Мощность электродвигателя на что влияет
Мощность и вращающий момент электродвигателя. Что это такое?
Мощность и вращающий момент электродвигателя
Данная глава посвящена вращающему моменту: что это такое, для чего он нужен и др. Мы также разберём типы нагрузок в зависимости от моделей насосов и соответствие между электродвигателем и нагрузкой насоса.
Вы когда-нибудь пробовали провернуть вал пустого насоса руками? Теперь представьте, что вы поворачиваете его, когда насос заполнен водой. Вы почувствуете, что в этом случае, чтобы создать вращающий момент, требуется гораздо большее усилие.
А теперь представьте, что вам надо крутить вал насоса несколько часов подряд. Вы бы устали быстрее, если бы насос был заполнен водой, и почувствовали бы, что потратили намного больше сил за тот же период времени, чем при выполнении тех же манипуляций с пустым насосом. Ваши наблюдения абсолютно верны: требуется большая мощность, которая является мерой работы (потраченной энергии) в единицу времени. Как правило, мощность стандартного электродвигателя выражается в кВт.
Работа и мощность
Если мы говорим о вращении, мощность выражается как вращающий момент (T), умноженный на частоту вращения (w).
Частота вращения объекта определяется измерением времени, за которое определённая точка вращающегося объекта совершит полный оборот. Обычно эта величина выражается в оборотах в минуту, т.е. мин-1 или об/мин. Например, если объект совершает 10 полных оборотов в минуту, это означает, что его частота вращения: 10 мин-1 или 10 об/мин.
Итак, частота вращения измеряется в оборотах в минуту, т.е. мин-1.
Приведем единицы измерения к общему виду.
Для наглядности возьмём разные электродвигатели, чтобы более подробно проанализировать соотношение между мощностью, вращающим моментом и частотой вращения. Несмотря на то, что вращающий момент и частота вращения электродвигателей сильно различаются, они могут иметь одинаковую мощность.
Например, предположим, что у нас 2-полюсный электродвигатель (с частотой вращения 3000 мин-1) и 4-полюсной электродвигатель (с частотой вращения 1500 мин-1). Мощность обоих электродвигателей 3,0 кВт, но их вращающие моменты отличаются.
Таким образом, вращающий момент 4-полюсного электродвигателя в два раза больше вращающего момента двухполюсного электродвигателя с той же мощностью.
Как образуется вращающий момент и частота вращения?
Теперь, после того, как мы изучили основы вращающего момента и скорости вращения, следует остановиться на том, как они создаются.
В электродвигателях переменного тока вращающий момент и частота вращения создаются в результате взаимодействия между ротором и вращающимся магнитным полем. Магнитное поле вокруг обмоток ротора будет стремиться к магнитному полю статора. В реальных рабочих условиях частота вращения ротора всегда отстаёт от магнитного поля. Таким образом, магнитное поле ротора пересекает магнитное поле статора и отстает от него и создаёт вращающий момент. Разницу в частоте вращения ротора и статора, которая измеряется в %, называют скоростью скольжения.
Скольжение является основным параметром электродвигателя, характеризующий его режим работы и нагрузку. Чем больше нагрузка, с которой должен работать электродвигатель, тем больше скольжение.
Помня о том, что было сказано выше, разберём ещё несколько формул. Вращающий момент индукционного электродвигателя зависит от силы магнитных полей ротора и статора, а также от фазового соотношения между этими полями. Это соотношение показано в следующей формуле:
Сила магнитного поля, в первую очередь, зависит от конструкции статора и материалов, из которых статор изготовлен. Однако напряжение и частота тока также играют важную роль. Отношение вращающих моментов пропорционально квадрату отношения напряжений, т.е. если подаваемое напряжение падает на 2%, вращающий момент, следовательно, уменьшается на 4%.
Потребляемая мощность электродвигателя
Ток ротора индуцируется через источник питания, к которому подсоединён электродвигатель, а магнитное поле частично создаётся напряжением. Входную мощность можно вычислить, если нам известны данные источника питания электродвигателя, т.е. напряжение, коэффициент мощности, потребляемый ток и КПД.
В Европе мощность на валу обычно измеряется в киловаттах. В США мощность на валу измеряется в лошадиных силах (л.с.).
Если вам необходимо перевести лошадиные силы в киловатты, просто умножьте соответствующую величину (в лошадиных силах) на 0,746. Например, 20 л.с. равняется (20 • 0,746) = 14,92 кВт.
И наоборот, киловатты можно перевести в лошадиные силы умножением величины в киловаттах на 1,341. Это значит, что 15 кВт равняется 20,11 л.с.
Момент электродвигателя
Мощность [кВт или л.с.] связывает вращающий момент с частотой вращения, чтобы определить общий объём работы, который должен быть выполнен за определённый промежуток времени.
Рассмотрим взаимодействие между вращающим моментом, мощностью и частотой вращения, а также их связь с электрическим напряжением на примере электродвигателей Grundfos. Электродвигатели имеют одну и ту же номинальную мощность как при 50 Гц, так и при 60 Гц.
Это влечёт за собой резкое снижение вращающего момента при 60 Гц: частота 60 Гц вызывает 20%-ное увеличение числа оборотов, что приводит к 20%-ному уменьшению вращающего момента. Большинство производителей предпочитают указывать мощность электродвигателя при 60 Гц, таким образом, при снижении частоты тока в сети до 50 Гц электродвигатели будут обеспечивать меньшую мощность на валу и вращающий момент. Электродвигатели обеспечивают одинаковую мощность при 50 и 60 Гц.
Графическое представление вращающего момента электродвигателя изображено на рисунке.
Иллюстрация представляет типичную характеристику вращающий момент/частота вращения. Ниже приведены термины, используемые для характеристики вращающего момента электродвигателя переменного тока.
Пусковой момент (Мп): Механический вращающий момент, развиваемый электродвигателем на валу при пуске, т.е. когда через электродвигатель пропускается ток при полном напряжении, при этом вал застопорен.
Минимальный пусковой момент (Ммин): Этот термин используется для обозначения самой низкой точки на кривой вращающий момент/частота вращения электродвигателя, нагрузка которого увеличивается до полной скорости вращения. Для большинства электродвигателей Grundfos величина минимального пускового момента отдельно не указывается, так как самая низкая точка находится в точке заторможенного ротора. В результате для большинства электродвигателей Grundfos минимальный пусковой момент такой же, как пусковой момент.
Вращающий момент при полной нагрузке (Мп.н.): Вращающий момент, необходимый для создания номинальной мощности при полной нагрузке.
Нагрузка насосов и типы нагрузки электродвигателя
Выделяют следующие типы нагрузок:
Постоянная мощность
Термин «постоянная мощность» используется для определённых типов нагрузки, в которых требуется меньший вращающий момент при увеличении скорости вращения, и наоборот. Нагрузки при постоянной мощности обычно применяются в металлообработке, например, сверлении, прокатке и т.п.
Постоянный вращающий момент
Переменный вращающий момент и мощность
Вся остальная часть данного раздела будет посвящена исключительно переменному вращающему моменту и мощности.
Определив, что для центробежных насосов типичным является переменный вращающий момент, мы должны проанализировать и оценить некоторые характеристики центробежного насоса. Использование приводов с переменной частотой вращения обусловлено особыми законами физики. В данном случае это законы подобия, которые описывают соотношение между разностями давления и расходами.
Во-первых, подача насоса прямо пропорциональна частоте вращения. Это означает, что если насос будет работать с частотой вращения на 25% больше, подача увеличится на 25%.
Во-вторых, напор насоса будет меняться пропорционально квадрату изменения скорости вращения. Если частота вращения увеличивается на 25%, напор возрастает на 56%.
В-третьих, что особенно интересно, мощность пропорциональна кубу изменения скорости вращения. Это означает, что если требуемая частота вращения уменьшается на 50%, это равняется 87,5%-ному уменьшению потребляемой мощности.
Итак, законы подобия объясняют, почему использование приводов с переменной частотой вращения более целесообразно в тех областях применения, где требуются переменные значения расхода и давления. Grundfos предлагает ряд электродвигателей со встроенным частотным преобразователем, который регулирует частоту вращения для достижения именно этой цели.
Так же как подача, давление и мощность, потребная величина вращающего момента зависит от скорости вращения.
Это можно проиллюстрировать на примере характеристики вращающий момент/частота вращения, которую мы использовали ранее, когда рассказывали о вращающем моменте электродвигателя:
Когда электродвигатель набирает скорость от нуля до номинальной скорости, вращающий момент может значительно меняться. Величина вращающего момента, необходимая при определённой нагрузке, также изменяется с частотой вращения. Чтобы электродвигатель подходил для определённой нагрузки, необходимо чтобы величина вращающего момента электродвигателя всегда превышала вращающий момент, необходимый для данной нагрузки.
В примере, центробежный насос при номинальной нагрузке имеет вращающий момент, равный 70 Нм, что соответствует 22 кВт при номинальной частоте вращения 3000 мин-1. В данном случае насосу при пуске требуется 20% вращающего момента при номинальной нагрузке, т.е. приблизительно 14 Нм. После пуска вращающий момент немного падает, а затем, по мере того, как насос набирает скорость, увеличивается до величины полной нагрузки.
Очевидно, что нам необходим насос, который будет обеспечивать требуемые значения расход/напор (Q/H). Это значит, что нельзя допускать остановок электродвигателя, кроме того, электродвигатель должен постоянно ускоряться до тех пор, пока не достигнет номинальной скорости. Следовательно, необходимо, чтобы характеристика вращающего момента совпадала или превышала характеристику нагрузки на всём диапазоне от 0% до 100% скорости вращения. Любой «избыточный» момент, т.е. разница между кривой нагрузки и кривой электродвигателя, используется как ускорение вращения.
Соответствие электродвигателя нагрузке
Если нужно определить, отвечает ли вращающий момент определённого электродвигателя требованиям нагрузки, Вы можете сравнить характеристики скорости вращения/вращающего момента электродвигателя с характеристикой скорости вращения/ вращающего момента нагрузки. Вращающий момент, создаваемый электродвигателем, должен превышать потребный для нагрузки вращающий момент, включая периоды ускорения и полной скорости вращения.
Характеристика зависимости вращающего момента от скорости вращения стандартного электродвигателя и центробежного насоса.
Когда двигатель приближается к своему номинальному значению скорости вращения, ток снижается. Как и следовало ожидать, во время начального периода пуска потери на электродвигателе высоки, поэтому этот период не должен быть продолжительным, чтобы не допустить перегрева.
Очень важно, чтобы максимальная скорость вращения достигалась как можно точнее. Это связано с потребляемой мощностью: например, увеличение скорости вращения на 1% по сравнению со стандартным максимумом приводит к 3%-ному увеличению потребляемой мощности.
Потребляемая мощность пропорциональна диаметру рабочего колеса насоса в четвертой степени.
Уменьшение диаметра рабочего колеса насоса на 10% приводит к уменьшению потребляемой мощности на (1- (0.9 * 0.9 * 0.9 * 0.9)) * 100 = 34%, что равно 66% номинальной мощности. Эта зависимость определяется исключительно на практике, так как зависит от типа насоса, конструкции рабочего колеса и от того, насколько вы уменьшаете диаметр рабочего колеса.
Время пуска электрдвигателя
Если нам необходимо подобрать типоразмер электродвигателя для определённой нагрузки, например для центробежных насосов, основная наша задача состоит в том, чтобы обеспечить соответствующий вращающий момент и мощность в номинальной рабочей точке, потому что пусковой момент для центробежных насосов довольно низкий. Время пуска достаточно ограниченно, так как вращающий момент довольно высокий.
Нередко для сложных систем защиты и контроля электродвигателей требуется некоторое время для их пуска, чтобы они могли замерить пусковой ток электродвигателя. Время пуска электродвигателя и насоса рассчитывается с помощью следующей формулы:
tпуск = время, необходимое электродвигателю насоса, чтобы достичь частоты вращения при полной нагрузке
n = частота вращения электродвигателя при полной нагрузке
Iобщ = инерция, которая требует ускорения, т.е. инерция вала электродвигателя, ротора, вала насоса и рабочих колёс.
Момент инерции для насосов и электродвигателей можно найти в соответствующих технических данных.
Мизб = избыточный момент, ускоряющий вращение. Избыточный момент равен вращающему моменту электродвигателя минус вращающий момент насоса при различных частотах вращения.
Мизб можно рассчитать по следующим формулам:
Как видно из приведённых вычислений, выполненных для данного примера с электродвигателем мощностью 4 кВт насоса CR, время пуска составляет 0,11 секунды.
Число пусков электродвигателя в час
Современные сложные системы управления электродвигателями могут контролировать число пусков в час каждого конкретного насоса и электродвигателя. Необходимость контроля этого параметра состоит в том, что каждый раз, когда осуществляется пуск электродвигателя с последующим ускорением, отмечается высокое потребление пускового тока. Пусковой ток нагревает электродвигатель. Если электродвигатель не остывает, продолжительная нагрузка от пускового тока значительно нагревает обмотки статора электродвигателя, что приводит к выходу из строя электродвигателя или сокращению срока службы изоляции.
Обычно за количество пусков, которое может выполнить электродвигатель в час, отвечает поставщик электродвигателя. Например, Grundfos указывает максимальное число пусков в час в технических данных на насос, так как максимальное количество пусков зависит от момента инерции насоса.
Мощность и КПД (eta) электродвигателя
Существует прямая связь между мощностью, потребляемой электродвигателем от сети, мощностью на валу электродвигателя и гидравлической мощностью, развиваемой насосом.
При производстве насосов используются следующие обозначения этих трёх различных типов мощности.
Р3 (кВт) Входная мощность насоса = P2, при условии, что соединительная муфта между валами насоса и электродвигателя не рассеивает энергию.
Как правильно подобрать электродвигатель по типу, мощности и другим параметрам
Электродвигатель — механизм, преобразующий энергию электрического тока в кинетическую энергию. Современное производство и быт сложно представить без машин с электроприводом. Они используются в насосном оборудовании, системах вентиляции и кондиционирования, в электротранспорте, промышленных станках различных типов и т.д.
При выборе электродвигателя необходимо руководствоваться несколькими основными критериями:
Типы двигателей
Электродвигатели постоянного и переменного тока
В зависимости от используемого электрического тока двигатели делятся на две группы:
Электродвигатели постоянного тока сегодня применяются не так часто, как раньше. Их практически вытеснили асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором.
Главный недостаток электродвигателей постоянного тока — возможность эксплуатации исключительно при наличии источника постоянного тока или преобразователя переменного напряжения в постоянный ток. В современном промышленном производстве обеспечение данного условия требует дополнительных финансовых затрат.
Тем не менее, при существенных недостатках этот тип двигателей отличается высоким пусковым моментом и стабильной работой в условиях больших перегрузок. Приводы данного типа чаще всего применяются в металлургии и станкостроении, устанавливаются на электротранспорт.
Принцип работы электродвигателей переменного тока построен на электромагнитной индукции, возникающей в процессе движения проводящей среды в магнитном поле. Для создания магнитного поля используются обмотки, обтекаемые токами, либо постоянные магниты.
Электродвигатели переменного тока подразделяются на синхронные и асинхронные. У каждой подгруппы есть свои конструктивные и эксплуатационные особенности.
Синхронные электродвигатели
Синхронные двигатели — оптимальное решение для оборудования с постоянной скоростью работы: генераторов постоянного тока, компрессоров, насосов и др.
Технические характеристики синхронных электродвигателей разных моделей отличаются. Скорость вращения колеблется в диапазоне от 125 до 1000 оборотов/мин, мощность может достигать 10 тысяч кВт.
В конструкции приводов предусмотрена короткозамкнутая обмотка на роторе. Ее наличие позволяет осуществлять асинхронный пуск двигателя. К преимуществам оборудования данного типа относятся высокий КПД и небольшие габариты. Эксплуатация синхронных электродвигателей позволяет сократить потери электричества в сети до минимума.
Асинхронные электродвигатели
Асинхронные электродвигатели переменного тока получили наибольшее распространение в промышленном производстве. Особенностью данных приводов является более высокая частота вращения магнитного поля по сравнению со скоростью вращения ротора.
В современных двигателях для изготовления ротора используется алюминий. Легкий вес этого материала позволяет уменьшить массу электродвигателя, сократить себестоимость его производства.
КПД асинхронного двигателя падает почти вдвое при эксплуатации в режиме низких нагрузок — до 30-50 процентов от номинального показателя. Еще один недостаток таких электроприводов состоит в том, что параметры пускового тока почти втрое превышают рабочие показатели. Для уменьшения пускового тока асинхронного двигателя используются частотные преобразователи или устройства плавного пуска.
Асинхронные электродвигатели удовлетворяют требованиям разных промышленных применений:
Вентильные электродвигатели
Группа вентильных электродвигателей включает в себя приводы, в которых регулирование режима эксплуатации осуществляется посредством вентильных преобразователей.
К преимуществам данного оборудования относятся:
Мощность электродвигателя
В режиме постоянной или незначительно изменяющейся нагрузки работает большое количество механизмов: вентиляторы, компрессоры, насосы, другая техника. При выборе электродвигателя необходимо ориентироваться на потребляемую оборудованием мощность.
Определить мощность можно расчетным путем, используя формулы и коэффициенты, приведенные ниже.
Мощность на валу электродвигателя определяется по следующей формуле:
где:
Рм — потребляемая механизмом мощность;
ηп — КПД передачи.
Номинальную мощность электродвигателя желательно выбирать больше расчетного значения.
Формула расчета мощности электродвигателя для насоса
где:
K3 — коэффициента запаса, он равен 1,1-1,3;
g — ускорение свободного падения;
Q — производительность насоса;
H — высота подъема (расчетная);
Y — плотность перекачиваемой насосом жидкости;
ηнас — КПД насоса;
ηп — КПД передачи.
Давление насоса рассчитывается по формуле:
Формула расчета мощности электродвигателя для компрессора
Мощность поршневого компрессора легко рассчитать по следующей формуле:
Значение A можно рассчитать по формуле:
или взять из таблицы
Формула расчета мощности электродвигателя для вентиляторов
где:
K3 — коэффициент запаса.
Его значения зависят от мощности двигателя:
Q — производительность вентилятора;
H — давление на выходе;
ηв — КПД вентилятора;
ηп — КПД передачи.
Приведенная формула используется для расчета мощности осевых и центробежных вентиляторов. КПД центробежных моделей равен 0,4-0,7, а осевых вентиляторов — 0,5-0,85.
Остальные технические характеристики, необходимые для расчета мощности двигателя, можно найти в каталогах для каждого типа механизмов.
Важно! При выборе электродвигателя запас мощности должен быть, но небольшой. При значительном запасе мощности снижается КПД привода. В электродвигателях переменного тока это приводит еще и к снижению коэффициента мощности.
Пусковой ток электродвигателя
Зная тип и номинальную мощность электродвигателя, можно рассчитать номинальный ток.
Номинальный ток электродвигателей постоянного тока
Номинальный ток трехфазных электродвигателей переменного тока
где:
PH — номинальная мощность электродвигателя;
UH — номинальное напряжение электродвигателя,
ηH — КПД электродвигателя;
cos φ H — коэффициент мощности электродвигателя.
Номинальные значения мощности, напряжения и КПД можно найти в технической документации на конкретную модель электродвигателя.
Зная значение номинального тока, можно рассчитать пусковой ток.
Формула расчета пускового тока электродвигателей
где:
IH — номинальное значение тока;
Кп — кратность постоянного тока к номинальному значению.
Пусковой ток необходимо рассчитывать для каждого двигателя в цепи. Зная эту величину, легче подобрать тип автоматического выключателя для защиты всей цепи.
Режимы работы электродвигателей
Режим работы определяет нагрузку на электродвигатель. В некоторых случаях она остается практически неизменной, в других может изменяться. Характер предполагаемой нагрузки обязательно учитывается при выборе двигателя. Действующими стандартами предусмотрены следующие режимы эксплуатации:
Режим S1 (продолжительный). При таком режиме эксплуатации нагрузка остается постоянной в течение всего времени, пока температура электродвигателя не достигнет необходимого значения. Мощность привода рассчитывается по формулам, приведенным выше.
Режим S2 (кратковременный). При эксплуатации в этом режиме температура двигателя в период его включения не достигает установившегося значения. За время отключения электродвигатель охлаждается до температуры окружающей среды. При кратковременном режиме эксплуатации необходимо проверять перегрузочную способность электропривода.
Режим S3 (периодически-кратковременный). Электродвигатель работает с периодическими отключениями. В периоды включения и отключения его температура не успевает достигнуть заданного значения или охладиться до температуры окружающей среды. При расчете мощности двигателя обязательно учитывается продолжительность пауз и потерь в переходные периоды. При выборе электродвигателя важным параметром является допустимое количество включений за единицу времени.
Режимы S4 (периодически-кратковременный, с частыми пусками) и S5 (периодически-кратковременный с электрическим торможением). В обоих случаях работа двигателя рассматривается по тем же параметрам, что и в режиме эксплуатации S3.
Режим S6 (периодически-непрерывный с кратковременной нагрузкой). Работа электродвигателя в данном режиме предусматривает эксплуатацию под нагрузкой, чередующуюся с холостым ходом.
Режим S7 (периодически-непрерывный с электрическим торможением)
Режим S8 (периодически-непрерывный с одновременным изменением нагрузки и частоты вращения)
Режим S9 (режим с непериодическим изменением нагрузки и частоты вращения)
Большинство моделей современных электроприводов, эксплуатируемых продолжительное время, адаптированы к изменяющемуся уровню нагрузки.
Климатические исполнения электродвигателей
При выборе электродвигателя учитываются не только его технические характеристики, но и условия окружающей среды, в которых он будет эксплуатироваться.
Современные электроприводы выпускаются в разных климатических исполнениях. Категории маркируются соответствующими буквами и цифрами:
Цифры в номенклатуре модели указывают на тип ее размещения:
Энергоэффективность
Рациональное потребление энергии при сохраняющейся высокой мощности сокращает текущие производственные затраты при одновременном увеличении производительности электродвигателя. Поэтому при выборе привода обязательно учитывается класс энергоэффективности.
В технической документации и каталогах обязательно указывается класс энергоэффективности двигателя. Он зависит от показателя КПД.
Проводимые в тестовом и рабочем режимах экспериментальные исследования показывают, что электродвигатель мощностью 55 кВт высокого класса энергоэффективности сокращает потребление электроэнергии на 8-10 тысяч кВт ежегодно.
Источник: Компания «Техпривод»