Расчет мощности электродвигателя

Расчет мощности электродвигателя

Мощность электродвигателя – паспортная характеристика прибора, превращающего электрическую энергию в кинетическую. Это один из ключевых параметров при выборе устройства для обслуживания различного оборудования. Она всегда указывается в сопроводительной документации и дополнительно «штампуется» на шильднике электрического двигателя, закрепленном на его корпусе.

Но документы не всегда сохраняются, а надпись на шильднике может затереться. В таких случаях для дальнейшей эксплуатации, проверки, подключения может потребоваться расчет мощности электродвигателя. Он производится разными способами, о которых и расскажем.

Способы расчета мощности электродвигателя

Учитывая широкое распространение, неудивительно, что формул мощности электродвигателя существует довольно много. Самые простые в плане применения на производстве – следующие три подхода.

1. Расчет мощности электродвигателя по току. Для определения фактического показателя прибор надо подключить (напряжение – фиксированное) и изменять ток поочередно на каждой из обмоток при помощи амперметра. Алгоритм действий такой:
   • берется количество замеров;
   • определяется сила тока в Амперах для каждого замера;
   • все показатели суммируются и делятся на количество замеров;
   • среднее значение силы тока умножаем на напряжение и получаем мощность электродвигателя в кВт (или Ваттах).
2. Расчет мощности электродвигателя по размерам. Надо измерить диаметр и длину сердечника статора, узнать частоту оборотов вала.
3. Расчет мощности электродвигателя асинхронного по силе тяги:
   • тахометром определяем частоту вращения вала;
   • штангенциркулем меряем радиус вала (если нет циркуля, можно взять обычную линейку);
   • динамометр используем, чтобы замерять тяговое усилие устройства;
   • формула мощности электродвигателя выглядит как P = F (тяговая сила)*n (частота вращения)*r (радиус вала)*2*3,14.

Формула мощности электродвигателя

Формула мощности электродвигателя может учитывать массу нюансов технологического процесса. Благодаря развитию IT-технологий сегодня найти способы расчета такого показателя не составляет труда. А вот выбрать в огромном количестве предложенных вариантов тот, который подойдет именно вам, как показывает практика, не так-то просто.

Чтобы вы не растерялись в огромном количестве методичек и рекомендаций интернета, предлагаем универсальный вариант формулы, который подойдет практически для любого случая. Выглядит она следующим образом.

• P – потребляемая мощность электродвигателя (номинальная);
• T – необходимый момент вращения на валу;
• Ω – угловая скорость.

У экспликатов тоже есть свои формулы.

1. Вращающий момент (T) считается как произведение требуемого усилия тяги и радиуса рабочего органа подключаемого механизма.
   • Усилие тяги (обозначается как Ft) можно рассчитать по формуле Ft = t*M*2,5, где t –коэффициент трения (берется из таблицы данных, для подшипников качения, например, он известен и равняется 0,02), а М – масса груза, который перемещает оборудование. Произведение корректируется на коэффициент Ньютона, который тоже известен и составляет 2,5.
   • Радиус элемента вращения измеряют или берут из проектных/паспортных данных.
2. Угловую скорость определяют так: Ω = число Пи (π, принимается как 3,14)*n/30 (n – частота вращательного движения механизма, которое приводит в действие электродвигатель – берется из паспорта). Чтобы электродвигателя хватило с учетом возможных перегрузок привода, угловая скорость, рассчитанная приведенным способом, корректируется в большую сторону на коэффициент 1,5.

При расчете мощности электродвигателя надо делать поправку на тип соединения обмоток статора, от которого зависит значение рабочего тока. В соединениях типа «звезда» ток меньше в 1,73 раза, чем в соединениях «треугольник». Соответственно, для «звезды» показатель тоже надо уменьшать в 1,73 раза.

Расчет мощности электродвигателя для оборудования

Чтобы определить, какой мощности электродвигатель нужен для обслуживания конкретного механизма, надо знать его (механизма) потребляемую мощность. Она обычно указывается для каждой категории установок и приборов, прописывается в паспортной документации и известна производителю. Если фактической информации по показателю нет, ее можно получить:

• по результатам теоретических расчетов;
• эмпирически, использовав результаты многочисленных опытов;
• методом снятия нагрузочных диаграмм, если опытной базы эксплуатации еще не накоплено (оборудование малоизученно), здесь нужны самопишущие приборы;
• через применение нормативов потребления энергии (статистических данных), которые учитывают удельные расходы электрической энергии при создании конкретного продукта.

Когда потребление известно, останется подставить его в формулу следующего вида.

• Рм – определенная теоретически/эмпирически или паспортная мощность оборудования;
• – коэффициент полезного действия промежуточной передачи.

Расчетный показатель используется для выбора по каталогу продукции ПТЦ «Привод». При этом ориентироваться следует на номинальные мощностные показатели электродвигателя с небольшим запасом.

Проверять электрический двигатель по нагрузке или перегреву необходимости нет. Наш производственно-технический центр на этапе контроля качества готовых изделий проводит все испытания и расчеты с максимальным использованием материалов, которые заложены в моделях при номинальном расчете мощности электродвигателя. А вот контроль достаточности момента пуска для некоторых видов подключаемых механизмов может быть полезен. Это в особенности касается устройств с увеличенным сопротивлением трения на старте (транспортеры, рабочие узлы станков металлорезки).

Энергетическая эффективность электродвигателя

Как и у всех электроприборов, потребляющих электрическую энергию (платный ресурс), электродвигатель имеет свой класс энергоэффективности. От этого показателя зависят расходы производства на работу устройства. Он, в свою очередь, зависит от коэффициента полезного действия двигателя и указывается в технической документации. Как показывает практика, даже в средней категории электродвигателей (55 кВт) предпочтение версиям с более высоким классом энергоэффективности позволяет существенно снизить расходы энергии (экономия до 10 тыс. кВт в год).

Вы можете подобрать установку оптимального класса энергоэффективности по каталогу продукции ПТЦ «Привод» – в описании моделей есть вся необходимая информация. Здесь же можно заказать регулятор мощности электродвигателя, который тоже помогает сократить расход энергии и обеспечивает плавную работу устройства без рывков (увеличивает срок его службы).

мтомд.инфо

Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Рабочие характеристики асинхронного двигателя представляют собой графически выраженные зависимости частоты вращения n₂, КПД асинхронного двигателя η, полезного момента (момента на валу) М₂, коэффициента мощности cos φ, и тока статора I₁ от полезной мощности Р₂ при U₁ = const f₁ = const.

Расчет рабочих характеристик асинхронного двигателя

Скоростная характеристика n₂ = f(P₂). Частота вращения ротора асинхронного двигателя n₂ = n₁(1 — s).

Скольжение s = P_э2/P_эм, то есть скольжение асинхронного двигателя, а следовательно, и его частота вращения определяются отношением электрических потерь в роторе к электромагнитной мощности. Пренебрегая электрическими потерями в роторе в режиме холостого хода, можно принять Р_э2 = 0, а поэтому s ≈ 0 и n₂ ≈ n1.

По мере увеличения нагрузки на валу асинхронного двигателя отношение s = P_э2/P_эм растет, достигая значений 0,01 — 0,08 при номинальной нагрузке. В соответствии с этим зависимость n₂ = f(P₂) представляет собой кривую, слабо наклоненную к оси абсцисс. Однако при увеличении активного сопротивления ротора двигателя r_2′ угол наклона этой кривой увеличивается. В этом случае изменения частоты асинхронного двигателя n₂ при колебаниях нагрузки Р₂ возрастают. Объясняется это тем, что с увеличением r_2′ возрастают электрические потери в роторе.

Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Зависимость М₂ = f(P₂). Зависимость полезного момента на валу асинхронного двигателя М₂ от полезной мощности Р₂ определяется выражением M₂ = Р₂/ω₂ = 60 P₂/(2πn₂) = 9,55Р₂/n₂, где Р₂ — полезная мощность, Вт; ω₂ = 2πf₂/60 — угловая частота вращения ротора.

Из этого выражения следует, что если n₂ = const, то график М₂ = f₂(Р₂) представляет собой прямую линию. Но в асинхронном двигателе с увеличением нагрузки Р₂ частота вращения ротора уменьшается, а поэтому полезный момент на валу М₂ с увеличением нагрузки возрастает не сколько быстрее нагрузки, а следовательно, график М₂ = f (P₂) имеет криволинейный вид.

Зависимость cos φ₁ = f (P₂). В связи с тем что ток статора асинхронного двигателя I₁ имеет реактивную (индуктивную) составляющую, необходимую для создания магнитного поля в статоре, коэффициент мощности асинхронных двигателей меньше единицы. Наименьшее значение коэффициента мощности соответствует режиму холостого хода. Объясняется это тем, что ток холостого хода электродвигателя I при любой нагрузке остается практически неизменным. Поэтому при малых нагрузках двигателя ток статора невелик и в значительной части является реактивным (I₁ ≈ I). В результате сдвиг по фазе тока статора относительно напряжения получается значительным (φ₁ ≈ φ), лишь немногим меньше 90°.

Коэффициент мощности асинхронных двигателей в режиме холостого хода обычно не превышает 0,2. При увеличении нагрузки на валу двигателя растет активная составляющая тока I₁ и коэффициент мощности возрастает, достигая наибольшего значения (0,80 — 0,90) при нагрузке, близкой к номинальной. Дальнейшее увеличение нагрузки на валу двигателя сопровождается уменьшением cos φ₁ что объясняется возрастанием индуктивного сопротивления ротора (x2s) за счет увеличения скольжения, а следовательно, и частоты тока в роторе.

В целях повышения коэффициента мощности асинхронных двигателей чрезвычайно важно, чтобы двигатель работал всегда или по крайней мере значительную часть времени с нагрузкой, близкой к номинальной. Это можно обеспечить лишь при правильном выборе мощности двигателя. Если же двигатель работает значительную часть времени недогруженным, то для повышения cos φ₁, целесообразно подводимое к двигателю напряжение U₁ уменьшить. Например, в двигателях, работающих при соединении обмотки статора треугольником, это можно сделать пересоединив обмотки статора в звезду, что вызовет уменьшение фазного напряжения в раз. При этом магнитный поток статора, а следовательно, и намагничивающий ток уменьшаются примерно в раз. Кроме того, активная составляющая тока статора несколько увеличивается. Все это способствует повышению коэффициента мощности двигателя.

Чем отличается синхронный двигатель от асинхронного?

Основная задача электродвигателя — преобразовывать электрическую энергию в механическую. Сегодня электродвигатели изготавливаются как постоянного, так и переменного тока. Среди двигателей переменного тока лидируют асинхронные и синхронные двигатели. Асинхронные двигатели малой и средней мощности относятся к группе наиболее часто используемых электродвигателей. Они широко используются как в промышленности, так и в бытовой технике.

В промышленности чаще всего используются асинхронные двигатели трехфазные. Они используются, например, в энергетике — в качестве приводов для собственных нужд электростанций, в строительстве, на транспорте, в коммунальном хозяйстве — в качестве приводов насосов водоснабжения и т. д.

Отличие асинхронного электродвигателя от синхронного

С виду внешне они похожи, порой даже специалист не отличит по внешним признакам синхронный электродвигатель от асинхронного. У обоих электродвигателей есть неподвижный статор, состоящий из обмоток (катушек), которые уложены в пазы сердечника, набранного из пластин, выполненных из электротехнической стали, и подвижный ротор. Кроме того, функция этих типов электродвигателей одна и та же — создание вращающегося магнитного поля статора.

Ротор синхронного двигателя имеет обмотку возбуждения с независимым питанием. Статоры синхронного и асинхронного двигателя устроены одинаково, функция в каждом случае одна и та же — создание вращающегося магнитного поля статора.

Обороты асинхронного двигателя под нагрузкой всегда на величину скольжения отстают от вращения магнитного поля статора, в то время как обороты синхронного двигателя равны по частоте «оборотам» магнитного поля статора. И поэтому у асинхронного двигателя есть такой параметр — как СКОЛЬЖЕНИЕ — разность скоростей вращения ротора и вращающегося магнитного поля в статоре. У синхронного электродвигателя частота вращения ротора всегда равна частоте вращения электромагнитного поля.

У этих двух типов двигателей разные области применения: синхронные электродвигатели отличаются гораздо большей мощностью и полезной нагрузкой, но они дороже и сложней. И поэтому асинхронные двигатели востребованы там, где достаточно их характеристик, ведь они дешевле и проще в изготовлении.

Недостатки и преимущества двигателей

Синхронные двигатели

Синхронные двигатели имеют довольно сложную конструкцию, обусловленную наличием щеточного узла. Кроме того, для их работы требуется дополнительный источник постоянного тока. Еще одним недостатком является невозможность их эксплуатации в условиях частых пусков и остановов. Однако все это компенсируется большой мощностью, высоким КПД, устойчивостью к перепадам напряжения в питающей сети и стабильной частотой вращения вала, вне зависимости от величины нагрузки на него.

Синхронные электрические машины рентабельны при мощностях свыше 100 кВт и основное применение находят для вращения мощных вентиляторов, на различных металлургических производствах, для привода насосов, которые обладают не только значительной мощностью, но и долгим режимом функционирования т.д.

Асинхронный двигатель

Асинхронный двигатель в отличие от синхронных машин более чувствителен к колебаниям напряжения и не может сохранять номинальную скорость вращения, при увеличении нагрузки. В большинстве случаев недостатки компенсируются путем применения преобразователей частоты и других устройств пуска. Но простота конструкции, длительный срок эксплуатации, универсальность применения, способность работать в режиме частых включений и остановок делают эти машины наиболее распространенными в промышленном и бытовом секторе.

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 380220 звездатреугольник, 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=PU 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..

если считать грубо, то 30*2=60А

Более полная формула, рекомендованная к применению выглядит несколько иначе.
Мощность в квт переводится в ватты, для чего 30*1000=30000 вт
Затем ватты делим на напряжение, затем делим на корень квадратный из 3(1,73), (у нас же ТРИ ФАЗЫ) и получаем примерную силу тока, которую нужно уточнить, поделив дополнительно на cos φ(коэффициент мощности, ибо всякая индуктивная нагрузка имеет и реактивную мощность Q) и затем, уточнить еще раз, поделив при желании на КПД, итак:

Уточняем расчет: 53,6А,9 = 59,65А (Кстати программа электрик, считающая по похожей формуле, выдает более точные данные 59,584 А, то есть немного меньше чем мой проверенный временем расчет. то есть расчет довольно точен, а расхождения в десятые и сотые доли ампера в нашем случае никого особо не волнуют, почему — написано ниже)

59,65 Ампер, — почти полное совпадение с первым грубым расчетом, расхождение составляет всего лишь -0,35А, что для выбора автомата защиты не играет никакой роли в данном случае. Ну и какой же автомат выбрать??
При условии что нагрузка на валу не велика, скажем какая нибудь турбина вентилятора, можно смело ставить ВА 47-29 на 63А фирмы ИЭК, категории С..наиболее часто встречающиеся.
На вопли о пусковых токах могу смело ответить, что 63А пакетник категории В,С,D выдерживает по току превышение 1,13 раза дольше часа и 1,45 раза меньше часа, то есть если на автомате написано 63А, то это не значит, что при броске до 70А его сразу выбьет. Нифига подобного, нагрузку в 113% (сила тока равна 71,19А) он будет держать минимум час, особенно это касается дорогих автоматов фирм ЛеграндАВВ, и даже при силе тока в 145% номинала = 91,35А он гарантированно продержит несколько минут, а для раскрута асинхронника и выхода на номинальный режим достаточно нескольких секунд, как правило от 5 до 20 секунд. За это время тепловой расцепитель автомата тупо не успеет разогрется и отключить нагрузку.
Конечно, умные дяди мне сейчас напомнят, что у автомата есть еще электромагнитный расцепитель, и уж он то, ну уж он то точно отрубит при превышении 63А несчастный двигатель. Хахаха, хрен вам и горе умное.

Буковки B,C,D, и некоторые другие в наименовании автомата как раз характеризуют кратность уставки электромагнитного расцепителя, и равна она

В — 3. 5
С — 5. 10
D — по ГОСТ Р — 10. 50, большинство производителей заявляет диапазон 10. 20.

Есть более редко встречающиеся
G — 6,4. 9,6 (КЭАЗ ВМ40)
K — 8. 14
L — 3,2. 4,8 (КЭАЗ ВМ40)
Z — 2. 3

То есть автомат категории С на 63А гарантированно отключится электромагнитным расцепителем только в диапазоне 315-630А и выше, чего при запуске исправного асинхронника на 30 квт никогда все равно не будет.
Второй законный вопрос- какой провод положить на наш двигатель. Ответ- кабель 4х16 миллиметров квадратных, с лихвой хватит, при длине до 50 метров, при большей длине лучше 25мм выбирать, ибо потери.

Все цифры проверены многократно, лично мной, и экспериментально. Проверены и по выбранным автоматам и по многократным замерам реальной силы тока токовыми клещами.

*-Единственное примечание и уточнение: У старых двигателей советского производства, вновь вводимых в эксплуатацию могут быть меньшие значения косинуса фи и КПД, тогда сила тока может быть чуть выше чем значение грубого расчета. Просто выбирается следующий по номиналу автомат на 80А. Не ошибётесь!

Второе примечание:
Для грубого расчета силы тока двигателя подключенного треугольником к сети 220 через конденсатор, можно взять мощность двигателя в Киловаттах, ну например теже 30 КВТ и умножить примерно на 3,9 и так: 30*3,9=117А
А для расчета конденсатора можно воспользоваться сайтом http://www.skrutka.ru/sk/tekst.php?id=13

и посмотреть что приведенный расчет тока не сильно грешит