Kalkulator sprawności silnika

η = Pwy/Pwe × 100%

Silnik pobierający 5 kW i oddający na wale 4,25 kW ma sprawność 85%. Pozostałe 0,75 kW nie znika: zamienia się głównie w ciepło, hałas, drgania i straty elektromagnetyczne lub mechaniczne.

Wynik większy niż 100% oznacza błąd danych, nie urządzenie produkujące energię. Sprawdź jednostki, punkt pomiaru i to, czy moc wejściowa obejmuje wszystkie źródła.

Najpierw wyznacz granicę układu

Dla silnika elektrycznego można porównać energię z zacisków z mocą wału. Dla całego napędu wejściem może być energia z sieci przed falownikiem, a wyjściem moc po przekładni. Drugi wynik zawiera straty falownika i przekładni, więc będzie niższy.

Porównywanie sprawności samego silnika z wynikiem całej maszyny jest nieuczciwe. W raporcie zapisz, gdzie znajdowały się mierniki i które elementy są wewnątrz bilansu.

Na wale P = Mω

Moment w N·m mnoży się przez prędkość kątową w rad/s. Dla obrotów na minutę używa się ω = 2πn/60. Silnik rozwijający 20 N·m przy 1500 obr./min oddaje około 3,14 kW.

Nie mnoż bezpośrednio N·m przez obr./min bez współczynnika. Jednostki muszą zostać zamienione. Moment szczytowy i maksymalna prędkość często nie występują jednocześnie, więc nie twórz z nich fikcyjnej mocy.

1. zmierz równoczesną energię wejściową
2. wyznacz użyteczną energię na wale
3. porównaj kilka punktów rzeczywistego obciążenia

Moc elektryczna wymaga właściwego sposobu pomiaru

W prostym obwodzie DC moc to napięcie razy prąd. W AC znaczenie ma współczynnik mocy, liczba faz i przebieg prądu. Iloczyn wartości RMS U × I może być mocą pozorną, a nie czynną rzeczywiście pobieraną.

Falowniki tworzą przebiegi odkształcone, dlatego zwykły multimetr może nie wystarczyć. Analizator mocy powinien mierzyć w punkcie i paśmie odpowiednim dla badanego napędu.

Jeden wynik nie opisuje całej charakterystyki

Silnik ma straty występujące nawet bez obciążenia oraz straty rosnące z prądem i momentem. Przy bardzo małym obciążeniu stałe straty stanowią dużą część wejścia, więc sprawność spada. Najwyższa wartość pojawia się zwykle w określonym zakresie obciążenia.

Do doboru napędu użyj mapy lub danych producenta w punkcie, w którym maszyna pracuje najdłużej. Przewymiarowany silnik może działać większość czasu w niekorzystnym obszarze.

Bilans energii w cyklu bywa ważniejszy niż sprawność chwilowa

Maszyna przyspiesza, hamuje, czeka i pracuje z różnymi momentami. Oblicz energię wejściową i użyteczną w całym cyklu, a nie średnią arytmetyczną procentów. Krótki etap o małej mocy nie powinien ważyć tyle samo co długie obciążenie.

W napędzie z odzyskiem energii zdefiniuj, jak liczysz energię zwróconą do źródła. Ujemna moc w hamowaniu zmienia bilans, lecz nie pozwala bez opisu podać pojedynczej sprawności większej niż 100%.

Sprawność przy 25%, 50%, 75% i 100% obciążenia

Zmierz ustalony punkt po osiągnięciu temperatury, ponieważ opór uzwojeń rośnie po nagrzaniu. Zapisz moment, obroty, moc czynną, temperaturę i sprawność. Krótki zimny test może wyglądać lepiej niż ciągła eksploatacja.

Jeżeli przy 25% obciążenia sprawność spada do 70%, maszyna pracująca większość czasu lekko obciążona zużyje więcej energii niż sugeruje wartość znamionowa 90%. Dobór mniejszego silnika albo sterowania może poprawić roczny bilans, o ile zachowuje moment rozruchowy i rezerwę.

Bilans całego napędu ujawnia miejsce strat

Zmierz moc przed falownikiem, na wyjściu elektrycznym, na wale silnika i po przekładni, jeśli jest to możliwe. Sprawność całkowita jest iloczynem sprawności kolejnych etapów. Falownik 97%, silnik 90% i przekładnia 94% dają razem około 82,1%.

Nie przypisuj całych strat silnikowi, gdy pomiar wyjścia wykonano za zużytą przekładnią. Termowizja, analiza prądu i drgań mogą wskazać problem, lecz diagnozę potwierdza się odpowiednim badaniem. Kalkulator procentu jest początkiem analizy energetycznej, nie narzędziem lokalizacji uszkodzenia.

Ustal stan ustalony i zsynchronizuj przyrządy

Moc wejściowa oraz moment z obrotami muszą dotyczyć tego samego czasu. Jeśli obciążenie pulsuje, średnia mocy wejściowej z minuty i pojedynczy moment szczytowy nie tworzą sprawności. Rejestruj kanały wspólnym zegarem albo utrzymuj stabilny punkt do odczytu.

Skalibruj czujnik momentu, sprawdź zero i uwzględnij straty stanowiska, jeśli hamownia ich nie kompensuje. Osłony i procedura bezpieczeństwa są konieczne przy wirujących elementach; pomiar nie usprawiedliwia pracy przy otwartym sprzęgle.

Roczny koszt licz z energii w profilach

Pomnóż energię każdego stanu przez liczbę godzin rocznie. Silnik 15 kW pracujący 4000 h przy średnim wejściu 8 kW zużywa około 32 MWh, nie 60 MWh z mocy znamionowej. Zmiana sprawności o dwa punkty procentowe ma wartość zależną od rzeczywistego obciążenia.

Przed wymianą porównaj także moment rozruchowy, regulację, niezawodność i koszt przestoju. Najsprawniejszy punkt katalogowy nie wystarczy, jeśli silnik nie pasuje do cyklu maszyny.

Granice pomiaru energii muszą obejmować ten sam okres pracy

Moc wyjściową i wejściową mierz równocześnie po ustabilizowaniu obciążenia. Dla silnika elektrycznego wejściem jest moc czynna, a nie prosty iloczyn napięcia i prądu bez uwzględnienia układu faz oraz współczynnika mocy. Wyjście mechaniczne można policzyć z momentu i prędkości obrotowej. Jeżeli odczyty pochodzą z różnych chwil rozruchu, obliczona sprawność może nawet przekroczyć 100%, co sygnalizuje niespójny pomiar.

Sprawność zmienia się z obciążeniem, temperaturą, prędkością i sterowaniem. Jeden punkt nie opisuje całej maszyny, dlatego dla procesu o zmiennym cyklu policz energię w kilowatogodzinach na pełnym cyklu, a nie średnią z kilku procentowych sprawności. Różnica między energią wejściową i użyteczną trafia głównie do ciepła, hałasu i strat mechanicznych. To ciepło trzeba uwzględnić przy chłodzeniu oraz ocenie kosztu eksploatacji.