Пусковой ток

Тепловое действие пускового тока

Если перейти к формулам, пусковой ток оказывает тепловое действие на электродвигатель, которое описывается так называемым интегралом Джоуля. Если по простому, то тепловая энергия, производимая электрическим током, пропорциональна квадрату тока, умноженному на время. Обозначается эта величина через I2t.

Хорошая новость в том, что защитный автомат имеет примерно такую же тепловую (время-токовую) характеристику, что и время-токовая характеристика разгона двигателя.

Сравните:

Время-токовые характеристики защитного автомата

Что видим? Для защиты двигателя используются в основном автоматы с характеристикой D, как раз для того, чтобы меньше реагировать на кратковременные перегрузки. Подробнее здесь.

А для пускового тока двигателя график будет примерно такой:

График пускового тока (теоретический) при Кп = 6

Линейность графика – условная. Всё зависит от изменения момента нагрузки в процессе разгона. Теоретический график показан пунктиром. На этом графике Кп = Iп / Iн = 6, но это теоретическое (табличное) значение. Время разгона до номинала = tп.

Реальный график начерчен сплошной линией. На нём Iп` – это реальное значение пускового тока, которое всегда меньше теоретического. Это обусловлено тем, что питающая сеть имеет не нулевое сопротивление, и при повышении тока на проводах возникают потери напряжения.

Понятно, что из-за потерь время разгона будет больше, оно обозначено на графике через tп`.

Теперь повернём последний график, чтобы привести оси к одной системе координат:

Время от тока, если можно так выразиться

Не правда ли, весьма похоже на время-токовую характеристику защитного мотор-автомата?

Получается, что обе характеристики компенсируют друг друга, и при выборе автомата достаточно настроить его уставку на номинальный ток двигателя. При особо тяжелых пусках, когда площадь под кривой пуска двигателя больше площади под кривой защитного автомата, стоит подумать о плавном пуске – УПП либо ПЧ.

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).

Расчет коэффициента мощности электродвигателя

Онлайн расчет коэффициента мощности (cosφ) электродвигателя

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

cosφ=P/√3UIη

• P — Номинальная мощность электродвигателя (берется из паспортных данных электродвигателялибо определяется рассчетным путем);
• U — Номинальное напряжение (напряжение на которое подключается электродвигатель);
• I — Номинальный ток электродвигателя (берется из паспортных данных электродвигателя, а при их отсутствии определяется 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);

Какой вред от пускового тока?

Пусковой ток – это проблема. Это –

• перегрузка питающей сети, приводящая к нагреву (вплоть до отгорания контактов) и проседанию напряжения;
• чрезмерный износ, перегрузка и перегрев двигателя, у некоторых производителей среди параметров двигателя указывается максимальное количество пусков в час или в сутки – именно из-за перегрева;
• износ и перегрузка механического привода (подшипники, редукторы, ремни), особенно обладающего большим моментом инерции,
• помехи, вызванные включением контакторов, которые передаются не только по проводам, но и через электромагнитное поле,
• проблемы с технологией – многие процессы нельзя начинать резко.

От пускового тока перегружается всё, и момент пуска становится в тягость вcем участникам процесса. Именно в этот критический момент может проявиться “слабое звено”. Кроме того, многие участники электропитания, работающие в этой сети, испытывают проблемы – например, лампочки снижают яркость из-за снижения напряжения, а контроллеры могут зависнуть из-за мощной помехи.

И в то же время пусковой ток – это проблема, от которой никуда не деться, если сразу подавать на двигатель номинальное питание и не использовать специальные методы.

Поэтому разберём,

Дополнительный функционал стабилизаторов напряжения

Для начала, резюмируем основные функции, выполняемые стабилизаторами:

• в пределах допустимого диапазона контролируют уровень напряжения, подаваемого рабочему устройству;
• при превышении или понижении уровня входного напряжения производят отключение питания нагрузки и, следовательно, предотвращают поломку прибора;
• защищают от воздействия чрезмерного уровня мощности и возможного короткого замыкания.

Теперь перейдем к дополнительным возможностям, предоставляемым стабилизаторами напряжения. Их можно условно объединить в следующие группы:

Возможность индивидуальной настройки стабилизатора

• установка номинального напряжения на выходе более или менее 220В;
• индивидуальная настройка порогов защиты – как от повышенного, так и пониженного напряжения на выходе.

Удобство для пользователя

• устройства индикации работы (ЖК-дисплей, цифровой индикатор показателей);
• звуковая подача отдельной информации;
• возможность отслеживания работы стабилизатора с ПК;
• удаленная система наблюдения за работой стабилизатора и сигнализация.

Повышенная защищенность стабилизатора

• контроль температуры силовых узлов;
• функции самодиагностики.

Если после ознакомления с материалами статьи у вас остались вопросы, вы не смоги произвести какие-либо расчеты или получить необходимую информацию (из инструкции, паспорта или от производителя), рекомендуем вам связаться с нашим специалистом, который разъяснит все сопутствующие тонкости выбора стабилизатора.

Таблица 1.

Номинальная потребляемая мощность бытовых приборов и инструмента.

Таблица 2.

Пусковые токи потребителей электроэнергии.

Материал в таблице подготовлен на основе показателей, характерных для нагрузочных характеристик «средних» потребителей. Для получения более точной информации в каждом конкретном случае стоит обращаться к информации, представленной в паспорте, либо запрашивать информацию у производителя. Значения нагрузочных характеристик оборудования различных моделей могут существенно отличаться от «средних» данных.

Исходя из вышеизложенного был создан калькулятор рассчета мощности потребляемой электроэнергии. Он учитывает полную мощность потребителей (усредненное значение для каждого типа приборов, которое вы сможете указать точно) и корректирующий коэффициент связаный с падением входного напряжения электросети поставщика. Разница будет существенной при значительном падении входного напряжения (ниже 170В)

Сравниваем характеристики пускового тока автомобильных аккумуляторов

Знаете ли вы, отчего зависит запуск двигателя в лютый мороз? Вопреки распространенному мнению, уверенный старт обеспечивает не емкость АКБ, которая влияет лишь на количество попыток завода. А важнейшей характеристикой, отвечающей именно за мощность прокрутки, является пусковой ток.

Что это такое? В соответствии с официальным определением, под данным термином принято понимать максимальный ток, отдаваемый аккумуляторной батареей в течение нескольких секунд для запуска двигателя. Под заданным временем подразумевается интервал от 3 до 30 секунд, который варьируется в зависимости от методики испытаний батарей, принятой в том или ином регионе.

Отметим, что пусковой ток – это относительная величина. Это обусловлено тем, что в новом и старом аккумуляторе данный параметр будет сильно отличаться по причине снижения емкости. Поэтому, выбирая батарею для своего авто, покупайте аккумулятор со значительным запасом пускового тока – так, чтобы даже через 3-5 лет не испытывать проблем с пуском мотора даже в самую лютую зиму.

Каким образом подобрать оптимальный стартерный ток? Приведем пример: предположим, для прокрутки стартера автомобиля необходимо 250 ампер. Это значит, что покупать нужно такой аккумулятор, который на выходе даст не менее 350 ампер. В противном случае преждевременная замена АКБ будет практически неизбежной.

Обратите внимание на то, что пусковым током называется параметр, подразумевающий краткосрочную подачу тока на стартер, которая не должна превышать полуминуты. Если пытаться завести двигатель дольше 30 секунд, можно столкнуться с перегревом АКБ и выходом ее из строя

От теории к практике

Если вы посмотрите на крышку автомобильного аккумулятора, то увидите маркировку, в которой помимо прочих параметров, указывается и ток холодной прокрутки. Для примера возьмем батарею со следующей надписью «250 А (DIN)». Это значит, что данный аккумулятор дает 250 ампер тока при температуре окружающей среды 18 градусов Цельсия и кратковременной разрядке в соответствии со стандартами DIN, принятыми в Германии. Другими словами, на первой секунде напряжение составляет 12 вольт, через полминуты – 9 вольт, а по прошествии двух минут и тридцати секунд — 6 вольт. Измерения по данной технологии проводятся, исходя из требований Германского промышленного стандарта или так называемого DIN 43539. Также они соответствуют нормативам отечественного ГОСТ 959-91.

Отметим, что в Соединенных Штатах Америки стандарты DIN и ГОСТ не применяются. Здесь действуют нормы SAE, принятые Обществом Автомобильных Инженеров. Они максимально приближены к стандартам (ЕС ЕN 60095-1) и новым нормативам, действующим сегодня в России (ГОСТ 959-2002). Разумеется, из-за этого возникает определенная путаница. То есть, покупая аккумулятор, изготовленный в США, мы должны соотнести параметры с европейскими нормами. Именно для этого создана таблица, размещенная ниже. Она поможет найти характеристик по токам холодной прокрутки, исходя из различных методик испытания.

Располагая предоставленной выше информацией, не составляет труда провести простой сравнительный анализ автомобильных аккумуляторов различных марок, исходя из пусковых параметров. Так, к примеру, если на аккумуляторе американского бренда обозначен ток 900 А (SAE), то этой батарее по своим характеристикам идентичны АКБ с токами 860 А (EN) или 505 А (DIN) – см. таблицу.

На аккумулятор надейся, а сам не плошай!

Не забывайте: чем сильнее ток холодной прокрутки, тем более уверенно батарея будет крутить маховик в холодное время хода. Но! Слишком большая сила тока негативно отражается на ресурсе щеточно-коллекторной части стартера. Если же при новом аккумуляторе запуск двигателя все равно затруднен, это может свидетельствовать о неисправностях системы зажигания, генератора, неправильном выборе моторного масла (по вязкости) и пр.

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) – 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.
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 –

Расчет мощности электродвигателя для насоса

Выбор электродвигателя для насосной установки зависит от конкретных условий, прежде всего – от схемы водоснабжения. В большинстве случаев подача воды производится с помощью водонапорного бака или водонапорного котла. Для приведения в действие всей системы используются центробежные насосы с асинхронными двигателями.

Выбор оптимальной мощности насоса осуществляется в зависимости от потребности в подаче и напоре жидкости. Подача насоса QH измеряется в литрах, подаваемых в 1 час, и обозначается как л/ч. Данный параметр определяется по следующей формуле: Qн = Qmaxч = (kч х kсут х Qср.сут) / (24 η), где Qmaxч — возможный максимальный часовой расход воды, л/ч, kч – коэффициент неравномерности часового расхода, kсут — коэффициент неравномерности суточного расхода (1,1 – 1,3), η — КПД насосной установки, с учетом потерь воды), Qср.сут — значение среднесуточного расхода воды (л/сут).

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) – 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.
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 –

Базовые понятия

Для начала рассмотрим несколько базовых понятий, чтобы лучше понимать, что такое пусковой ток автомобильного стартера, и не путать эту величину с другими характеристиками.

Автомобильный стартер является ничем иным, как электродвигателем постоянного тока. Это означает, что он выполняет свою работу (крутит коленвал двигателя), потребляя электрическую энергию, накопленную в аккумуляторной батарее. Эта энергия характеризуется несколькими величинами – напряжением, силой тока и мощностью.

Напряжение, при котором работает нагруженный стартер легкового автомобиля, находится в диапазоне примерно 11-13 В. Что значит нагруженный? Если стартер снять с двигателя и подключить к источнику тока без какой-либо нагрузки, то он будет работать и при гораздо меньшем напряжении. Однако будучи установленным на автомобиле, при напряжении менее 11 В он, как правило, не работает. Это хорошо знакомо тем автолюбителям, у которых была изношенная или полностью разряженная АКБ.

Сила тока, который потребляется нагруженным стартером легкового автомобиля, варьируется в диапазоне 100-500 А. Здесь, как и в случае с напряжением, большую роль играет нагрузка. Если стартер подключить к источнику питания отдельно от двигателя, то тока он потреблять будет гораздо меньше. Из этого следует, что чем большая нагрузка на стартер, тем больше тока он будет потреблять.

Мощностью стартера называется величина, которая зависит от напряжения, при котором он работает, и силы тока, который им потребляется в конкретный момент времени. Так, например, если стартер вашего автомобиля при напряжении 12 В потребляет ток силой 150 А, то его мощность в данный момент составляет 12 × 150 = 1800 Вт.

Из этого всего можно вывести следующее, важное для автомобилистов, понятие. Что происходит, когда АКБ изношена или слабо заряжена? А происходит то, что при работе стартера напряжение на ней просаживается, например, до 10,5 В

Это означает, что, если стартер потребляет все те же 150 А, то его мощность при таких условиях уже не 1,8 кВт, а всего лишь 1,5 кВт. Соответственно, он крутит коленвал вяло, либо ему вообще не хватает мощности, чтобы сдвинуть его с места.

Кроме того, чем большая просадка напряжения происходит на клеммах АКБ, тем меньший пусковой ток она способна выдавать. Отсюда следует, что на наш стартер идет уже не 150 А, а вдвое-втрое меньше. Это приводит к резкому уменьшению мощности, которой оказывается недостаточно, чтобы провернуть коленчатый вал двигателя.

Для некоторых автолюбителей будет интересной еще одна характеристика стартера. Она показывает количество энергии, которое он израсходовал, пока запускал двигатель. Измерить ее можно в А*ч (ампер-часах), а как мы помним, именно в этих единицах указывается емкость АКБ. Это означает, что по пусковому току и времени работы стартера мы можем узнать, на сколько сильно он разрядил нашу батарею.

Рассмотрим все тот же стартер. Допустим, во время всей своей работы он, потребляя ток силой 150 А, запустил двигатель с первой попытки, вращая его в течение 5 секунд. Теперь секунды надо перевести в часы, так как нас интересуют именно ампер-часы. 5 секунд – это примерно 0,0014 часов. Соответственно, наш стартер «взял» из батареи 150 × 0,0014 А*ч, то есть примерно 0,21 А*ч. И это при емкости в 50-60 А*ч.

Но здесь следует понимать, что мы рассмотрели упрощенные условия. Так, при больших токах потребления АКБ садится немного больше, чем это можно рассчитать на бумаге. Кроме того, не всегда двигатель запускается с первого раза, и так далее

Из всего этого важно усвоить следующее. Если стартер не смог прокрутиться из-за ослабленной АКБ, то ему, скорее всего, хвалило не А*ч, как думают многие

Ему не хватило пускового тока, так как разряженная или испорченная батарея не в состоянии выдавать такие большие токи.