВС с вращательным движением (роторные), которые по видам вращательного движения делятся на 7 различных типов конструкций. По типу поджига рабочей смеси ДВС с герметично запираемыми камерами делятся на двигатели с принудительным электрическим поджиганием (калильным или искровым) и двигатели с зажиганием рабочей смеси от сжатия (дизель).

По типу смесеобразования ДВС делятся на: с внешним смесеобразованием (карбюраторные) и с непосредственным впрыском топлива в цилиндры или впускной коллектор (инжекторные). По типу применяемого топлива различают ДВС работающие на бензине, сжиженном или сжатом природном газе, на спирте (метаноле) и пр.

Реактивные двигатели

Воздушно-реактивные двигатели:

• прямоточные реактивные (ПВРД);
• пульсирующие реактивные (ПуВРД);
• газотурбинные двигатели:
  • турбореактивные (ТРД);
  • двухконтурные (ТРДД);
  • турбовинтовые (ТВД);
  • турбовинтовентиляторные ТВВД;

Ракетные двигатели

• жидкостные ракетные двигатели;
• твердотопливные ракетные двигатели;
• ядерные ракетные двигатели;
• некоторые типы электроракетных двигателей.

По применению

В связи с принципиально различными требованиями к двигателю в зависимости от его назначения, двигатели идентичные по принципу действия, могут называться «корабельными», «авиационными», «автомобильными» и тому подобными.

Категория «Двигатели» в патентоведении одна из наиболее активно пополняемых. В год по всему миру подаётся от 20 до 50 заявок в этом классе. Часть из них отличаются принципиальной новизной, часть — новым соотношением известных элементов. Новые же по конструкции двигатели появляются очень редко.