Что такое мощность электродвигателя?

Что такое мощность электродвигателя?

Электродвигатели, устанавливаемые в оборудование, особенно производственное, важно грамотно подбирать по ряду критериев. Одним из основных технических параметров, которые важно учитывать при подборе, является мощность двигателя..

Грамотный подбор позволит значительно продлить срок эксплуатации электроприбора, что в случае с использованием дорогостоящего оборудования будет означать еще и существенную экономию..

Электродвигатели

Задача электродвигателя заключается в том, чтобы преобразовывать энергию поступающего электрического тока в механическую энергию. В основе данного процесса лежит известный принцип электромагнитной индукции. Двигатель может работать от переменного или постоянного тока, поступающего от инвертора, аккумулятора или сети..

Стоит также отметить, что на электростанциях двигатели совершают обратный процесс – преобразуют механическую энергию (например, энергию падающей воды) в электрическую.

Можно выделить две большие группы электромоторов: работающие на переменном токе и на постоянном. Вторые, в свою очередь, подразделяются на бесколлекторные и коллекторные, первые – на асинхронные и синхронные.

Моторы переменного тока также делятся на однофазные, двухфазные и трехфазные. В отдельную категорию выделяются двигатели с жидкостным (вода) и воздушным типами охлаждения.

Как рассчитать мощность двигателя, который работает на переменном токе? Для расчета используется следующая формула:

Конструкция электродвигателя

Основные элементы конструкции следующие::

• Ротор.
• Статор.
• Подшипники.
• Воздушный зазор.
• Обмотку.
• Коммутатор.

Рассмотрим их подробнее..

Ротор представляет собой единственный подвижный элемент двигателя. При работе мотора ротор вращается вокруг оси. При этом ток, проходящий через проводники, создает в обмотках двигателя индукционные возмущения. Таким образом создается магнитное поле. Взаимодействуя со статором, в котором имеются магниты, это поле заставляет вращаться вал. .

Подшипники – деталь, устанавливаемая на вал. Именно на них вал вращается.

Статор – неподвижный элемент конструкции двигателя. Статор, в свою очередь, может включать в себя разные составляющие, в зависимости от типа мотора. Это может быть обмотка или постоянный магнит. Ключевая деталь статора – это набор тонких пластинок металла, которые образуют так называемый пакет якоря. Он используется для снижения энергетических потерь.

Обмотка, по сути, представляет собой катушку с медной проволокой, расположенную вокруг сердечника. Сердечник выполняется из металла и является намагниченным. Задача катушки заключается в том, чтобы преобразовывать одно значение напряжения в другое. Электрический ток, проходя через обмотку, создает индукционные возмущения. Вследствие этого мотор переходит в режим полюсности, имеющий явные и неявные полюса

Можно выделить несколько разных видов обмотки. Наиболее популярная из них – так называемая винтовая. Кроме того, различают слоевую обмотку, чередующуюся, дисковую катушечную.

Воздушный зазор – это расстояние между статором и ротором. Чем зазор больше, тем ток намагничивания выше. Вследствие этого оптимальным для хорошей работы мотора является небольшой зазор, поскольку он напрямую влияет на КПД двигателя – на потери, на вращающий момент. Чересчур малый зазор, однако, приводит к появлению трения и к ослаблению фиксаторов

Различные виды двигателей имеют разные зазоры. Конкретная величина зазора определяется рядом факторов, таких как габариты мотора, рабочая температура, нагрузки и т.д.

Коммутатор представляет собой набор изолированных колец, которые располагаются на валу двигателя. Основная задача коммутатора заключается в том, чтобы переключать напряжение на входе. Можно выделить два класса коммутаторов: транзисторные и тиристорные..

Принцип действия

Согласно закону Архимеда, ток в проводниках создается магнитным полем, в котором действует сила. В том случае, если взять такой проводник и сделать из него рамку, а затем расположить ее в магнитном поле под прямым углом, то края этой рамки будут испытывать на себе силы, векторы которых будут расположены по отношению друг к другу в противоположных направлениях. Эти силы и формируют крутящий момент, а он, в свою очередь, вращает ось..

Магнитное поле формируется магнитами – постоянными или электрическими. Наличие витков на якоре гарантирует постоянное вращение. В итоге ток создает индукционное поле, которое и формирует электродвижущую силу.

Индукционный (асинхронный) двигатель требует постоянного источника переменного тока. Ток в таком моторе, осуществляя взаимодействие с магнитным полем, вращает ротор. Если на катушке мотора нет напряжения, то двигатель неподвижен. Но стоит появиться току – тут же формируется магнитное поле, которое можно описать такой формулой:

Магнитное поле формирует пульсацию, которая заставляет ротор вращаться вокруг оси. В катушке устройства создается ток, его частота зависит от вращения ротора. Как только ток вступает во взаимодействие с магнитным полем, вал мотора начинает вращаться

Есть три основные формулы расчета мощности асинхронных двигателей. Для расчета по сдвигу фаз применяют следующую:

Типы электродвигателей

Все двигатели можно разбить на два больших класса: работающие на переменном токе и на постоянном. По параметру «принцип работы» классификация следующая

• Коллекторные.
• Вентильные.
• Асинхронные.
• Синхронные.

Следует уточнить, что вентильные двигатели – не самостоятельный класс, а вариация коллекторного типа мотора. В конструкцию такого двигателя включен датчик положения ротора и электронный преобразователь. Как правило, эти элементы монтируют на плате управления. Благодаря им становится возможной согласованная коммутация якоря.

Моторы синхронного и асинхронного типов работают только на переменном токе. Наличие сложной электроники позволяет управлять оборотами такого двигателя.

Асинхронные моторы, в свою очередь, подразделяются на одно–, двух– и трехфазные. Расчет мощности трехфазного мотора (в случае соединения по типу звезды или в треугольник): :

Если значения тока и напряжения линейны, то формула изменяется:

Синхронные двигатели можно разделить на несколько больших категорий

• Шаговые.
• Гибридные.
• Индукторные.
• Гистерезисные.
• Реактивные.

Шаговый мотор имеет в конструкции постоянный магнит. Эти двигатели не принято выносить в самостоятельный отдельный подкласс. Управление ими ведется при помощи специальных частотных преобразователей.

Также можно выделить универсальные моторы, которые могут работать и на переменном токе, и на постоянном.

Бирка (шильдик) электродвигателя

Осмотрев любой, за редким исключением, электродвигатель можно обнаружить табличку, привинченную на болты, саморезы или же заклепки. Что же написано на данном куске металла? Возьмем шильдик, заменив на нем заводской номер на название сайта.

Кстати, редко бывает, что табличка на электрооборудование находится в таком, почти идеальном состоянии. Часто данные выцветают или замазаны краской, ведь задача стоит для обслуживающего персонала покрасить двигатель, а не покрасить двигатель, оставив табличку нетронутой. Но, нам повезло. Пойдем по-порядку.

Первая строчка — число фаз и тип тока (3

), заводской номер, частота сети, форма исполнения и монтажа, класс изоляции

Вторая строчка — тип электродвигателя, косинус фи, возможные схемы соединения, номинальная частота вращения

Третья строчка — возможные номинальные напряжения, номинальная мощность, IP — степень защиты электродвигателя, масса, режим работы электродвигателя (S1).

Четвертая строчка — номинальные токи в зависимости от схемы включения обмоток, далее какому госту соответствует эд.

Рассмотрим отдельные параметры более подробно.

Мощность электродвигателя: полная, активная и на валу

Формула для расчета мощности трехфазного асинхронного двигателя:

S1 — полная мощность, потребляемая двигателем из сети

P1 — активная мощность, потребляемая электродвигателем из сети (указана на шильдике)

P — активная мощность на валу ЭД.

cosf — косинус фи, коэффициент мощности — угол сдвига фаз между активной (P) и полной мощностью (S).

В формулах выше, значение мощности получится в Вт, значение полной мощности в ВА. Чтобы перевести в киловатты необходимо получившееся значение разделить на тысячу. Значение тока и напряжения соответственно в формуле выше в амперах и вольтах.

I1 и U1 — линейные значения тока и напряжения, их еще называют междуфазными. Не стоит путать с фазными. Линейные — это АВ, ВС, СА (380); фазные — АО, ВО, СО (220). Если выразить формулы мощностей через фазные значения тока и напряжения, то вместо корня из трех вначале будет коэффициент 3. Этот коэффициент определяется наглядно через векторную диаграмму трехфазного напряжения.

Для двигателей постоянного тока формула будет просто произведение напряжения на зажимах двигателя умножить на ток, потребляемые двигателем из сети.

Потребляемая мощность p1 больше мощности на валу ЭД из-за потерь, которые возникают при преобразовании электрической энергии в механическую.

Звезда/Треугольник и 220/380, 380/660

Смотреть все значения по порядку как они идут через дробь. То есть написано на шильде Y/D ( треугольник/звезда), значит и токи, напряжения соответственно будут сначала для Y, а после дроби для звезды. Единственно, нюанс, что при 220/380 — треугольник будет 220, А при 380/660 — треугольник будет 380. То есть говорить, что 380 — это всегда звезда — неверно.

Всегда изучайте табличку на движке перед подключением.

Достоинства при подключении звездой и треугольником абстрактны, так как каждая схема имеет свои области применения:

• Y — меньше рабочий и пусковой ток, больше напряжение, меньше пусковой момент, меньше греется
• D — больше пусковой момент, пусковой ток, но и больше греется.

Бывают двухскоростные двигатели, где сначала запускаются на звезде, А потом переходят на треугольник. В таком случае механизм легче запускается, А потом работает с большей мощностью.

При подключении трехфазного двигателя на 220В, где есть лишь фаза и ноль, можно прибегнуть к схеме с конденсаторами.

Форма исполнения и способ монтажа

IM 1081 — форма исполнения и способ монтажа согласно ГОСТ 2479 и МЭК60034-5. В нашем примере это обозначает “на лапах с двумя подшипниковыми щитами, с одним циллиндрическим концом вала”.

Это название состоит из латинских букв IM и четырех чисел.

Первая цифра от 1 до 9 — конструктивный способ исполнения

Вторая и третья (00. 99) — способ монтажа

Четвертая (0..9) — условное обозначение конца вала.

Коэффициент полезного действия электродвигателя

КПД показывает эффективность преобразования электродвигателем электрической энергии, которую он берет из сети, в механическую энергию вращения механизма.

Если бы не было потерь при передаче энергии, то КПД равнялся бы 100%. Однако, такого не существует. Однако, существуют виды потерь, которые уменьшают величину коэффициента:

• потери от нагрева проводников с током при увеличении нагрузки — электрические потери
• потери на вихревые токи, гистерезис в шихтованных статорах — магнитные потери
• потери на трение подшипников, вентиляцию — механические потери
• плюс различные дополнительные менее важные виды потерь.

Часто, но не всегда, чем выше скорость вращения электродвигателя, тем больше его КПД. Это связано с зависимостью КПД и скольжения ЭД. Существуют классы согласно величины КПД по ГОСТ IEC/TS 60034-31—2015: IE1, IE2, IE3, IE4.

Классы изоляции двигателей по нагревостойкости

Здесь нам на помощь придет ГОСТ 8865-93. Класс изоляции электрических машин характеризует максимальную температуру при номинальных параметрах. То есть в нашем примере при номинальных данных с таблички, температура изоляции не должна превышать 155 градусов.

Приведу данные допустимых температур электродвигателей для разных классов изоляции. Следует учитывать, что материалы могут иметь различные классы.

• Y — 90
• A — 105
• E — 120
• B — 130
• F — 155
• H — 180

Далее идут цифровые классы: 200, 220, 250 — а после них плюс 25 градусов с обозначением класса согласно допустимого значения температуры.

Данные температуры определены опытным путем при работе на номинальных параметрах на протяжении срока эксплуатации до величин, при которых увеличивается тангенс дельта и уменьшается напряжение пробоя.

Что лучше: мощность или крутящий момент

Мощность и крутящий момент двигателя – величины взаимосвязанные. Это хорошо видно в формуле из первого пункта.

Пик крутящего момента на графике зависимости от частоты вращения мотора появляется раньше, чем пик мощности. Это справедливо как для дизельных, так и для бензиновых моторов. Однако у дизелей крутящий момент достигается раньше, и плато (интервал частоты вращения при пиковом значении) длиннее. У бензиновых ДВС мощность выше, хотя для ее достижения нужно раскрутить мотор почти до максимальных оборотов.

Сказать определенно, что лучше: мощность или крутящий момент, нельзя. Все зависит от случая. Трансмиссия современного авто способна трансформировать эти величины под требуемые условия. Поясним на примерах.

Для тяжелой техники, которой важна тяга в широком диапазоне оборотов, важнее крутящий момент. Мотор должен хорошо тянуть. Раскручивать его до предельных оборотов не нужно. Отчасти поэтому почти вся коммерческая техника оснащается дизельными моторами.

В гоночных автомобилях важнее мощность. Моторы этих авто по оборотам пилоты во время заездов держат в красной зоне. Двигатель отдает максимальную мощность. А трансмиссия преобразовывает мощность в тягу.

Для гражданских авто важен стиль вождения. Для езды на автомате подойдут оба мотора. Автоматическая трансмиссия будет держать мотор в диапазоне оборотов, при которых двигатель отдает максимум своего потенциала.

Для агрессивной езды на механике с раскручиванием двигателя в красную зону тахометра лучше подойдет бензиновый мотор. Но в этом случае нужно понимать, что для получения максимальной производительности от мотора потребуется держать его на пике оборотов и часто переключать передачи. Пик мощности у бензинового ДВС имеет малый диапазон и находится около максимальных оборотов. Для уверенных обгонов и ускорений нужно будет понижать передачу и раскручивать двигатель.

Для размеренной езды, особенно в городе, больше подходит дизель. Для обгона на дизельном авто зачастую не потребуется переходить на пониженную передачу, а высокий крутящий момент в широком диапазоне оборотов позволит реже переключаться.

Мы рассмотрели основные способы определения мощности электродвигателя. Есть и другие методы, например, по сопротивлению обмоток, но он не может быть точным, так как после перемотки оно может не соответствовать паспортным данным. Да и чтобы точно измерить сопротивление обмоток статора мощных двигателей нужны точные измерительные приборы, так называемый измерительный мост, или производить замеры методом вольтметра-амперметра. Чего делать на практике никто не будет, а мультиметром точно сделать такие замеры не получится.

Способ определения параметров электродвигателя по весу также нельзя называть точным, он заключается в том, что, в среднем, вес асинхронного электродвигателя равняется:

• для 3000 об/мин — 7-9 кг на 1 кВт;
• для 1500 об/мин — 11-13 кг/кВт;
• Для 1000 об/мин — 14-15 кг/кВт.

Но точным его назвать совсем нельзя, корпуса современных электродвигателей выполняются из алюминия и легче до 30%, по сравнению со старыми советскими, тогда как защищенный электродвигатель будет весить больше своего незащищенного аналога. Поэтому такой метод, хоть и имеет право на жизнь, но больше похож на гадания на кофейной гуще.

Пожалуй, самое простое определение мощности электродвигателя — по размерам, диаметру вала и т.д. с последующим сравнением с каталожными данными двигателей такой же серии.

Вычисление по габаритам:

По данному способу необходимо провести следующие действия:

• Измерить диаметр сердечника в статоре по внутренней части, а также длину с учетом отверстий вентиляции. Значение выражается в сантиметрах.
• Вычислить частоту сети, к которой подключен электродвигатель, и синхронную частоту валового вращения.
• Узнать показатель полюсного деления: для этой цели диаметр сердечника умножается на синхронную частоту вращения вала, а найденное значение умножается на 3,14 и делится на частоту сети, умноженное на 120.

Как узнать выходную мощность

Двигатели как предполагается, выполняют какую-то работу, и два важных значения, которые определяют, насколько он мощный. Это скорость и сила поворота двигателя. Выходная механическая мощность двигателя может быть рассчитана по следующей формуле:

Pout = τ * ω

где Pout — выходная мощность, измеренная в ваттах (Вт);

τ — момент силы, измеренный в метрах Ньютона (N • м);

ω — угловая скорость, измеренная в радианах в секунду (рад / с).

Легко рассчитать угловую скорость, если вы знаете скорость вращения двигателя в об / мин:

ω = rpm * 2 * П / 60

где ω — угловая скорость (рад / с);

об / мин — скорость вращения в оборотах в минуту;

П — математическая константа (3.14);

60 — количество секунд в минуте.

Если двигатель имеет 100% КПД, вся электрическая энергия преобразуется в механическую энергию. Однако таких двигателей не существует. Даже прецизионные малые промышленные двигатели, имеют максимальную эффективность 50—60%.

Измерение момент силы двигателя является сложной задачей. Для этого требуется специальное дорогостоящее оборудование. Но это возможно сделать и самому обладая специальной информацией и формулами.

Варианты расчета показателя

Существует несколько способов и формул расчета мощности электродвигателя. Приготовив все необходимые инструменты, можно переходить к определению значения показателя одним из следующих методов:

По току электросети. Для этого электродвижок включается в сеть с фиксированным напряжением. Поочередно включая в каждую из обивок прибор амперметр, необходимо измерить работающий ток электродвигателя в единицах измерения – Амперах. Считаем, какое количество замеров было произведено, определяем сумму показателей, находим среднее значение. Полученное число перемножаем со значением напряжения в электросети, результат – мощность движка, выраженная в Ваттах.

По размерам. Для этого метода необходимо измерить длину и диаметр определенной детали – сердечника статора электродвижка и найти сведения о частоте оборачиваемости вала.

После получения сведений осуществляется приблизительный расчет по следующей формуле: Число Пи(3,14)*D*n/(120*f). На основании произведенного расчета, и найдя в справочнике постоянное число (константу), определяем мощность: P=C*D^2*I*n*10^(-6).

По тяговой силе. Для этого, с помощью тахометра необходимо измерить скорость вращения вала, его радиус (это проделывается штангенциркулем или линейкой), а также тяговое усилие электродвижка динамометром. Все полученные значения необходимо подставить в следующую формулу: P=M*w=F*2*3,14*n*r.

Для того, чтобы правильно рассчитать величину показателя тем или иным способом, можно изучить подробную инструкцию на видео или фото определения мощности электродвигателя различными методами. Это поможет вам не запутаться в осуществляемых действиях, сделать все четко и безошибочно.

Таким образом, помните, что мощность электродвигателя является основным показателем его работы, именно от неё зависит область применения устройства и выполняемые им задачи. Поэтому к расчету данного показателя необходимо подойти очень внимательно, осознавая серьезность осуществляемых действий.