Как рассчитать потребляемую мощность двигателя

В этой статье мы разберем, что такое мощность трехфазного асинхронного двигателя и как ее рассчитать.

Понятие мощности электродвигателя

Мощность – пожалуй, самый важный параметр при выборе электродвигателя. Традиционно она указывается в киловаттах (кВт), у импортных моделей – в киловаттах и лошадиных силах (л.с., HP, Horse Power). Для справки: 1 л.с. приблизительно равна 0,75 кВт.

На шильдике двигателя указана номинальная полезная (отдаваемая механическая) мощность. Это та мощность, которую двигатель может отдавать механической нагрузке с заявленными параметрами без перегрева. В формулах номинальная механическая мощность обозначается через Р₂.

Электрическая (потребляемая) мощность двигателя Р₁ всегда больше отдаваемой Р₂, поскольку в любом устройстве преобразования энергии существуют потери. Основные потери в электродвигателе – механические, обусловленные трением. Как известно из курса физики, потери в любом устройстве определяются через КПД (ƞ), который всегда менее 100%. В данном случае справедлива формула:

Р₂ = Р₁ · ƞ

КПД в двигателях зависит от номинальной мощности – у маломощных моделей он может быть менее 0,75, у мощных превышает 0,95. Приведенная формула справедлива для активной потребляемой мощности. Но, поскольку электродвигатель является активно-реактивной нагрузкой, для расчета полной потребляемой мощности S (с учетом реактивной составляющей) нужно учитывать реактивные потери. Реактивная составляющая выражается через коэффициент мощности (cosϕ). С её учетом формула номинальной мощности двигателя выглядит так:

Р₂ = Р₁ · ƞ = S · ƞ · cosϕ

Мощность и нагрев двигателя

Номинальная мощность обычно указывается для температуры окружающей среды 40°С и ограничена предельной температурой нагрева. Поскольку самым слабым местом в двигателе с точки зрения перегрева является изоляция, мощность ограничивается классом изоляции обмотки статора. Например, для наиболее распространенного класса изоляции F допустимый нагрев составляет 155°С при температуре окружающей среды 40°С.

В документации на электродвигатели приводятся данные, из которых видно, что номинальная мощность двигателя падает при повышении температуры окружающей среды. С другой стороны, при должном охлаждении двигатели могут длительное время работать на мощности выше номинала.

Мы рассмотрели потребляемую и отдаваемую мощности, но следует сказать, что реальная рабочая потребляемая мощность P (мощность на валу двигателя в данный момент) всегда должна быть меньше номинальной:

Р 2 1

Это необходимо для предотвращения перегрева двигателя и наличия запаса по перегрузке. Кратковременные перегрузки допустимы, но они ограничены прежде всего нагревом двигателя. Защиту двигателя по перегрузке также желательно устанавливать не по номинальному току (который прямо пропорционален мощности), а исходя из реального рабочего тока.

Современные производители в основном выпускают двигатели из ряда номиналов: 1,5, 2,2, 5,5, 7,5, 11, 15, 18,5, 22 кВт и т. д.

Расчет мощности двигателя на основе измерений

На практике мощность двигателя можно рассчитать, прежде всего, исходя из рабочего тока. Ток измеряется токовыми клещами в максимальном рабочем режиме, когда рабочая мощность приближается к номинальной. При этом температура корпуса двигателя может превышать 100 °С, в зависимости от класса нагревостойкости изоляции.

Измеренный ток подставляем в формулу для расчета реальной механической мощности на валу:

Р = 1,73 · U · I · cosϕ · ƞ, где

• U – напряжение питания (380 или 220 В, в зависимости от схемы подключения – «звезда» или «треугольник»),
• I – измеренный ток,
• cosϕ и ƞ – коэффициент мощности и КПД, значения которых можно принять равными 0,8 для маломощных двигателей (менее 5,5 кВт) или 0,9 для двигателей мощностью более 15 кВт.

Если нужно найти номинальную мощность двигателя, то полученный результат округляем в бОльшую сторону до ближайшего значения из ряда номиналов.

Р₂ > Р

Если необходимо рассчитать потребляемую активную мощность, используем следующую формулу:

Р₁ = 1,73 · U · I · ƞ

Именно активную мощность измеряют счетчики электроэнергии. В промышленности для измерения реактивной (и полной мощности S) применяют дополнительное оборудование. При данном способе можно не использовать приведенную формулу, а поступить проще – если двигатель подключен в «звезду», измеренное значение тока умножаем на 2 и получаем приблизительную мощность в кВт.

Расчет мощности при помощи счетчика электроэнергии

Этот способ прост и не требует дополнительных инструментов и знаний. Достаточно подключить двигатель через счетчик (трехфазный узел учета) и узнать разницу показаний за строго определенное время. Например, при работе двигателя в течении часа разница показаний счетчика будет численно равна активной мощности двигателя (Р₁). Но чтобы получить номинальную мощность Р₂, нужно воспользоваться приведенной выше формулой.

Другие полезные материалы:
Степени защиты IP
Трехфазный двигатель в однофазной сети
Типичные неисправности электродвигателей

Расчет потерь и кпд двигателя постоянного тока параллельного возбуждения

Даны
значения параметров двигателя постоянного
тока параллельного возбуждения:
номинальная мощность двигателя Р_N=25
кВт, напряжение питания цепи якоря
U_N=440
В, напряжение питания цепи возбуждения
U_в=220
В, частота вращения якоря номинальном
режиме n_N=2200
об/мин, сопротивления цепи якоря Σr=0,3
Ом, и цепи возбуждения r_в=60
Ом, приведенные к рабочей температуре,
падение напряжения в щеточном контакте
при номинальном токе ΔU_щ=2
В, номинальное изменение напряжения
при сбросе нагрузки

Δ
n_N=8,0
%, ток якоря в режиме холостого хода
i₀=6,0
А. Требуется определить все виды потерь
и КПД двигателя.

Решение

1.
Частота вращения в режиме холостого
хода

n₀=
n_N[1+(
Δ n_N/100)]=
2200 (1+8/100)= 2376 об/мин.

2.
ЭДС якоря в режиме холостого хода

E_a0=
U_N–
i₀
Σr
= 440 – 6 ·0,3= 438,2 В

3.
Момент в режиме холостого хода

М₀=9,55
E_a0
i₀/
n₀=
9,55·438,2·6/2376 = 10,6 Нм.

4.
Момент на валу двигателя в режиме
номинальной нагрузки

М_2N=9,55
P_N/n_N=9,55·25·10³/2200=108,5
Нм.

5.
Электромагнитный момент двигателя при
номинальной нагрузке

М_N=
М₀+
М_2N=
10,6 + 108,5 = 119 Нм.

6.
Электромагнитная мощность двигателя
в режиме номинальной нагрузке

Р_эN=0,105
М_N
n_N=0,105·119·2200=
27490 Вт.

7.
ЭДС якоря в режиме холостого хода можно
представить как

E_a0=с_еФ
n₀,

откуда
с_еФ=
E_a0/
n₀=438,2/2376=0,185,

но
так как с_м
/
с_е=
9,55, то

с_м
Ф= 9,55 с_еФ=
9,55·0,185=1,77.

Из
выражения электромагнитного момента
в режиме номинальной нагрузки

М_N=
с_м
ФI_aN

Определим
значение тока якоря в режиме номинальной
нагрузки

I_aN=М_N/(с_м
Ф)=119/1,77= 67 А.

8.
Сумма магнитных и механических потерь
двигателя пропорциональна моменту
холостого хода

Р_маг
+ Р_мех=0,105
М₀
n₀=0,105
·10,6·2376= 2644 Вт.

9.
Электрические потери в цепи обмотки
якоря

Р_аэ=
I²_aN
Σr
=67²
·0,3=1347
Вт.

10.
Электрические потери в щеточном контакте
якоря

Р_щэ=
I_aN
ΔU_щ=67
·2= 134 Вт.

11.
Мощность подводимая к цепи обмотки
якоря, в номинальном режиме

Р_1аN=
U_N
I_aN=
440 ·67= 29480 Вт.

12.
Ток в обмотке возбуждения

I_в=U_в
/
r_в
=
220 / 60 =3,7 А.

13.
Мощность в цепи возбуждения

Р_в=U_вI_в=
220 · 3,7=814 Вт.

14.
Мощность, потребляемая двигателем в
режиме номинальной нагрузки

Р_1N=
Р_1аN+
Р_в=29480+
814 = 30295 Вт или 30,3 кВт.

15.
КПД двигателя в номинальном режиме

η_N=(
Р_N/
Р_1N)
100= (25/30,3)100=82,5 %.

ВОПРОСЫ
ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ

1. Какие
   потери в МПТ?

2. Что
   за коэффициенты с_м
   ,
   с_е
   ?

3. Чем
   отличается ДПТ параллельного
   возбуждения, от других возбуждений?

МИНИСТЕРСТВО
ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО
ОБРАЗОВАНИЯ

РЕСПУБЛИКИ
УЗБЕКИСТАН

ТАШКЕНТСКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
им. БЕРУНИ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ
ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА
«Электрические машины»

Методическое
руководство

к выполнению
курсового проекта

МЕТОДИЧЕСКИЕ
УКАЗАНИЯ

по предмету

«Система
автоматического проектирования

в
ЭМ и трансформаторах»

Для магистров
направления

5А310701-
Электромеханика

Ташкент
– 2017

Составитель:
Мустафакулова Г. Н.

В предлагаемом
руководстве подробно изложена методика
основные требования предъявляемые к
гидрогенераторам, выбор главных размеров,
выбор размеров паза статора и размеров
магнитопровода статора и ротора, расчет
магнитной цепи при холостом ходе,
индуктивные сопротивления обмотки;
расчет магнитной цени при нагрузке,
выбор размеров и основных параметров
обмотки возбуждения, параметры и
постоянные времени, массы активных и
конструктивных частей, нагрузка на
подпятник и подшипники, расчет потерь
и КПД, тепловой и вентиляционный расчеты,
описание конструкции, механический
расчет, расчет и построение характеристик
гидрогенератора.

Приведены
пример и необходимый материал для
проектирования гидрогенератора.

Кафедра
«Электрические машины»

Печатается
по решению учебно–методического совета
Энергетического факультета Ташкентского
Государственного Технического
Университета. (Протокол №1 от 24. 08.2017)

Председатель
совета к.т.н., доц. Абдуллаев
Б.А.

Рецензенты:

А.Т.
Имамназаров — к.т.н., доц. кафедры
«Электротехника, электромеханика и
электротехнологии» ТашГТУ.

Х.Т.
Бердиев — к.т.н., доц. кафедры «Электрического
транспорта и высокоскоросного состава
электрического движение» ТЖИИ

Тепловая эффективность — Энергетическое образование

Энергетическое образование

Меню навигации

ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ

ИНДЕКС

Поиск

Рисунок 1: Количество работы, произведенной для данного количества тепла, определяет тепловую эффективность системы. ^[1]

Тепловые двигатели превращают тепло в работу. Тепловой КПД выражает долю тепла, которая превращается в полезную работу. Тепловой КПД обозначается символом [math]\eta[/math] и может быть рассчитан по уравнению:

Где:

[math]W[/math] — полезная работа и

[math]Q_H[/math] — общее количество подведенной тепловой энергии от горячего источника. ^[2]

Тепловые двигатели часто работают с эффективностью от 30% до 50% из-за практических ограничений. Тепловые двигатели не могут достичь 100% термического КПД ([математика]\эта = 1[/математика]) в соответствии со Вторым законом термодинамики. Это невозможно, потому что некоторое количество отработанного тепла всегда производится в тепловом двигателе, что показано на рисунке 1 термином [math]Q_L[/math]. Хотя полная эффективность тепловой машины невозможна, существует много способов повысить общую эффективность системы.

Пример

Если вводится 200 Дж тепловой энергии в виде тепла ([math]Q_H[/math]), а двигатель выполняет работу 80 Дж ([math]W[/math]), то КПД равен 80 Дж / 200 Дж, что составляет 40% эффективности.

Тот же результат можно получить, измерив отработанное тепло двигателя. Например, если в двигатель вложено 200 Дж и наблюдается 120 Дж отходящего тепла, то должно быть выполнено 80 Дж работы, что дает КПД 40%.

Эффективность Карно

основной артикул

Существует максимально достижимая эффективность тепловой машины, которая была выведена физиком Сади Карно. Следуя законам термодинамики, уравнение для этого оказывается таким

Где

[math]T_L[/math] — температура холодной «раковины»
а также

[math]T_H[/math] — температура теплового резервуара.

Это описывает КПД идеализированного двигателя, которого в реальности достичь невозможно. ^[3] Из этого уравнения следует, что чем ниже температура стока [math]T_L[/math] или выше температура источника [math]T_H[/math], тем больше работы доступно для тепловой машины. Энергия для работы получается за счет уменьшения полной энергии жидкости, используемой в системе. Следовательно, чем больше изменение температуры, тем больше это уменьшение в жидкости и, следовательно, больше энергии, доступной для совершения работы. ^[4]

Для дополнительной информации

Для получения дополнительной информации см. соответствующие страницы ниже:

• Тепловая машина
• Сгорание углеводородов часто является источником тепла для этих двигателей.
• Солнечная тепловая электростанция
• Атомная электростанция
• Чтобы узнать о тепловом КПД автомобильных двигателей, нажмите здесь
• Или исследуйте случайную страницу!

Ссылки

1. ↑ Эта фотография была сделана командой Energy Education.
2. ↑ ТПУБ Механика двигателей. (4 апреля 2015 г.). Тепловой КПД [Онлайн]. Доступно: http://enginemechanics.tpub.com/14075/css/14075_141.htm
3. ↑ Гиперфизика, Цикл Карно [Онлайн], Доступно: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/carnot.html
4. ↑ Р. А. Хинрихс и М. Клейнбах, «Тепло и работа», в Energy: its Use and the Environment , 4th ed. Торонто, Онтарио. Канада: Thomson Brooks/Cole, 2006, ch.4, sec.E, pp.115.

Эффективность двигателя

Эффективность двигателя

Ханну Яаскеляйнен

Это предварительный просмотр статьи, ограниченный некоторым исходным содержанием. Для полного доступа требуется подписка DieselNet.
Пожалуйста, войдите в систему , чтобы просмотреть полную версию этого документа.

Реферат : Преобразование энергии топлива в полезную работу в двигателе внутреннего сгорания сопряжено с рядом потерь. К ним относятся потери химической энергии с выбросами, потери тепла двигателем и через выхлопные газы, а также потери на перекачку газа и потери на трение в двигателе. Соответственно, общий тепловой КПД торможения двигателя является продуктом сгорания, термодинамического, газообменного и механического КПД.

• Потери энергии двигателя
  • Сводка убытков
  • Топливная энергия
  • Эффективность сгорания
  • Термодинамическая эффективность
  • Тепловые потери
  • Эффективность газообмена
  • Механический КПД
• Эффективность с точки зрения топлива

Сводка потерь

Преобразование энергии топлива в полезную работу в двигателе внутреннего сгорания сопряжено с рядом потерь. Основные потери энергии двигателя и соответствующие коэффициенты эффективности показаны на рис. 1 9.0138 [3038] . Другие исследования факторов, влияющих на КПД двигателя, с акцентом на низкотемпературное сгорание, можно найти в литературе [4886] .

Рисунок 1 . Обзор потерь энергии в типичном двигателе внутреннего сгорания

Начиная со сжигания углеводородного топлива и выделения его энергии, небольшое количество топлива не превращается полностью в идеальные продукты сгорания CO ₂ и H ₂ O. Энергия, остающаяся в несгоревшем топливе и промежуточных продуктах сгорания, равна приходится на эффективность сгорания .

Второй закон термодинамики определяет, что из энергии, высвобождаемой в процессе горения, только часть ее может быть преобразована в полезную работу. Эта доля объясняется термодинамическим КПД , который зависит от деталей цикла, используемого для преобразования тепла в работу. Для двигателей внутреннего сгорания верхний предел термодинамического КПД обычно определяют с помощью расчетов циклов Отто и Дизеля. Энергия сгорания, которая не преобразуется в механическую работу, теряется в виде тепла либо за счет выброса горячих выхлопных газов в окружающую среду, либо за счет передачи тепла через поверхности камеры сгорания. валовая указанная эффективность равна произведению эффективности сгорания и термодинамической эффективности и отражает общую работу, произведенную при сгорании топлива.

Из энергии, которая была преобразована в работу, часть этой работы используется для подачи всасываемых газов в двигатель и вытеснения выхлопных газов. Эти насосные потери учитываются с помощью эффективности газообмена . Чистая указанная эффективность корректирует общую указанную эффективность с учетом работы, необходимой для перемещения газов в двигатель и из него.

Некоторая работа также должна быть использована для преодоления трения между скользящими поверхностями, такими как поршневые кольца и подшипники, и для привода необходимых вспомогательных устройств, таких как масляные насосы и насосы охлаждающей жидкости. Последнее учитывается с механическим КПД . Как ни странно, потери при газообмене и потери на трение иногда объединяются в одну потерю, которая используется для определения механического КПД. Это обсуждается ниже.

Таким образом, оставшаяся работа, работа торможения, может быть получена от двигателя для выполнения полезной работы. Эффективность торможения (или термическая эффективность тормоза) может быть выражена как:

η _тормоз = η _{сжигание} · η _{термодинамический} · η _{газообмен} · η _{механический} (1)

Другой способ выразить эффективность торможения — [3980] :

.

η _тормоз = η _{закрытый цикл} · η _{открытый цикл} · η _{механический}
(2)

где:
η _{закрытый цикл} – КПД замкнутого цикла, причем закрытый цикл является частью 4-тактного цикла, когда впускной и выпускной клапаны закрыты. η _{закрытый цикл} = η _{сгорание} · η _{термодинамический}
η _{открытый цикл} — эффективность открытого цикла, причем открытый цикл является частью 4-тактного цикла, когда впускной или выпускной клапаны открыты. η _{открытый цикл} = η _{газообмен}

Следует отметить, что это обсуждение КПД двигателя ведется с точки зрения процесса, используемого для преобразования тепла в работу, т. е. оно ограничено определенным типом машины и отражает ограничения машины или термодинамического цикла, используемого для преобразования тепла. работать. Эффективность также можно рассматривать с точки зрения топлива и количества топливной эксергии, которая может быть преобразована в работу. Более поздний подход, обсуждаемый позже, является более общим и не ограничивается каким-либо конкретным термодинамическим циклом.

Топливная энергия

В двигателе внутреннего сгорания воздух и топливо смешиваются, образуя горючую смесь, которая воспламеняется и выделяет энергию в виде тепла. Количество выделяемого тепла зависит от ряда факторов. В то время как количество топлива, попавшего в цилиндр, является основным фактором, определяющим содержание энергии в попавшей воздушно-топливной смеси и, следовательно, общее количество тепла, которое может быть выделено, ряд вторичных факторов также важен. Эти вторичные факторы включают детали о составе топлива, такие как тип элементов, содержащихся в топливе, и характер связей, соединяющих элементы вместе.

Для двигателей чистая энергия, выделяемая при сгорании, обычно представлена ​​низшей теплотворной способностью (LHV) топлива, поскольку предполагается, что вода, образующаяся при сгорании, остается в парообразном состоянии. На рис. 2 показана LHV ряда видов топлива, которые можно использовать в двигателе внутреннего сгорания, в зависимости от их стехиометрического соотношения воздух-топливо. Обратите внимание, что для углеводородного топлива значения LHV очень похожи и значительно выше, чем для топлива, содержащего кислород. Кислородсодержащие функциональные группы дают меньшую чистую энергию во время сгорания, внося значительный вклад в массу и объем топлива.

Рисунок 2 . Более низкая теплотворная способность (LHV) различных видов топлива по сравнению со стехиометрическим соотношением воздух-топливо

Данные с [391]

Как только выбор топлива определен, мощность двигателя определяется энергоемкостью топливно-воздушной смеси, попавшей в цилиндр перед сгоранием. Для двигателей, в которых смешивание воздуха и топлива осуществляется до поступления всасываемого заряда в цилиндр, эта энергия связана с количеством воздушно-топливной смеси, которая может быть введена и захвачена в цилиндре. Для двигателей, в которых смешивание воздуха и топлива происходит в цилиндре после IVC, это зависит от количества воздуха, которое может быть введено и захвачено в цилиндре. Можно показать, что [4730] :

Hport=ρmixLHVfλ·AFRstoich+1H_port = {ρ_mix LHV_f} по {λ AFR_stoich +1}
(3)

где:
H _порт = энергоемкость на единицу объема цилиндра смеси, образующейся до поступления в цилиндр, МДж/м ³
ρ _смесь = плотность смеси, кг/м ³
LHV _f = низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг
λ = относительная воздушно-топливная смесь
AFR _стех = стехиометрическая воздушно-топливная смесь

и

HDI=ρairLHVfλ·AFRstoichH_DI = {ρ_air LHV_f} над {λ AFR_stoich}
(4)

где:
H _DI = энергоемкость единицы объема цилиндра смеси, образующейся в цилиндре после ВВК, МДж/м ³
ρ _воздух = плотность воздуха, кг/м ³

Следует отметить, что для большинства жидких топлив разница между H _порт и H _DI невелика. Однако для газообразного топлива, такого как метан, основного компонента природного газа, разница может быть более существенной, рис. 3. Кроме того, в некоторых случаях, когда воздух и топливо смешиваются в цилиндре перед IVC, H _порт больше отражает энергию, которая может быть захвачена в цилиндре. Эффект повышения давления на входе с помощью турбокомпрессора или нагнетателя в уравнении (3) и уравнении (4) учитывается через член плотности.

Рисунок 3 . Энергия сгорания на единицу объема цилиндра смеси метана и воздуха в зависимости от λ

При 0°C, 101,325 кПа

На рис. 4 показаны значения H _порта и H _DI стехиометрических смесей нескольких топлив при стандартных условиях в зависимости от их стехиометрического соотношения воздух-топливо и на основе наиболее распространенных способов их смешивания с всасываемым воздухом 9.0138 [4730] . Хотя существуют важные различия, следует отметить, что выходная мощность двигателя, работающего на любом из этих видов топлива, исходя только из плотности энергии смеси, будет удивительно схожей.