Холостой ход электродвигателя

Расчет коэффициента мощности электродвигателя

Онлайн расчет коэффициента мощности (cosφ) электродвигателя

Расчет коэффициента мощности трехфазного электродвигателя

Расчет cosφ (косинуса фи) двигателя производится по следующей формуле:

cosφ=P/√3UIη

где:

• P — Номинальная мощность электродвигателя (берется из паспортных данных электродвигателя либо определяется рассчетным путем);
• U — Номинальное напряжение (напряжение на которое подключается электродвигатель);
• I — Номинальный ток электродвигателя (берется из паспортных данных электродвигателя, а при их отсутствииопределяется расчетным путем);
• η — Коэффициент полезного действия — отношение электрической мощности потребляемой электродвигателем из сети к механической мощности на валу двигателя (принимается от 0,7 до 0,85 в зависимости от мощности электродвигателя);

Пример возможности пуска электродвигателя 380 В

Требуется проверить возможность пуска электродвигателя типа 4А250М2 У3 мощностью 90 кВт. От шин 6 кВ подстанции 2РП-1 питается подстанция с трансформаторами типа ТМ мощностью 320 кВА. От подстанции 2РП-1 до трансформаторов ТМ-6/0,4 кВ с установленным ответвлением 0%, проложен кабель марки ААБ сечением 3х70 мм2, длина линии составляет 850 м. К шинам РУ-0,4 кВ присоединен кабелем марки ААБ сечением 3х95 мм2, длиной 80 м двигатель типа 4А250М2 У3.

Рис. 1 — Однолинейная схема 0,4 кВ

В момент пуска двигателя 4А250М2 У3 работает подключенный к шинам двигатель 4А250S2 У3 мощностью 75 кВт с напряжением на зажимах 365 В. Напряжение на шинах 0,4 кВ при пуске двигателя равно Uш = 380 В.

• Ммакс/Мн – кратность максимального момента;
• Мп/Мн – кратность пускового момента;
• Мн – номинальный момент двигателя;

1. Определяем длительно допустимый ток двигателя Д1:

2. Определяем пусковой ток двигателя Д1:

где: Kпуск = 7,5 – кратность пускового тока, согласно паспорта на двигатель;

3. Определяем величину активного и индуктивного сопротивления для алюминиевого кабеля марки ААБ сечением 3х70 мм2 на напряжение 6 кВ от шин подстанции 2РП-1 до трансформатора типа ТМ 320 кВА, значения сопротивлений берем из таблицы 2.5 .

Получаем значения сопротивлений Rв = 0,447 Ом/км и Хв = 0,08 Ом/км.

Эти сопротивления необходимо привести к стороне низшего напряжения трансформатора, так как двигатель подключен к сети низшего напряжения. Из таблицы 8 для номинального коэффициента трансформации 6/0,4 кВ и ответвления 0% находим значение n=15.

4. Определяем активное и индуктивное сопротивление кабеля по отношению к сети низшего напряжения по формуле :

• Rв и Хв – сопротивления сети со стороны высшего напряжения;
• n = 6/0,4 =15 – коэффициент трансформации понижающего трансформатора.

5. Определяем сопротивление кабеля длиной 850 м от подстанции 2РП-1 до трансформатора 6/0,4 кВ:

Rс = Rн*L = 0,002*0,85 = 0,0017 Ом;

Хс = Хн*L = 0,000355*0,85 = 0,0003 Ом;

6. Определяем сопротивление трансформатора мощностью 320 кВА, 6/0,4 кВ по таблице 7 .

Rт = 9,7*10 -3 = 0,0097 Ом;

Хт = 25,8*10 -3 = 0,0258 Ом;

7. Определяем сопротивления линии от шин подстанции 2РП-1 до шин низшего напряжения подстанции:

Rш = Rс + Rт = 0,0017 + 0,0097 = 0,0114 Ом;

Хш = Хс + Хт = 0,0003 + 0,0258 = 0,0261 Ом;

8. Определяем сопротивление кабеля длиной 80 м марки ААБ 3х95 мм2 от шин низшего напряжения до зажимов двигателя:

где: R = 0,329 Ом/км и Х = 0,06 Ом/км -значения активных и реактивных сопротивлений кабеля определяем по таблице 2-5 .

9. Определяем суммарное сопротивление линии от подстанции 2РП-1 до зажимов двигателя:

Rд = Rш + R1 = 0,0114 + 0,026 = 0,0374 Ом;

Ограничитель — холостой ход

Радиально-сверлильный станок с поворотной головкой 2Ш55.

Ограничитель холостого хода отключает электродвигатель привода главного движения через 2 мин после включения фрикционной муфты.
 

Ограничитель холостого хода отключает электродвигатель привода главного движения через 2 мин после выключения фрикционной муфты.
 

Ограничители холостого хода служат, как известно, для отключения электродвигателей на Межоперационные периоды ( на так называемое вспомогательное время) станков и машин.
 

Кинематическая схема станка для наложения витковой микалентной изоляции.

Ограничитель холостого хода 5 устанавливается соответственно диаметру круговой заготовки минус 10 — 15 мм.
 

При установке ограничителей холостого хода следует учитывать число технологических циклов в I ч с допустимым числом включений, гарантируемым заводом-изготовителем для применяемого типа пусковой аппаратуры. Повторные быстрые включения двигателя не допускаются. Кроме того, частые броски тока при пусках могут свести на нет получаемую экономию от сокращения холостых ходов.
 

Некоторые предприятия изготовляют ограничители холостого хода собственными силами, при этом схемы и конструкции их должны быть согласованы с Госэлектронадзором СССР, ибо уже имели место случаи, когда работа с кустарно изготовленными ограничителями холостого хода сварочных трансформаторов создавала еще большую опасность, чем без них.
 

Следует отметить, что ограничитель холостого хода не является, с точки зрения электробезопасности, универсальным средством зашиты.
 

Зр — показатель эффективности ограничителя холостого хода, численно равный величине № р, отнесенной к единице номинальной мощности двигателя и к единице вспомогательного времени.
 

Руководящие указания по применению ограничителей холостого хода станков.
 

Требования, предъявляемые к конструкции ограничителя холостого хода.
 

Машинные генераторы должны быть снабжены ограничителями холостого хода, отключающими возбуждение генератора во время длительных пауз между рабочими циклами, когда остановка генератора нецелесообразна.
 

Нужно иметь в виду, что ограничители холостых ходов способствуют экономии электроэнергии и повышению средневзвешенного коэфициента мощности короткозамкнутых асинхронных двигателей. В масштабе предприятия в целом экономический эффект, достигаемый применением таких ограничителей хода, достаточно велик для того, чтобы не пренебрегать ими при проектировании новых станков и модернизации имеющихся.
 

Возникающие проблемы

У каждого вида авто свои требования и методы определения, сколько должно быть оборотов на холостом ходу. Принцип работы двигателя основан на сбалансированном движении вращающихся узлов. Значения 600-1000 являются в каком-то смысле оптимальными для всех типов моторов. Однако производители могут менять этот параметр в зависимости от типа потребляемого топлива, принципа действия всех систем в целом.

Качество воздуха, попадающего в двигатель, непосредственно влияет на его работу. Смена фильтрующего элемента является мерой профилактики для нормализации оборотов холостого хода. Не лишней будет и проверка состояния фильтра топливной системы.

Владельцам подержанных авто следует учитывать степень загрязнения систем при использовании некачественного бензина в прошлом и переходе на топливо с присадками. Последние моментально растворяют грязь на стенках, баке, и она устремляется напрямую в область поршней, систему впрыска. Это может стать причиной нестабильной работы мотора, потребуется внеплановая чистка этих узлов.

Различия дизельного и карбюраторного двигателей

Нагрузочные характеристики дизеля отличаются от карбюраторного из-за особенных способов сгорания, образования смеси и контролирования мощности. В дизельном моторе топливная воздушная масса образовывается за тысячные доли секунды. В таком случае средним показателем для заполненного объёма воздуха и горючего считается коэффициент лишнего газа. Когда топливо впрыскивается, то неоднородно распространяется в камере сгорания, образуя места различной консистенции газа и горючего. Именно от этого в дизельном моторе консистенция значительно беднее. Регулировка мощности возможна непосредственно до холостых ходов.

Мощность двигателя можно изменить, если меняются составляющие консистенции. Это делается при помощи снижения или повышения горючего, которое впрыскивается за конкретный отрезок времени при одинаковой подаче воздуха. Практически это делают при передвижении рейки топливного шланга.

Коэффициент наполнения не меняется, при возрастании мощности он минимизируется из-за повышения температуры. Показатель лишнего воздуха зависит от расхода топлива.

Высокая мощность у двигателей обнаруживается при пиковом показании значения, определяющего качество всего процесса работы. Отклонение в худшую сторону характеризуется задымлением выхлопных газов, накапливается нагар, снижается экономия, температура мотора возрастает в несколько раз. Отсюда видно, что эксплуатация дизеля в пределах максимальной мощности нецелесообразна.

Как уменьшить пусковой ток асинхронного двигателя

Решить проблему большого пускового тока электрически можно двумя путями:

1. Вначале подавать на двигатель пониженное напряжение, а затем, по мере разгона, напряжение и скорость вращения поднять до номинального значения. Такой способ применяется в электронных устройствах запуска двигателей – софтстартерах (УПП) и преобразователях частоты (частотниках).
2. Использовать ограничители пускового тока, когда при пуске двигатель питается через мощные резисторы, а потом по таймеру переключается на номинал. Сопротивление резисторов соизмеримо с сопротивлением обмотки стартера (единицы Ом, в зависимости от мощности). Это устройство легко сделать самому (контактор + реле времени).
3. Сразу подавать полное напряжение, но сначала подключать обмотки так хитро, чтобы двигатель не раскручивался на полную мощность. И только когда в этом режиме двигатель раскрутится насколько это возможно, включать его на полную. Эта схема называется “Звезда – Треугольник”, читайте в следующей статье.

Можно сконструировать какую-то муфту, коробку передач, вариатор – для того чтобы раскрутить двигатель вхолостую, а потом подключить потребителя механического момента.

В современном оборудовании двигатели мощнее 2,2 кВт практически никогда напрямую не включают, поэтому для них пусковые токи рояли не играют. Для уменьшения пускового тока (и не только) в основном применяют преобразователи частоты, о которых будут отдельные статьи.

От чего зависят обороты холостого хода?

Обороты холостого хода можно отрегулировать самостоятельно или с привлечением специалиста. Для этой цели в автомобиле имеется несколько специальных агрегатов и узлов. К ним относится:

• топливная система;
• разного рода датчики;
• дроссельная заслонка;
• клапан холостого хода;
• педаль акселератора.

В состав топливной системы входит инжектор или карбюратор. Это агрегаты, в которых топливная жидкость смешивается с воздухом, образуя горючую смесь. В систему включен, и топливный насос с регулятором давления смеси. Работа системы питания двигателя топливом контролируется многочисленными датчиками.

На количество оборотов большое влияние оказывает и положение дроссельной заслонки. Она регулирует подачу в двигатель воздуха. Увеличить или уменьшить обороты можно нажатием на педаль акселератора.

Двигатель автомобиля может работать не очень стабильно на холостых оборотах по нескольким причинам:

• загрязнение некоторых узлов;
• неполадки в системе зажигания.

Загрязнение может осуществляться отработанным маслом, примесями, которые проходят сквозь фильтры, сажей и водой. В системе зажигания могут быть окислившиеся или плохо затянутые провода.

Виды регуляторов холостого хода

По своей сути, регулятор холостого хода, это клапан который открывает или закрывает подачу воздуха в систему, по так называемому, «байпасному каналу». Название происходит от английского bypass – идти в обход. В данном случае, воздух подается в обход дроссельной заслонки. Собственно разновидности РХХ, это различные способы открывания и закрывания такого клапана. Сам клапан представляет собой конусообразную иголку, которая входит в отверстие, перекрывая его, или же напротив выходит из отверстия, соответственно открывая доступ воздуху.

Как выглядит РХХ на Chevrolet Lanos

В современных автомобилях в основном применяются три типа регуляторов холостого хода:

• соленоидный;
• шаговый;
• роторный;

Соленоидные РХХ, имеют достаточно простое устройство и принцип работы. Когда на соленоид подается рабочее напряжение, его сердечник втягивается, тем самым, открывая канал подачи воздуха. При отключении соленоида сердечник возвращается на место, перекрывая bypass канал. Но такие устройства имеют лишь два положения – открыто и закрыто. А потому, для тонкой регулировки подачи воздуха в них используется изменение частоты подачи управляющих импульсов. Сердечник с высокой скоростью двигается вперед и назад, тем самым обеспечивая нужное количество воздуха.

В роторных РХХ для открывания и закрывания клапана применяется   ротор. Для тонкой регулировки подачи воздуха, здесь так же используют частотно-импульсный тип управления. Просто, вместо соленоида клапан приводит в движение, вращающийся ротор.

Ну а шаговый регулятор холостого хода в своей конструкции имеет кольцевой магнит и четыре обмотки. Вот на эти-то обмотки поочередно и подается напряжение, благодаря чему, вращается управляющий ротор. Собственно, шаговый электродвигатель известен давно и широко применяется в различной технике.

Косинус фи

Как уже было сказано выше, значение косинуса фи в электротехнике – это величина, характеризующая степень линейности нагрузки. Для нее тоже существует формула:

Что касается величины «cosφ», то ее увеличение преследует несколько целей.

• Основная цель – экономия потребления электрического тока.
• Соответственно экономия цветных металлов, которые используются в обмотках электромотора.
• Максимальное использование полезной мощности агрегата.

Хотелось бы отметить вот какой момент – производственные электрические сети всегда находятся в недогруженном состоянии. Почему? Все дело в том, что не все электродвигатели постоянно работают под нагрузкой. Любой асинхронный двигатель на холостом ходе имеет косинус фи, равный приблизительно значению 0,2. При нагрузке косинус фи увеличивается до 0,85. Почему так происходит? Все опять упирается в активную и реактивную мощности. Первая при холостом ходе мотора приблизительно составляет 30%, вторая 15%. Как только нагрузка на электрический двигатель увеличивается, тут же поднимается активная составляющая, а реактивная снижается практически до нуля. Поэтому основное требование увеличения « cos φ» – это работа предприятия с полной нагрузкой.

Электрическая константа времени

Представляет собой время, необходимое для достижения уровня тока до 63 % после подачи напряжения на обмотки привода. Параметр обусловлен переходными процессами электромеханических характеристик, так как они быстротечны ввиду большого активного сопротивления. Общая формула расчета постоянной времени:

te = L ÷ R.

Однако электромеханическая константа времени tm всегда больше электромагнитной te. Первый параметр получается из уравнения динамических характеристики двигателя при сохранении условии, когда ротор разгоняется с нулевой скоростью до максимальных оборотов холостого хода. В этом случае уравнение принимает вид

M = Mст + J × (d(omega) ÷ dt), где

Mст = 0.

Отсюда получаем формулу:

M = J × (d(omega) ÷ dt).

По факту электромеханическую константу времени рассчитывают по пусковому момент — Mп. Механизм, работающий в идеальных условиях, с прямолинейными характеристиками будем иметь формулу:

M = Mп × (1 — omega ÷ omega0), где

omega0 — скорость на холостом ходу.

Такие расчеты используют в формуле мощности электродвигателя насоса, когда ход поршня напрямую зависит от оборотистости вала.

Как узнать пусковой ток?

Кратность пускового тока (отношение пускового тока к номинальному) найти в документации на двигатель бывает не так-то просто. Но его можно измерить (оценить, узнать) самому. Вот навскидку несколько способов:

1. Первый способ (лучший для теоретического изучения) – использовать осциллограф. Взять шунт (например, резистор 0,1…0,5 Ом, чем меньше по сравнению с обмотками, тем лучше), и посмотреть на нём осциллограмму в момент пуска. Далее из максимального амплитудного значения определяем действующее напряжение (поделить на корень из 2), далее по закону Ома считаем пусковой ток. Можно ничего не умножать и не делить – просто измерить клещами ток в рабочем режиме, и умножить его на разницу токов на экране осциллографа. Способ хорош тем, что видно переходные процессы, вызванные ЭДС самоиндукции, мгновенные значения тока, длительность разгона. Кроме того, учитываются параметры питающей сети. Ещё плюс – пусковой ток измеряется реальный, на реальном двигателе и механизме.
2. Второй способ измерения пускового тока – подать на двигатель пониженное (в 5-10 раз) напряжение рабочей частоты и измерить ток. Почему пониженное? Это необходимо для того, чтобы ротор можно было легко зафиксировать, не допуская перегрева. Измеренный ток пересчитать, получим пусковой. Достаточно измерить ток на одной фазе. По другим токи будут (обязаны быть) такими же. Этот способ используют при производстве и испытаниях двигателей. Именно этим способом производители получают табличные данные. Способ опирается на номинальный ток, в реальности (на реальном механизме) пусковой ток может быть другим!
3. Измерить пусковой ток токоизмерительными клещами. Плюс этого способа – простота и оперативность. Клещи используют в большинстве случаев для проверки режимов работы двигателей. Минус – такие клещи достаточно инерционны, а нам нужно увидеть, что происходит за доли секунды. Но этот минус нивелируется, когда мы измеряем ток при пуске нагрузки с высоким моментом инерции (вентиляторы, насосы с массивными крыльчатками). Пуск длится более 10 сек, и на экране клещей всё видно. Добавлю, что есть клещи с функцией Inrush, которые могут измерять пусковой ток от 0 до максимума в течение времени интегрирования порядка 100 мс.
4. Трансформатор тока. Такой используется, например, в узлах учета электроэнергии – благодаря трансформатору тока нет необходимости измерять реальной ток, а можно измерить ток, уменьшенный в точно известное количество раз. Так же измеряют ток в электронных пусковых устройствах (преобразователях частоты, софтстартерах). Минус способа – трансформатор тока рассчитан на частоту 50/60 Гц, а переходные процессы во время пуска имеют широкий спектр и много гармоник. Поэтому можно сказать, что такой способ тоже обладает высокой инерционностью.

Конечно, реальность отличается от эксперимента. Прежде всего тем, что ток короткого замыкания реальной сети питания не бесконечен. То есть, провода, питающие двигатель, имеют сопротивление, на котором в момент пуска падает напряжение (иногда – до 50%). Из-за этого ограничения реальный пусковой ток будет меньше, а разгон – длительнее. Поэтому нужно понимать, что значение кратности пускового тока, указанное производителем, в реальности всегда будет меньше.

Для чего нужны двигатели – приводить в действие механизмы и получать прибыль!

Теперь разберём другой вопрос –

Как изменить обороты?

Внимательные автовладельцы всегда тщательно следят за автомобилем и его состоянием. Это дает существенную экономию на ремонте и расходе топлива, снижает риск поломок и аварий. Как снизить обороты двигателя на холостом ходу? Как уже отмечалось, это можно сделать самостоятельно или с привлечением специалиста. Для работы нужно приготовить:

• штатный набор инструментов;
• новые или б/у хомуты;
• прокладки новые.

Холодный мотор после его включения обычно некоторое время работает на повышенных оборотах. После прогрева они падают до нормы холостого хода, которая равняется 800-1000 об/мин. Точное их количество указано в каждом руководстве по эксплуатации автомобиля. Если же они не приходят в норму, нужно найти и устранить неисправность.

Если на автомобиле установлен двигатель карбюраторного типа, то неисправности могут быть такими:

• разрегулированный карбюратор;
• подсос воздуха в соединениях шлангов;
• неисправности проводки и клапана, регулирующего холостой ход;
• неправильная работа системы зажигания;
• грязный воздушный фильтр.

Регулировка делается довольно просто. На старой машине нужно:

• снять карбюратор и прочистить его;
• проверить работоспособность резиновых шлангов и прокладок;
• заменить изношенные хомуты.

Грязный карбюратор часто бывает причиной увеличения холостых оборотов. Поэтому его нужно тщательно промыть после чистки. Если нет собственного опыта в этом деле, лучше пригласить специалиста. Шланги можно проверить на работающем двигателе путем их пережимания.

При проведении процедуры следует внимательно прислушиваться к работе двигателя. Изменение количества оборотов является указателем того, что вы нашли нужный шланг. Порванные прокладки и неплотные хомуты позволяют воздуху проникать в мотор. Обороты от этого увеличиваются.

В инжекторном двигателе невозможно механическим способом отрегулировать количество оборотов. Они зависят от прошивки бортового компьютера. Для их изменения нужно перепрошивать систему управления холостым ходом. Сделать это может только специалист. Но не следует слишком занижать обороты, так как это приведет к преждевременному износу генератора.

Перед началом эксплуатации нужно проверить правильность выставления зазоров в газораспределительном механизме, чистоту воздушного фильтра, исправность свечей, работу заслонки обогащения рабочей смеси. Далее готовится отвертка с прибором регулировки холостых оборотов. Использовать ее нужно только в том случае, если остальные принятые меры не привели к ожидаемому результату.

Работа выполняется в несколько этапов:

• Выключается зажигание, концы проводов прибора подсоединяются в соответствии с технологической картой, приложенной к нему. После этого двигатель запускается и винтом регулировки количества смеси устанавливается частота вращения по прибору 800 об/мин.
• Следующая операция связана с винтом качества. Его регулировкой добиваются содержания СО₂ в выхлопных газах не более 3%.
• Опытные автомобилисты регулируют холостые обороты по слуху. Они поочередно вращают винты количества и качества, добиваясь ровного рокота двигателя на всех режимах его работы.

На двигателях, оснащенных инжектором, иногда приходится регулировать холостые обороты заменой датчика холостого хода. Поменять его довольно просто, имея в руках фигурную отвертку. Последовательность операций:

• в ближайшем магазине по продаже автозапчастей нужно приобрести новый датчик;
• открыть капот и отсоединить минусовую клемму аккумулятора;
• найти старый датчик и отсоединить от него колодку с проводами;
• отверткой открутить крепежные винты (2 шт.) и демонтировать устройство;
• заменить уплотнительное кольцо и поставить новый датчик на место;
• завернуть винты крепления и подключить колодку с проводами.

Новый датчик должен сразу же после запуска двигателя начать свою работу по регулированию оборотов холостого хода. Внутри этого приборчика находится электродвигатель и игла, регулирующая поступление воздуха в двигатель. От количества воздуха зависит показатель оборотов двигателя. При необходимости можно начинать движение даже на холодном моторе.

Можно ли снять нагрузку?

Следует дать движку прогреться достаточным образом, в это же время перемещается планка, которая регулирует впрыск горючего и контролирует тормоз, показания мотора выводятся на максимальные значения оборотов коленвала при выбранном режиме скорости. Итоговый режим соответствует предельной мощности при конкретных оборотах. Через небольшой отрезок времени после регулировки оборотов стоит измерить следующее:

• отработанные газы, масло, показания температуры воды;
• силу тормоза и момента вращения;
• показания оборотов коленвала;
• время затрат выбранной дозы горючего.

После всего проделанного с помощью регулирования тормоза оставляют выбранную частоту оборотов, уменьшают впрыск горючего с помощью планки топливного шланга, переходят к дальнейшему этапу и делают необходимые измерения. За счёт последовательного снижения подачи горючего и при определённом количестве оборотов образуется некоторое количество точек нагрузки. Рассчитывают оптимальную нагрузочную характеристику.

Если статья оказалась полезной, напишите нам об этом.