Характеристики двигателей ток нагрузки

Пусковой ток. Типы и работа. Применение и особенности

Пусковой ток – представляет ток, который необходим для запуска электрического или электротехнического устройства. Он больше номинального тока в разы, вследствие чего при подборе оборудования так важно учитывать данный параметр. В качестве примера можно привести ситуацию, когда при разгоне автомобилю нужно на порядок больше топлива, чем при движении на автомагистрали с одинаковой скоростью. Таким же образом электрический двигатель потребляет больше электрического тока при «разгоне».

Подобные явления могут наблюдаться и в ином электрическом оборудовании: электрических магнитах, лампах и так далее. Пусковые процессы в устройствах определяются параметрами рабочих органов: намагниченностью катушки, накаливающейся нитью и тому подобное. Весьма часто производители ограничивают ток пуска при помощи пускового сопротивления.

Пусковой ток появляется на небольшой период времени, что в большинстве случаев составляет доли секунд. Однако по своему значению он может быть в несколько раз выше номинального значения. Этот параметр также зависит от вида применяемого оборудования. В различных приборах указанные токи могут составлять в 2-9 раз больше номинального.

Для примера можно привести следующее оборудование:

• Погружные насосы имеют наиболее тяжелый запуск. Ток пуска здесь составляет порядка 7-9 кратного пика от номинального тока.
• Электрическая мясорубка имеет 7 кратный перевес тока пуска от номинального тока.
• Бетономешалка или буровой пресс имеют 3,5 кратный перевес тока пуска от номинального тока. Это же касается бойлера, стиральной машины, обогревателей радиаторного типа.
• Холодильник имеет ток пуска, который превосходит номинальный ток в 3,33 раза.
• Инвертор и микроволновая печь имеют ток пуска, который превосходит номинальный ток в 2 раза.
• Циркулярная пила обычно имеет ток пуска, который превосходит номинальный ток в 1,32 раза.

В большинстве случаев производители практически не указывают данный параметр в спецификациях. Поэтому часто приходится довольствоваться ориентировочными параметрами. Измерительные приборы бытового значения выделяются инерционностью, поэтому при помощи них затруднительно измерить кратковременный всплеск тока пуска. Лучше всего уточнить параметр тока пуска у прибора непосредственно у дилера.

Работа

При запуске любого вида электрического двигателя появляется пусковой ток, который может достигать 9 кратного значения от номинального тока. Характеристика тока пуска определяется типом двигателя, присутствием нагрузки на валу двигателя, схемы подключения, скорости вращения и тому подобное.

Ток пуска появляется вследствие того, что в период запуска требуется довольно сильное магнитное поле в обмотке, чтобы перевести ротор из статичного положения и раскрутить его. То есть это ток, который требуется, чтобы запустить электрический двигатель в рабочий режим. Именно поэтому его значение на порядок превышает рабочий ток.

В период включения мотора на обмотках наблюдается малое сопротивление, вследствие чего растет ток при постоянном напряжении. Как только двигатель начинает раскручиваться, то в обмотках появляется индуктивное сопротивление, вследствие чего ток начинает стремиться к номинальному значению.

Принцип действия

Электрические двигатели обширно применяются в разных сферах промышленности. В результате этого знание параметров пусковых характеристик важно для правильного применения электрических приводов. Основными параметрами, которые влияют на ток пуска, являются момент и скольжение на валу.

При подаче тока в обмотки наблюдается рост насыщения сердечника ротора магнитным полем, появлению эдс самоиндукции. В результате растет индукционное сопротивление в цепи. При раскручивании ротора уменьшается степень скольжения. В результате ток пуска с ростом сопротивления уменьшается до рабочего параметра.

Ток пуска важен не только для электродвигателей, но и для источников питания. В частности, это касается аккумуляторных батарей. Параметры тока пуска характеризуют мощность в наивысшем значении, которую аккумулятор может выдавать в течение некоторого времени без значительной просадки напряжения. Ток пуска в большинстве случаев определяется емкостью батареи, в том числе условий климата. Так как при запуске движка летом требуется меньше энергии, чем зимой, то ток пуска при первом варианте будет несколько раз ниже, чем во втором. К примеру, для запуска современной машины аккумулятору в соответствии со стандартами необходимо выдавать ток на уровне 250-300 А минимум в течении 30 секунд.

Применение

Для правильной эксплуатации электрических приводов важно учитывать их пусковые характеристики. Если этого не учитывать и не пытаться нивелировать минусы тока пуска, то возможны неприятные последствия. Так ток пуска может негативно сказываться на другом оборудовании, которое одновременно работает с указанным электродвигателем на одной линии. При больших значениях ток пуска может приводить к падению напряжения сети и даже вызывать поломку оборудования.

Активная нагрузка

К устройствам с активной нагрузкой причисляются нагревательные приборы (утюги, электроплиты, лампы накаливания, электрические чайники). Подобные приборы вырабатывают тепло и свет. Они не содержат индуктивности и емкости. Активная нагрузка преобразовывает электроэнергию в свет и тепло.

Реактивная нагрузка содержит емкость и индуктивность. Данные параметры имеют качество собирать энергию, а потом отдавать ее в сеть. Примером может служить электродвигатель, электрическая мясорубка, бытовой инструмент (пылесос, кухонный комбайн). То есть, все устройства, которые содержат электродвигатели.

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).

Как рассчитать ток защитного автомата

Для группы розеток, предназначенных для питания бытовых электроприборов на кухне, необходимо подобрать защитный автоматический выключатель. Мощности приборов по паспортным данным составляют 2,0, 1,5 и 0,6 кВт.

Решение. В квартире используется однофазная переменная сеть 220 вольт. Общая мощность всех приборов, подключенных в работу одновременно, составит 2,0+1,5+0,6=4,1 кВт=4100 Вт.

По формуле I = P / U определим общий ток группы потребителей: 4100/220=18,64 А.

Ближайший по номиналу автоматический выключатель имеет величину срабатывания 20 ампер. Его и выбираем. Автомат меньшего значения на 16 А будет постоянно отключаться от перегрузки.

Ниже приводится таблица для скрытой проводки при однофазной схеме подключения квартиры для подбора провода при напряжении 220 В

Как видно из таблицы сечение жил зависит кроме нагрузки и от материала, из которого изготовлен провод.

Характеристики моторов постоянного тока

Рассмотрим основные характеристики мотора.

Электрические параметры

Рабочее напряжение — диапазон допустимых питающих напряжений. Чем питающее напряжение будет больше, тем больше будет мощность мотора и скорость вращения. Однако, бесконечно повышать напряжение нельзя, так как с каждым новым вольтом, повышается риск того, что мотор перегорит.

Для наглядности, проведем эксперимент: будем постепенно повышать питающее напряжение мотора, при этом будем контролировать потребляемый ток мультиметром.

Первое, что бросается в глаза — при повышении напряжения от 3 до 9 В, ток изменяется от 40 до 60 мА. Получается, что при увеличении напряжения в 3 раза, ток потребления увеличился всего 2 раза.

Теперь вспомним закон Ома:

Отсюда видно, что, при постоянном сопротивлении провода, ток в цепи должен увеличиваться во столько же раз, во сколько увеличивается напряжение. То есть, обмотка мотора (проволочная рамка) должна иметь переменное сопротивление.

Разберемся с этим парадоксом. Нашу проволочную рамку постоянно пронизывает магнитное поле. Если рамка начинает вращаться, то под действием магнитных сил, в ней возникает напряжение, направленное на противодействие внешних сил, то есть, против внешнего напряжения, которое мы подаем на мотор. Потому, в данном случае, закон Ома надо рассматривать вот так:

,

где E — обратная электродвижущая сила (наведённое магнитным полем напряжение).

Чем быстрее вращается мотор, тем больше значение обратной электродвижущей силы, тем меньше будет потребляемый мотором ток. Поэтому, на холостом ходу мотор всегда потребляет меньший ток, чем под нагрузкой.

Номинальное напряжение — наиболее подходящее напряжение, для питания мотора, при котором мотор способен быстро вращаться, при этом не перегреваясь.

Ток без нагрузки — ток, потребляемый мотором на холостом ходу. Поскольку, на холостом ходу мотор вращается с максимальной скоростью, то потребляемый ток в таком режиме работы будет минимальным для конкретной модели мотора.

Ток при блокировке — ток, потребляемый мотором, при блокировке вала мотора. Данная величина тока потребления будет максимальной. Так как, блокировка вала означает — отсутствие вращения, поэтому будет полностью отсутствовать обратная электродвижущая сила. На практике данную величину можно измерить косвенно, не блокируя вал мотора. Для этого достаточно воспользоваться законом Ома:

U — напряжение питания. Его значение нам известно. R — сопротивление обмотки мотора. Данное значение можно измерить мультиметром, подключив его к клеммам мотора, как к обычному резистору.

Например, для нашего мотора измерим сопротивление обмотки R = 9.9 Ом. При напряжении питания 6 В, получаем:

Механические параметры

Диаметр выходного вала — диаметр подвижной оси мотора, которая совершает вращение.

Передача — полная аналогия с автомобилем. Внутри мотора установлена группа шестеренок, благодаря которым, можно, в известном соотношении, снизить скорость вращения вала мотора, но, при этом, увеличить его выходную мощность.

Скорость без нагрузки — скорость вращения вала мотора (количество оборотов в минуту) на холостом ходу.

Крутящий момент или момент силы — векторная физическая величина, характеризующая вращательное действие силы на твёрдое тело.

В нашем случае данная величина является произведением двух параметров: расстояние от оси мотора до точки прикрепления груза (см) и усилие (кг). Если вы собираете, например, дрель, то данная величина не должна вас сильно беспокоить. Однако, если вы хотите прикрепить к мотору втулку на вал, то надо помнить, что при увеличении диаметра втулки уменьшается максимальное усилие, которое может обеспечить мотор.

Плавкие предохранители в электросетях до 1000 В

Различают плавкие предохранители с большой тепловой инерцией, т. е. способностью выдерживать значительные кратковременные перегрузки током, и безынерционные, обладающие малой тепловой инерцией и, следовательно, весьма ограниченной способностью к перегрузкам.

К первым относятся все установочные предохранители с винтовой резьбой и свинцовым токопроводящим мостиком, ко вторым — трубчатые предохранители с медным токопроводящим мостиком.
Номинальный ток плавкой вставки I в для предохранителей с большой тепловой инерцией определяется только по величине длительного расчетного тока линии I дл из соотношения

Номинальный ток плавкой вставки для безынерционных предохранителей должен удовлетворять двум условиям, одно из которых выражается соотношением (4-5), а другое -одной из приведенных ниже формул (4-6), (4-7) или (4-8).
При защите ответвления к одиночному электродвигателю с нечастыми пусками и длительностью пускового периода не более 2-2,5 сек. (электродвигатели металлообрабатывающих станков, вентиляторов, насосов и т. п.)

при защите ответвления к одиночному электродвигателю с частыми пусками (электродвигатели кранов) или большой длительностью пускового периода (двигатели центрифуг, дробилок и т. п.)

при защите магистрали, питающей силовую или смешанную нагрузку,

В последних трех формулах:
I п — пусковой ток электродвигателя, а;
I кр — максимальный кратковременный ток линии:

где I ‘п — пусковой ток электродвигателя или группы одновременно включаемых двигателей, при пуске которых кратковременный ток линии достигает наибольшей величины, а;
I ‘дл — длительный расчетный ток линии до момента пуска электродвигателя (или группы двигателей), определяемый без учета рабочего тока пускаемого электродвигателя (или группы двигателей), а.

Для электродвигателей ответственных механизмов с целью особо надежной отстройки предохранителей от толчков тока допускается при выборе предохранителя пользоваться формулой (4-7), принимая знаменатель равным 1,6 независимо от условий пуска электродвигателя, если кратность тока к. з. удовлетворяет условиям, указанным в столбце 3, табл. 7-8.
Номинальный ток плавкой вставки для защиты ответвления к сварочному аппарату выбирается из соотношения
где I н.св — номинальный ток сварочного аппарата при номинальной продолжительности включения, а; ПВ — номинальная продолжительность включения аппарата, выраженная в долях единицы.
Номинальный ток плавкой вставки для защиты ответвления к сварочному аппарату можно принимать равным длительно допустимому току на прокладываемый для питания сварочного аппарата провод.
Технические данные плавких предохранителей приведены в таблицах.
Избирательность защиты плавкими предохранителями магистральной линии с ответвлениями достигается последовательным увеличением величин плавких вставок на отдельных участках линии по мере приближения к пункту питания.
В табл. 4-37 приведены соотношения плавких вставок предохранителей ПН2 на большие и меньшие величины номинального тока для сетей особо ответственного назначения в зависимости от отношения тока короткого замыкания I к к номинальному току плавкой вставки с меньшей величиной I в.м , показывающие, какую величину номинального тока плавкой вставки I в.б следует выбрать, чтобы в любых неблагоприятных условиях обеспечить необходимую избирательность.
Так как приведенные значения выведены для обеспечения избирательности при наименее благоприятных условиях, в обычной практике достаточная надежность получается, если исходить из средних отступлений от типовых характеристик. Необходимые для этих случаев соотношения приведены в табл. 4-38.

Расчет номинальной мощности

Метод эквивалентного тока

Применим для расчета номинальной мощности при обязательном соблюдении во время работы неизменности показателей мощности потерь в обмотках двигателя, складывающейся из постоянной и переменной величин мощности, сопротивлений обмоток ротора и статора, потерь на механическое трение. Зная номинальный коэффициент мощности, показатели эквивалентного тока и номинального напряжения, возможно рассчитать номинальную мощность электродвигателя:

где I_эк – показатель эквивалентного тока,

U_ном – номинальное напряжение,

cosϕ_ном – номинальный коэффициент мощности, повышающийся с увеличением мощности и номинальной угловой скорости вращения ротора, а также зависящий от нагрузки. Для большинства электродвигателей составляет 0,8-0,9.

Метод эквивалентного момента

Электродвигатели любого типа имеют пропорциональный произведению тока и величине магнитного потока вращающий момент. Метод эквивалентного момента для расчета номинальной мощности используется в тех случаях, когда условия применяемой нагрузки определяют непосредственно требуемый от двигателя момент, а не ток. Для синхронных и асинхронных машин переменного тока коэффициент мощности cosϕ приближенно принимается за постоянную величину:

где М_вр – значение вращающего момента,

ω_ном – номинальная угловая скорость двигателя.

Определение номинальной мощности опытным путем

Указанная в паспорте или щитке устройства номинальная мощность будет равна этому значению только при оптимальной нагрузке на вал, определяемой заводом-изготовителем для номинального режима. На что ориентироваться, если по каким-то причинам не сохранился паспорт или стерлись надписи на табличке?

Помогут практические измерения и счетчик электроэнергии:

Необходимо полностью отключить все прочие источники потребления электроэнергии: освещение, электроприборы и т.д.

В случае использования электронного счетчика следует подключить двигатель под нагрузкой на 5-6 минут, на электронном дисплее отобразиться величина нагрузки в кВт.

Дисковый счетчик проводит измерения в кВт∙час. Следует записать последние показания и включить двигатель на 10 минут с точностью до секунды. После остановки электромашины отнять из полученного значения записанные показания и умножить на 6. Полученное число и будет являться активной механической мощностью двигателя.

1. Для маломощных двигателей можно подсчитать количество оборотов диска счетчика, для каждого из которых указана, чему равна величина полных оборотов в единицах мощности. Несложные расчеты помогут определить искомую величину мощности.

При использовании этого метода важно правильно подобрать нагрузку, поскольку при ее недостаточности или перегрузке определяемый показатель будет далек от номинальной мощности электродвигателя.

Как измерить пусковой ток

Сегодня на рынке представлено большое количество клещей (мультиметров), которые обеспечивают измерение пускового тока. Также вы можете использовать токовые клещи Fluke 376 FC True-RMS для измерения пускового тока. Иногда пусковой ток показывает значение, которое выше номинального значения автоматического выключателя, но, тем не менее, автоматический выключатель не отключается. Причина этого заключается в том, что автоматический выключатель работает по кривой зависимости тока от времени, например, если бы вы использовали автоматический выключатель на 10 А, поэтому пусковой ток, превышающий 10 А, должен протекать через автоматический выключатель больше, чем номинальное время.

Выполните следующие шаги для измерения пускового тока:

• Тестируемое устройство должно быть отключено изначально.
• Поверните циферблат и установите переключатель на Hz-A.
• Поместите провод под напряжением в клещи или используйте датчик, соединенный с измерителем.
• Нажмите кнопку измерения пускового тока, как показано на рисунке выше.
• Включив испытуемое устройство, вы получите значение пускового тока на дисплее прибора.