Účinnost motoru je měřítkem efektivnosti, se kterou je elektrická energie přeměněna na mechanickou energii, a je vyjádřena jako poměr výkonu k příkonu. Účinnosti motorů jsou obvykle udávány pro jmenovité zatížení, ačkoliv lze také získat přibližné hodnoty pro 3/4 zatížení a 1/2 zatížení.
Účinnost motoru je především funkcí zatížení, jmenovitého výkonu a otáček, jak je uvedeno níže.
- a) Změna účinnosti v závislosti na zatížení je vlastní charakteristikou motorů. Provoz motoru při zatíženích, která se podstatně liší od jmenovitého zatížení, může vést ke změně účinnosti motoru.
- b) Účinnost plně zatížených motorů se obecně zvyšuje s fyzickou velikostí a jmenovitým výkonem motorů.
- c) Pro stejné jmenovité výkony platí, že motory s vyššími otáčkami mají obecně, ale ne vždy, vyšší účinnost při jmenovitém zatížení, než motory s nižšími jmenovitými otáčkami. Neznamená to, že by všechna zařízení měla být poháněna vysokootáčkovými motory. Tam, kde jsou k zajištění nezbytných nižších otáček požadovány mechanismy s proměnnými otáčkami, jako například řemenice nebo převodovky, by mohly přídavné ztráty výkonu snížit účinnost systému na hodnotu nižší, než je hodnota zajištěná motorem s přímým pohonem o nižších otáčkách.
Mezi jmenovitými otáčkami (min-1) a účinností asynchronního motoru nakrátko existuje přesný vztah. To znamená, že čím nižší jsou jmenovité otáčky, tím nižší je účinnost, protože skluz je měřítkem ztrát v rotorovém vinutí (skluz asynchronního motoru je rozdíl mezi synchronními otáčkami a provozními otáčkami). Skluz, vyjádřený v %, je rozdíl otáček dělený synchronními otáčkami a vynásobený 100. Proto jsou asynchronní motory nakrátko v provedení N, které mají skluz při plném zatížení nižší než 5 %, účinnější než motory s vyšším skluzem a mají být použity tehdy, pokud to aplikace dovoluje.
Pro zatížení, jako například čerpadla, ventilátory a vzduchové kompresory, může být reálné dosažení významných úspor energie za použití víceotáčkového motoru nebo pohonu s proměnnými otáčkami (VSD). Je však třeba poznamenat, že účinnost víceotáčkového motoru při každých provozních otáčkách je poněkud nižší než u jednootáčkového motoru se srovnatelným jmenovitým výkonem. Víceotáčkové motory s jedním vinutím (například Dahlanderovým vinutím) jsou obecně účinnější než víceotáčkové motory s dvojím vinutím.
Motory, které pracují trvale nebo po dlouhou dobu, poskytují významnou příležitost ke snížení spotřeby energie. Příklady takových aplikací jsou výrobní stroje, zařízení s prouděním vzduchu, čerpadla a mnoho druhů průmyslových zařízení.
Zatímco mnoho motorů je provozováno trvale, některé motory se používají po velmi krátkou dobu a velmi nízký počet hodin za rok. Příklady takových aplikací jsou ventilové motory, otvírače přehradních vrat, otvírače průmyslových vrat, požární čerpadla a kalová čerpadla. V těchto případech by změna účinnosti motoru nevedla k podstatné změně nákladů na celkovou energii, protože se týká velmi malé části celkové energie a mohla by snížit požadovaný výkon.
Mírný nárůst účinnosti motoru o několik procentních bodů může představovat dosti významný procentní pokles ztrát motoru. Například zvýšení účinnosti z 75 % na 78,9 %, z 85 % na 87,6 %, nebo z 90 % na 91,8 % vždy představuje pro stejný výkon snížení ztrát o 20 %.
Jelikož se účinnost typicky zvyšuje s velikostí motoru, mají obvykle vysokonapěťové motory s výstupním výkonem přesahujícím 1 MW účinnost vyšší než 95 %.
Zatímco se výkon elektrického motoru zvyšuje s kvadrátem jeho průměru, odvod tepla roste téměř lineárně. Proto je vyšší účinnost nevyhnutelným předpokladem při návrhu větších motorů.
Ztráty motoru
Elektrický motor přeměňuje elektrickou energii na mechanickou, přitom vznikají ztráty, které se obvykle popisují takto:
- a) Elektrické (statorové, rotorové) ztráty (mění se v závislosti na zatížení) - Proud protékající statorovými a rotorovými vinutími vyvolává ztráty, které jsou úměrné součinu kvadrátu proudu
a odporu vinutí (l2R). Rotorové ztráty se zvyšují se skluzem. - b) Ztráty v železe (jádře) (v podstatě nezávislé na zatížení) - Tyto ztráty jsou vyvolány především v listěném jádře statoru a v menší míře i v rotoru. Magnetické pole, které je zásadní pro vyvolání točivého momentu v motoru, způsobuje hysterezní ztráty a ztráty vířivými proudy.
- c) Mechanické ztráty (ztráty třením a ventilační ztráty) (v podstatě nezávislé na zatížení) - Mechanické ztráty vznikají v ložiscích, ventilátorech a těsněních motoru. Tyto ztráty jsou obvykle nízké u pomaloběžných motorů s krytím IP2X, IP4X a IP5X, ale mohou být značné u velkých, vysokootáčkových a úplně uzavřených motorů s krytím IP6X.
- d) Přídavné ztráty při zatížení (ztráty rozptylem při zatížení). Přídavné ztráty v železe díky základnímu a vysokému kmitočtu; ztráty ve vodiči a ztráty vyrovnávacími proudy ve statorovém vinutí; ztráty harmonickými v rotorových vodičích při zatížení. Předpokládá se, že tyto ztráty jsou úměrné kvadrátu točivého momentu.
Složky ztrát motoru s typickým % z celkových ztrát motoru, které reprezentují, a návrhové a konstrukční faktory, které ovlivňují jejich velikost, jsou uvedeny v tab. 1.
Obecně platí, že ztráty mohou být sníženy přidáním aktivního materiálu do motoru, tj. druhem a množstvím vodičů a magnetických materiálů.
Přídavné ztráty motoru při provozu s měničem kmitočtu
Harmonické napětí a proudu v asynchronním motoru nakrátko napájeném z měniče kmitočtu způsobují ve statoru a rotoru přídavné ztráty v železe a ztráty ve vinutí l2R. Celková hodnota těchto přídavných ztrát je v podstatě nezávislá na zatížení. Tyto přídavné ztráty se snižují s narůstajícím spínacím kmitočtem v měniči.
Za nepříznivých okolností mohou přídavné ztráty v motoru, způsobené měničem kmitočtu, zvyšovat celkové ztráty o 15 % až 20 % oproti provozu se sinusovým napájením.
Motory pro vyšší třídy účinnosti
Předpokládá se, že pokročilé technologie umožní výrobcům konstruovat motory pro vyšší účinnosti než IE3 při mechanických rozměrech (příruby, osové výšky motoru, atd.) kompatibilních s existujícími motory s nižšími třídami účinnosti (například norma ČSN EN 50347, NEMA MG1 a jiné místní normy). Tyto motory obvykle pro provoz vyžadují výkonovou elektroniku (měniče kmitočtu).
Při použití synchronních motorů bez budicího vinutí jsou ztráty v rotoru téměř eliminovány.
Synchronní motory s permanentními magnety (PMSM) a reluktanční synchronní motory (RSM) jsou již vyvíjeny a do určité míry komerčně dostupné. PMSM mají obvykle nějaký vlastní reluktanční točivý moment a RSM mohou být vybuzené PM, a tak jsou možná hybridní provedení.
V závislosti na množství použitého magnetického materiálu může mít PMSM vyšší účiník než asynchronní motor, a tak zvyšuje účinnost v distribuční soustavě a měniči kmitočtu. Tyto motory však pro správný provoz vyžadují měnič kmitočtu a snímač polohy rotoru (enkodér) (pokud se v měniči nepoužívá algoritmus bezsenzorového řízení).
Jednodušší řízení motoru s blokovým přepínaným napětím o nízkém spínacím kmitočtu se také běžně používá u motorů s malou velikostí a/nebo u vysokootáčkových motorů („bezkartáčové-stejnosměrné" nebo „elektronicky komutované (EC) motory"). Hlavní nevýhodou jsou přídavné ztráty v důsledku parazitních harmonických napětí a proudů. Zvýšení účinnosti vůči asynchronním motorům je nižší, než ve srovnání se zvýšením účinnosti u synchronních motorů s permanentními magnety řízenými PWM (pulzní šířkovou modulací) nebo u reluktančních synchronních motorů vůči asynchronním motorům.
Jiná konstrukce synchronního motoru je charakterizována jak permanentními magnety, tak klecí. Proto může být použit pro online rozběh (rozběh ze sítě, permanentní magnet, synchronní motory „LSPM"). Pro provoz tyto motory nutně nepotřebují měnič kmitočtu. Jejich rozběhové vlastnosti jsou však dosti špatné s pulzacemi točivého momentu, hlukem a značnými omezeními pro přípustný zatěžovací moment a setrvačnost zátěže. Potřebují být přesně přizpůsobeny aplikaci a nemohou se používat jako univerzální stroje.
Změny u ztrát motoru
Všechny vyrobené produkty jsou ovlivňovány tolerancemi materiálů a výrobními metodami. Žádné dva produkty nebudou fungovat naprosto stejným způsobem, i když mají stejnou konstrukci a byly vyrobeny současně na stejné montážní lince.
To platí i pro elektrické motory. Výrobní tolerance materiálů, jako například oceli použité na dynamové plechy ve statorových nebo rotorových jádrech, povedou ke změnám magnetických vlastností a zásadně ovlivní ztráty v železe, a tedy i účinnost motoru. Například při použití zkoušeného motoru 7,5 kW by zvýšení ztrát v železe o 10 % (z 300 W na 330 W), což spadá do tolerance poskytované výrobcem oceli, vedlo k zvýšení celkových ztrát motoru z 946 W na 976 W a ke snížení účinnosti z 88,8 % (IE2) na 88,5 % (IE1).
Ke změnám může také dojít v důsledku omezení výrobních procesů. Pro praktické rozměrové tolerance částí motorů existuje ekonomický limit. Kombinace těchto sdružených částí vede k rozměrovým odchylkám, jako například velikosti vzduchové mezery, což způsobuje změny přídavných ztrát při zatížení a tím i účinnosti elektrického motoru.
Kromě toho mohou být neurčitosti způsobeny výrobními procesy a zkušebními postupy.
Takto lze při předpovídání účinnosti daného motoru mluvit o jmenovité účinnosti, jak byla stanovena výrobcem (která se má shodovat s průměrnou účinností velkého souboru motorů). Jmenovitá účinnost má také převyšovat požadovanou normativní jmenovitou účinnost třídy jmenovité účinnosti, nebo s ní být shodná v souladu s normou ČSN EN 60034-30-1.
Skutečná účinnost jakéhokoliv motoru při jmenovitém zatížení, který je provozován při jmenovitém napětí a kmitočtu, může být nižší než jmenovitá účinnost, ale ne nižší než rozdíl jmenovité účinnosti a tolerance účinnosti podle normy ČSN EN 60034-1 ed. 2. To je úroveň, která je dosažena, když jsou jak výchozí materiály, tak výrobní procesy na nejméně příznivé mezi svých stanovených tolerancí.
Jmenovitá účinnost má být použita při odhadu výkonu potřebného pro napájení řady motorů. Minimální účinnost (rozdíl jmenovité a tolerance) dává uživateli motoru záruku, že získává požadované vlastnosti.
