Расчет мощности электродвигателя
Преобразование электрической энергии в кинетическую осуществляется при помощи различных типов электродвигателей. Данные устройства нашли широкое применение в современном производстве и в быту. Чаще всего электродвигатели выполняют функцию электроприводов машин и механизмов, применяются для обеспечения работы насосного оборудования, вентиляционных систем и многих других агрегатов и устройств. В связи с таким широким применением, особую актуальность приобретает расчет мощности электродвигателя. Для этих целей разработано много различных методов, позволяющих выполнить расчеты, применительно к конкретным условиям эксплуатации.
О наболевшем — Или расчет силы тока трехфазных асинхронных двигателей на 380В
Кстати при установке новых двигателей ничего и считать не надо, как правило номинальный ток для обоих режимов (звезда 380 и треугольник 220) указан на шильдике, вместе со всеми остальными параметрами.
Так какже, правильно расчитать, грубо или поточнее мощность асинхронного двигателя в стандартной ситуации? Для начала определимся с это самой «стандартной ситуацией» и с чем ее едят. Стандартной я называю ситуацию, когда двигатель расчитанный на 380\220 звезда\треугольник, подключается на стандартные 380 звездой, на все три фазы. В промышленности это встречается наиболее часто, и также часто вызывает вопросы по поводу того, какого номинала автоматы ставить, ибо многие, знают стандартную формулу мощности I=P\U и почемуто, видимо от большой грамотности или большого ума, от которого горе по Грибоедову, начинают для трехфазной нагрузки применять ее.
А теперь раскрываю секрет, страааашный секрет. Для расчета защиты маломощных двигателей на 380В, мощностью до 30 квт вполне достаточно умножить мощность ровно на 2, то есть P*2=
In , автомат все равно выбирается ближайший по номиналу в большую сторону, то есть 63А для 30 квт двигателя, имеющего на валу нагрузкой ну скажем турбину вентилятора типа Циклон. Это страаашный, нигде в учебниках не озвученный секретный экспресс-метод грубого расчета силы тока двигателей на 380В. Почему так? Очень просто при U=380В на один КВТ мощности приходится примерно сила тока в 2 Ампера. (Да меня щас побьют теоретики, которые помнят про КПД и Косинус ФИ. Помолчите Господа, пока помолчите, я же сказал, для МАЛОМОЩНЫХ двигателей до 30 квт, а для низких мощностей, зная модельный ряд наших автоматов, эти 2 значения можно и не учитывать, особенно если нагрузка на вал минимальная)
А теперь представим типовой двигатель* со следующими параметрами: P=30 квт U=380 В сила тока на шильдике стерлась. cos φ = 0,85 КПД=0,9
Как найти его силу тока? Если считать так, как советуют и сами считают упрямые «очень умные» горе-инженера, особенно любящие озадачивать этим вопросом на собеседованиях, то получаем цифру в 78,9А, после чего горе-инженера начинают лихорадочно вспоминать про пусковые токи, задумчиво хмурить брови и морщить лбы, а затем не стесняясь требуют поставить автомат минимум на 100А, так как ближайший по номиналу 80А будет выбивать при малейшей попытке запуска офигенными пусковыми токами. И переспорить их очень тяжело, так как все нижеследующее вызывает у умных дяденек бурю эмоций, недержание мочи и кала, разрыв шаблона, и погружение в глубокий транс с причитаниями и маханием корочками тех универов где они учились считать и жить..
Какой пусковой ток должен быть
Оптимальный пусковой ток определяет изготовитель. У АКБ одинаковой емкости, но произведенных в разных странах, он отличается. У компаний Китая и Европы отличие достигает 30 – 40 % и зависит от типа изделий, которые по способу обслуживания бывают:
- обслуживаемыми;
- необслуживаемыми;
- залитыми;
- сухозаряженными.
Для обслуживаемых аккумуляторов характерен контроль уровня электролита и его плотности. Оптимальный уровень достигается доливкой дистиллированной воды.
В настоящее время большинство владельцев автотранспорта склоняются к необслуживаемым АКБ. Срок службы достигает 5 лет. Следить за уровнем электролита не надо, только контролировать напряжение на клеммах. Оптимальный заряд обеспечивает величину пускового усилия. Залитые АКБ сразу пригодны к использованию.
Сухозаряженные имеют преимущество длительного хранения без эксплуатации, период длится от 3 до 5 лет. Сухозаряженные источники питания готовят к использованию. Заливается электролит, пропитываются пластины в течение часа с последующей зарядкой. Все действия выполняются согласно инструкции по эксплуатации.
Каким должен быть пусковой ток, решает владелец машины. Следует учитывать объем и мощность двигателя, климатические условия, в которых эксплуатируется транспортное средство. Необходимо обращаться к руководству по эксплуатации конкретного автомобиля.
Величина пускового тока указывается на корпусе АКБ.
Ниже приводится примерная таблица соответствия емкости АКБ объемам двигателей.
Таблица 1.
Емкость, А-ч | 55 | 60 | 66 | 77 | 90 | 140 | 190 | 200 |
| Объем двигателя, л | 1 – 1,6 | 1,3 –1,9 | 1,4 – 2,3 | 1,6 – 3,2 | 1,9 – 4,5 | 3,8 – 10,9 | 7,2 – 12 | 7,5 – 17 |
Между АКБ имеются отличия и по составу электролита, а также технологии изготовления. Аккумуляторы могут быть кислотными или щелочными, и каждый из них имеет свои параметры пускового тока.
Классической технологией предусматривается изготовление электродов и мастики из сплавов свинца с сурьмой и кальцием. Источники питания на основе кальциевого сплава служат до 7 лет и разряжаются дольше, поэтому их стоимость выше. Пусковые токи в классических АКБ в 4-5 раз больше номинальной емкости.
В противовес классике быстрыми темпами развиваются AGM-технологии. В таких источниках электрического тока жидкий кислотный электролит связан синтетическими матами. Для электродов применяется свинец с высокой степенью очистки.
Плюсы AGM-АКБ:
- необслуживаемые;
- не боятся глубокой разрядки;
- срок службы 5 – 12 лет.
АКБ, изготовленные по технологии AGM, эксплуатируются с повышенными пусковыми токами. Если брать батареи одинаковой емкости, то пусковая сила на 40 % больше, чем у обычных кислотных аккумуляторов. К минусу относится высокая стоимость (6 000-10 000 руб.), а для зарядки требуется специальное зарядное устройство.
Развивается еще одно перспективное направление GEL – технологии. Электроды ничем не отличаются (положительные и отрицательные). Внутренние полости заполняются специальным гелем, который после застывания отвердевает. Поры заполняются электролитом, пластины оказываются обернуты гелем, который предотвращает осыпание. Исключается короткое замыкание.
Минимальное время эксплуатации – 7 лет. Стартерный ток почти в 1,5 раза выше чем в АКБ, изготовленных по AGM-технологии. Среди недостатков отмечаются высокая стоимость (на сегодняшний день 15 000-27 000 руб.) и повышенные требования к зарядке.
Рассмотрим величины пусковых токов у российских и зарубежных изготовителей, их соотношение. Производители разных стран приняли свои стандарты:
Примерную величину пускового тока можно вычислить с помощью приборов.
Производители разных стран, союзов приняли свои стандарты:
- Российская Федерация – ГОСТ 599 – 91, 599 – 2002.
- Немецкий стандарт – DIN.
- Европейский Союз – EN 60095 – 1.
- Стандарт США – SAE J.
Вниманию предлагается таблица, где отражено соответствие токов холодного пуска по стандартам, приведенным выше.
Таблица 2.
DIN 43559, ГОСТ 599 – 91 | EN 60095 – 1, ГОСТ 599 – 2002 | SAE J537 |
170 | 280 | 300 |
220 | 330 | 350 |
255 | 360 | 400 |
255 | 420 | 450 |
280 | 480 | 500 |
310 | 520 | 550 |
335 | 540 | 600 |
365 | 600 | 650 |
395 | 640 | 700 |
420 | 680 | 750 |
Из представленного видно, что стандарт в России близок немецкому и европейскому.
Пусковые токи асинхронного двигателя
Теперь приведу таблицу допустимых значений токов холостого хода трехфазных моторов:
| Мощность электромотора, кВт | Ток холостого хода, в процентах от номинального, | |||||
| при скорости вращения, об./мин. | ||||||
| 3000 | 1500 | 1000 | 750 | 600 | 500 | |
| 0.12 – 0.55 | 60 | 75 | 85 | 90 | 95 | — |
Прежде, чем производить замеры тока на двигателях, их необходимо обкатать (опробовать на холостом ходу 30-60 минут — движки мощностью меньше 100 кВт и от 2 часов движки, чья мощность выше 100 кВт). Данная таблица носит справочный характер, следовательно, реальные данные могут расходиться с этими процентов на 10-20.
Токи пуска двигателя можно вычислить, применив следующую пару формул:
Iн=1000Рн/(Uн*cosф*√nн),
где Рн — номинал мощности мотора, Uн — номинал его напряжения, nн — номинал его КПД.
где Iн — номинал тока, а Кп — кратность постоянного тока к номиналу (обычно указана в паспорте мотора).
Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на , буду рад, если вы найдете на моем еще что-нибудь полезное. Всего доброго.
Ток, который нужен для запуска электродвигателя, называется пусковым. Как правило, пусковые токи электродвигателей в несколько раз большие, чем токи, необходимые для работы в нормально-устойчивом режиме.
Рисунок 1. Асинхронный электродвигатель
Большой пусковой ток асинхронного электродвигателя необходим для того, чтобы раскрутить ротор с места, для чего требуется приложить гораздо больше энергии, чем для дальнейшего поддержания постоянного числа его оборотов. Стоит отметить, что, несмотря на совсем другой принцип действия, однофазные двигатели постоянного тока также характеризуются большими значениями пусковых токов.
Высокие пусковые токи электродвигателей — нежелательное явление, поскольку они могут приводить к кратковременной нехватке энергии для другого подключенного к сети оборудования (падению напряжения). Поэтому при подключении и наладке двигателей переменного тока (наиболее распространенных в промышленности) всегда стоит задача минимизировать значения пусковых токов, а также повысить плавность пуска двигателя за счет применения специального дополнительного оборудования. Такие мероприятия также позволяют снизить уровень затрат на пуск электродвигателя (применять провода меньшего сечения, стабилизаторы и дизельные электростанции меньшей мощности, проч.).
Одной из наиболее эффективных категорий устройств, облегчающих тяжелые условия пуска, являются софтстартеры и частотные преобразователи. Особенно ценным считается их свойство поддерживать пусковой ток двигателей переменного тока в течение продолжительного периода — более минуты. Также пусковой ток асинхронного электродвигателя можно уменьшить за счет внедрения внешнего сопротивления в обмотку ротора.
Расчет пускового тока асинхронного электродвигателя
Расчет пускового тока электродвигателя может потребоваться для того, чтобы подобрать подходящие автоматические выключатели, способные защитить линию включения данного электродвигателя, а также для того, чтобы подобрать подходящее по параметрам дополнительное оборудование (генераторы, проч.).
Расчет пускового тока электродвигателя осуществляется в несколько этапов:
Определение номинального тока трехфазного электродвигателя переменного тока согласно формуле: Iн=1000Pн/(Uн*cosφ*√ηн). Рн здесь — номинальная мощность двигателя, Uн выступает номинальным напряжением, а ηн — номинальным коэффициентом полезного действия. Cosφ — это номинальный коэффициент мощности электромотора. Все эти данные можно найти в технической документации по двигателю.
Расчет величины пускового тока по формуле Iпуск=Iн*Кпуск. Здесь Iн — номинальная величина тока, а Кпуск выступает кратностью постоянного тока к номинальному значению, которая также должна указываться в технической документации к электродвигателю.
Точно зная пусковые токи электродвигателей, можно правильно подобрать автоматические выключатели, которые будут защищать линию включения.
Полный ток нагрузки Ia, подаваемый на двигатель, рассчитывается по следующим формулам:
где
Ia: полный ток (А)
Pn: номинальная мощность (кВт)
U: междуфазное напряжение для 3-фазного двигателя и напряжение между зажимами для 1-фазного двигателя (В). 1-фазные двигатели могут подсоединяться на фазное или линейное напряжение
η: КПД, т.е. выходная мощность (кВт)/ входная мощность (кВт)
cos φ : коэффициент мощности, т.е. входная мощность (кВт)/входная мощность(кВА)
Сверхпереходный ток и уставка защиты
- Пиковое значение сверхпереходного тока может быть крайне высоким. Обычно это значение в 12-15 раз превышает среднеквадратическое номинальное значение Inm. Иногда это значение может в 25 раз превышать значение Inm.
- Выключатели, контакторы и термореле рассчитываются на пуски двигателей при крайне высоких сверхпереходных токах (сверхпереходное пиковое значение может в 19 раз превышать среднеквадратическое номинальное значение Inm).
- При внезапных срабатываниях защиты от сверхтоков при пуске это означает выход пускового тока за нормальные пределы. В результате могут достигаться предельные значения параметров распределительных устройств, срок службы может укорачиваться и даже некоторые устройства могут выходить из строя. Во избежание такой ситуации необходимо рассмотреть вопрос о повышении номинальных параметров распределительных устройств.
- Распределительные устройства рассчитываются на обеспечение защиты пускателей двигателей от КЗ. В зависимости от риска, таблицы показывают комбинации выключателя, контактора и термореле для обеспечения координации типа 1 или 2.
Подключение асинхронного двигателя
Трехфазный переменный ток
Электрическая сеть трехфазного переменного тока получила наиболее широкое распространение среди электрических систем передачи энергии. Главным по сравнению с однофазной и двухфазной системами является ее экономичность. В трехфазной цепи энергия передается по трем проводам, а токи текущие в разных проводах сдвинуты относительно друг друга по фазе на 120°, при этом синусоидальные ЭДС на разных фазах имеют одинаковую частоту и амплитуду.
Трехфазный ток (разница фаз 120°)
Звезда и треугольник
Трехфазная обмотка статора электродвигателя соединяется по схеме в зависимости от напряжения питания сети. Концы трехфазной обмотки могут быть: соединены внутри электродвигателя (из двигателя выходит три провода), выведены наружу (выходит шесть проводов), выведены в распределительную коробку (в коробку выходит шесть проводов, из коробки три).
Фазное напряжение – разница потенциалов между началом и концом одной фазы
Другое определение для соединения “звезда”: фазное напряжение это разница потенциалов между линейным проводом и нейтралью (обратите внимание, что у схемы “треугольник” отсутствует нейтраль)
Линейное напряжение – разность потенциалов между двумя линейными проводами (между фазами).
| Звезда | Треугольник | Обозначение |
|---|---|---|
| Uл, Uф – линейное и фазовое напряжение, В, | ||
| Iл, Iф – линейный и фазовый ток, А, | ||
| S – полная мощность, Вт | ||
| P – активная мощность, Вт |
Внимание: Несмотря на то, что мощность для соединений в звезду и треугольник вычисляется по одной формуле, подключение одного и того же электродвигателя разным способом в одну и туже электрическую сеть приведет к потреблению разной мощности. При этом не правильное подключение электродвигателя, может привести к расплавлению обмоток статора.
Пример: Допустим электродвигатель был подключен по схеме “звезда” к трехфазной сети переменного тока Uл=380 В (соответственно Uф=220 В) и потреблял ток Iл=1 А
Полная потребляемая мощность:
S = 1,73∙380∙1 = 658 Вт.
Теперь изменим схему соединения на “треугольник”, линейное напряжение останется таким же Uл=380 В, а фазовое напряжение увеличится в корень из 3 раз Uф=Uл=380 В. Увеличение фазового напряжения приведет к увеличению фазового тока в корень из 3 раз. Таким образом линейный ток схемы “треугольник” будет в три раза больше линейного тока схемы “звезда”. А следовательно и потребляемая мощность будет в 3 раза больше:
S = 1,73∙380∙3 = 1975 Вт.
Таким образом, если двигатель рассчитан на подключение к трехфазной сети переменного тока по схеме “звезда”, подключение данного электродвигателя по схеме “треугольник” может привести к его поломке.
Если в нормальном режиме электродвигатель подключен по схеме “треугольник”, то для уменьшения пусковых токов на время пуска его можно соединить по схеме звезда. При этом вместе с пусковым током уменьшится также пусковой момент.
Подключение электродвигателя по схеме звезда и треугольник
Обозначение выводов статора трехфазного электродвигателя
Обозначение выводов обмоток статора вновь разрабатываемых трехфазных машин согласно ГОСТ 26772-85
| Схема соединения обмоток, наименование фазы и вывода | Обозначение вывода | |
|---|---|---|
| Начало | Конец | |
| Открытая схема (число выводов 6) | ||
| первая фаза | U1 | U2 |
| вторая фаза | V1 | V2 |
| третья фаза | W1 | W2 |
| Соединение в звезду (число выводов 3 или 4) | ||
| первая фаза | U | |
| вторая фаза | V | |
| третья фаза | W | |
| точка звезды (нулевая точка) | N | |
| Соединение в треугольник (число выводов 3) | ||
| первый вывод | U | |
| второй вывод | V | |
| третий вывод | W |
Обозначение выводов обмоток статора ранее разработанных и модернизируемых трехфазных машин согласно ГОСТ 26772-85
| Схема соединения обмоток, наименование фазы и вывода | Обозначение вывода | |
|---|---|---|
| Начало | Конец | |
| Открытая схема (число выводов 6) | ||
| первая фаза | C1 | C4 |
| вторая фаза | C2 | C5 |
| третья фаза | C3 | C6 |
| Соединение звездой (число выводов 3 или 4) | ||
| первая фаза | C1 | |
| вторая фаза | C2 | |
| третья фаза | C3 | |
| нулевая точка | ||
| Соединение треугольником (число выводов 3) | ||
| первый вывод | C1 | |
| второй вывод | C2 | |
| третий вывод | C3 |
Критерии выбора
Во время выбора пускателя следует руководствоваться его базовыми техническими характеристиками, а также некоторыми конструктивными особенностями, которые и рассмотрим ниже.
Напряжение (номинальное) в коммутируемой цепи
Подавляющее большинство магнитных пусковых устройств используется для запуска асинхронных электродвигателей, имеющих коротко замкнутый ротор и рассчитанных на внутризаводское напряжение 220 В/380 В. В случае, если используются электромоторы под вольтаж 380 В/660 В (что бывает значительно реже), то и пускатель надо выбирать соответствующий им по напряжению.
Номинальная величина тока основных контактов
Соотношение величин тока коммутационного устройства и тока подключаемой нагрузки – один из важнейших параметров при выборе пускателя. Для ПУ, производство которых ведется в соответствии с ГОСТами, применяется условное деление на классы.
Для того, чтобы произвести выбор устройства по этому параметру, можно воспользоваться следующей таблицей:
Износостойкость коммутационная
Ее величина равна гарантированному количеству срабатываний, заявленному фирмой-изготовителем. Все пусковые устройства в данном случае делятся на 3 класса износостойкости: А, Б, В. Первый из них – самый высокий. Он гарантирует, что пускатель выдержит не менее 1,5 млн циклов. Классу Б соответствует величина от 630.000 до 1,5 млн циклов. Класс В – самый низкий. Приборы, отнесенные к нему, выдерживают от 100.000 до 500.000 рабочих циклов.
Износостойкость механическая
Это не менее важная характеристика, которая показывает количество возможно допустимых включений/выключений аппарата без выхода из строя (при этом, все манипуляции в данном случае выполняются без нагрузки, а чисто механически). Величина этого параметра, в отличие от срабатывания под напряжением, значительно больше. В зависимости от типа ПУ она может составлять от 3 млн циклов до 20 млн циклов.
Количество полюсов
Для питания трехфазных электромоторов в большинстве случаев используются трехполюсные магнитные пускатели. Но, иногда возникают ситуации (например, когда источником нагрузки являются электронагревательные системы либо сети освещения), когда лучшим вариантом будет выбор многополюсного пускателя (среди таких устройств зарубежного производства встречаются аппараты с восемью и более полюсами).
Напряжение катушки (номинальное)
Большая часть пускателей, используемых при управлении электрооборудованием, имеют установленные в них катушки, рассчитанные на тоже напряжение, что и питающая сеть. При этом, иногда может возникнуть потребность в пускателе, имеющим катушку с напряжением, отличным от сетевого (к примеру, при обустройстве автоматических цепей). Производимые в настоящее время ПУ позволяют выбрать катушку под любое стандартное напряжение (9, 12,24,36…380 вольт, а некоторые и под более высокое).
Количество вспомогательных контактов и их параметры
Кроме главных контактов, служащих для коммутации основных электрических цепей, большинство магнитных пускателей также имеет и дополнительные (вспомогательные), срабатывание которых происходит одновременно со срабатыванием главных. Основное их предназначение – подключение сигнальных устройств, цепей блокировки, управления и других. Все эти дополнительные контакты делятся на два типа – нормально замкнутые и нормально разомкнутые. Первые замкнуты при выключенной главной катушке, и наоборот, а вторые синхронны с ней.
Возможность реверса
Для управления реверсивными электромоторами следует выбирать реверсивные ПУ, внутри которых находятся два отдельных пускателя, подсоединенных друг к другу.
Защита
В базовом исполнении магнитные пускатели, как правило, не имеют систем защиты электрооборудования. При необходимости этот блок можно приобрести дополнительно
Кроме этого, как и для всего электрооборудования, при выборе ПУ следует обратить внимание на величину его климатического параметра (IP) – чем хуже условия среды, в которых он будет работать, тем величина этого параметра должна быть выше
Пускатель в корпусе
Iн = Pн/(√3Uн х сosφ), кА
где Pн — номинальная мощность двигателя, кВт, Uн — напряжение в сети, кВ (0,38 кВ). Коэффициент мощности (сosφ) — паспортные значения двигателя.
Рис. 1. Паспорт электрического двигателя.
Если не известен коэффициент мощности двигателя, то номинальный его ток с малой погрешностью определяется по отношению «два ампера на киловатт», т.е. если номинальная мощность двигателя 10 кВт, то потребляемый им из сети ток будет приблизительно равен 20 А.
Для упомянутого на рисунке двигателя это отношение также выполняется (3,4 А ≈ 2 х 1,5). Более верные величины тока при применении данного отношения получаются при мощностях электродвигателей от 3 кВт.
При холостом ходе электродвигателя из сети потребляется маленький ток (ток холостого хода). При увеличении нагрузки увеличивается и ток. С увеличением тока повышается нагрев обмоток. Большая перегрузка приводит к перегреву обмоток двигателя, и возникает опасность выхода из строя электродвигателя.
При пуске из сети электрическим двигателем потребляется пусковой ток Iпуск, который в 3 — 8 раз выше номинального. Характеристика изменения тока представлена на графике (рис. 2, а).
Рис. 2. Характеристика изменения тока, потребляемого электродвигателем из сети (а), и влияние большого тока на колебания напряжения в сети (б)
Подлинную величину пускового тока для электродвигателя определяют зная величину кратности пускового тока — Iпуск/Iном. Кратность пускового тока — техническая характеристика двигателя, ее известна из каталогов. Пусковой ток рассчитывается согласно формуле: I пуск = Iх. х (Iпуск/Iном).
Понимание истинной величины пускового тока необходимо для подбора плавких предохранителей, проверки включения электромагнитных расцепителей во время пуска двигателя, при подборе автоматических выключателей и для высчитывания величины падения напряжения в сети при пуске.
Большой пусковой ток вызывает значительное падение напряжения в сети (рис. 2, б).
Если взять электросопротивление проводов, проложенных от источника до электродвигателя, равным 0,5 Ом, номинальный ток Iн=15 А, а пусковой ток Iп равным пятикратному от номинального, потери напряжения в проводах во время пуска составят 0,5 х 75 + 0,5 х 75 = 75 В.
На клеммах электродвигателя, а также и на клеммах рядом работающих электродвигателей напряжение будет 220 — 75 = 145 В. Это понижение напряжения вызывает торможение работающих электродвигателей, что влечет за собой еще большее повышение тока в сети и выход из строя предохранителей.
В электрических лампах в моменты запуска электродвигателей уменьшается накал (лампы «мигают»). Поэтому при включении электродвигателей стремятся уменьшить пусковые токи .
Для понижения пускового тока используется схема пуска электродвигателя с переключением обмоток статора со звезды на треугольник.
Рис. 3. Схема пуска электрического электродвигателя с переключением обмоток статора со звезды на треугольник.
Имеет принципиальное значение то, что далеко не каждый двигатель возможно включать по этой схеме. Широко распространенные асинхронные двигатели с рабочим напряжением 220/380 В, в том числе и двигатель, показанный на рисунке 1 при включении по этой схеме выйдут из строя.
Для понижения пускового тока электродвигателей энергично употребляют специальные процессорные устройства плавного пуска (софт-стартеры).
