Elektrik motoru kayıpları, verim ve IE sınıfları

Verim ve enerji akışı

Motor, elektriksel giriş gücünü mekanik çıkış gücüne dönüştürür. Hiçbir şey kusursuz dönüşmez; geri kalanı motoru ve ortamı ısıtan ısıya dönüşür.

η = P_out / P_in = (P_in − P_kayıp) / P_in

Burada P_out = T × ω mildeki güçtür. Üç fazlı bir AC motor için giriş gücü

P_in = √3 × V_L × I_L × cos φ

ile bulunur; V_L hat gerilimi, I_L hat akımı, cos φ güç faktörüdür. DC motor için bu basitçe P_in = V × I'dır.

Verim sabit değildir. Hafif yükte düşüktür, anma yükünün yaklaşık %60 ile %100'ü arasında tepe yapar ve motor aşırı yüklendiğinde yeniden düşer. Küçük motorlar büyüklerden daha az verimlidir: çok küçük bir motor %70'in çok altında kalabilirken büyük makineler %95'i aşabilir.

Bakır kayıpları (I² × R)

Sargıların direncinden geçen akım ısı üretir.

P_cu = I² × R

Alüminyum rotor çubuklarında bile bunlara bakır kayıpları (ya da Joule veya omik kayıplar) denir. Üç fazlı asenkron motorda iki bölümü vardır: stator bakır kaybı, 3 × I² × R_s ve rotor bakır kaybı; ikincisi kayma çarpı hava aralığı gücüne eşittir, s × P_gap. Rotor bakır kaybı kaymanın bedelidir: kayma ne kadar büyükse hava aralığı gücünün rotorda kaybolan payı o kadar büyük olur.

Bakır kaybı akımın karesiyle artar; akımı iki katına çıkarmak ısıyı dört katına çıkarır. Yüksek yükte baskın kayıp budur ve aşırı yükün motoru neden hızla ısıttığını açıklar. Bakır direnci °C başına yaklaşık %0,4 arttığı için kayıp sıcaklıkla da büyür.

Demir (nüve) kayıpları

Stator nüvesindeki alternatif manyetik akı, çelikte iki kayba yol açar.

• Histerezis kaybı: çeliğin her periyotta mıknatıslanıp mıknatıslığının giderilmesi, B–H çevriminin alanı ve frekansla orantılı enerji tüketir.
• Girdap akımı kaybı: değişen akı, çeliğin kendisinde dolanan akımlar indükler. Nüvenin, tipik olarak 0,35 mm ile 0,5 mm kalınlığında ince ve yalıtılmış sacların üst üste konmasıyla yapılması bunları azaltır.

Demir kaybı esas olarak, akıyı belirledikleri için gerilime ve frekansa bağlıdır; yüke neredeyse hiç bağlı değildir. Bu nedenle boştan tam yüke kadar kabaca sabittir ve hafif yüklü motorların verimsiz olmasının başlıca nedenidir. Daha kaliteli elektrik çeliği, daha ince saclar ve daha düşük akı yoğunluğu bunu azaltır.

Sürtünme, vantilasyon ve ek kayıplar

• Sürtünme kaybı: rulmanlar ve fırçalı motorlarda kolektör ya da bileziklere sürtünen fırçalar.
• Vantilasyon (hava sürtünmesi) kaybı: rotora etki eden hava direnci ve mil üzerindeki soğutma fanının tükettiği güç.
• Ek yük kayıpları: modellemesi zor olan her şey; örneğin harmonik akılar, alın bölgesindeki kaçak akı ve yükle artan iletkenlerdeki girdap akımları. Standartlar bunları ya sabit bir oran olarak varsayar ya da deneyle belirler.

Sürtünme ve vantilasyon hıza bağlıdır ve sabit hızlı bir motor için neredeyse sabittir. Ek kayıplar yükle, genellikle akımın karesi kadar artar. Üçü birlikte orta boy motorlarda anma girişinin tipik olarak yüzde birkaçıdır.

Çözümlü örnek: 7,5 kW'lık dört kutuplu motor

400 V, 50 Hz, dört kutuplu bir asenkron motor tam yükte milde 7,5 kW verir. Kayıplarının şöyle olduğunu varsayalım:

• Stator bakır: 340 W
• Rotor bakır: 190 W
• Demir: 160 W
• Sürtünme ve vantilasyon: 70 W
• Ek yük: 40 W

1. Toplam kayıp: 340 + 190 + 160 + 70 + 40 = 800 W. 2. Giriş gücü: P_in = 7500 + 800 = 8300 W. 3. Verim: η = 7500 / 8300 ≈ 0,904, yani %90,4. 4. Güç faktörü 0,82 ise görünür güç S = 8300 / 0,82 ≈ 10 122 VA olur. 5. Hat akımı I = S / (√3 × 400) = 10 122 / 692,8 ≈ 14,6 A'dir.

800 W'lık ısı soğutmayla atılmalıdır; soğutma fanının ve gövde kanatçıklarının önemi buradan gelir. Yarım yükte çıkış 3,75 kW olur; bakır kayıpları kabaca dörtte birine iner, ancak demir ve sürtünme kayıpları aynı kalır. Bu değerlerle kayıplar yaklaşık 372 W'a düşer ve verim 3750 / 4122 ≈ %91 ile tepe değerine yakın kalır; güç faktörü ise çok daha fazla düşer.

IE verim sınıfları ve güç faktörü

IEC 60034-30-1 standardı, şebekeden beslenen üç fazlı motorlar için, kabaca 0,12 kW ile 1000 kW arasında, 50 ve 60 Hz'de 2, 4, 6 ve 8 kutuplu motorları kapsayan uluslararası verim sınıfları tanımlar.

• IE1: standart verim
• IE2: yüksek verim
• IE3: premium verim
• IE4: süper premium verim

Yeni standart çalışmalarında IE5 ultra premium sınıfı da kullanımda ya da tartışmadadır; konvertörle beslenen motorların kendi standardı IEC 60034-30-2'dir. Tam sınır değeri güce, kutup sayısına ve frekansa bağlıdır; bu yüzden motorunuz için tabloya bakın. AB dahil birçok bölge genel kullanım için IE1 motorları kaldırmış, güç aralığının büyük bölümünde IE3 ya da daha iyisini şart koşmuştur. Bir sınıf yükselmek tipik olarak kayıpların yaklaşık %15 ile %20'sini ortadan kaldırır; motorlar tüm sanayi elektriğinin büyük bir payını tükettiği için bu hızla kendini amorti eder.

Güç faktörü ayrı bir büyüklüktür. Aktif güç ile görünür güç arasındaki oran olan cos φ'dir ve yalnızca AC motorlarda vardır. Asenkron motor nüvesini mıknatıslamak için reaktif akıma ihtiyaç duyar; bu yüzden cos φ tam yükte tipik olarak 0,8 ile 0,9, boşta ise 0,3'ün altındadır. Düşük güç faktörü motorun kendi içinde enerji harcamaz, ancak hat akımını, kablo kayıplarını ve talep bedelini artırır; bu yüzden çoğunlukla kondansatörlerle düzeltilir.

Curvo Studio simülatörlerinde deneyin

Üç fazlı asenkron motor simülatörünü açın. Değerler arasında Verim, Güç faktörü, Çıkış gücü, Motor momenti ve Tahmini akım bulunur; Yüke göre performans grafiği akımı, kaymayı, verimi ve güç faktörünü yüke karşı çizer.

• Yük tipi altında Sabit moment seçin (Yüksüz seçiliyken Mekanik yük kaydırıcısı devre dışıdır), ardından Mekanik yük kaydırıcısını %0'dan %100'e getirin. Varsayılan 4 kW'lık motorda Güç faktörü boşta yaklaşık 0,1'den anma yükünde yaklaşık 0,8'e çıkar; Verim %25 yükte yaklaşık %79'dan %50 ile %100 yük arasında kabaca %86'ya yükselir. Bu bir ders modelidir; dolayısıyla değerleri bir IE sınıfı değeri değildir.
• Künye şablonu listesinden küçük ve büyük bir motor seçin ve aynı yük yüzdesinde değerlerini karşılaştırın.
• Uygulanan hat gerilimini düşürün ve aynı yükte Tahmini akım ile Verim'in nasıl değiştiğine bakın.

DC jeneratör simülatöründe Milden alınan güç, Elektriksel çıkış, Toplam kayıplar ve Verim değerleri bulunur; böylece P_in = P_out + P_kayıp enerji dengesini doğrudan kontrol edebilirsiniz. Fırçalı DC motor simülatörü, I² × R'yi hesaplayabileceğiniz Armatür akımını gösterir.

Simülatörde deneyin