Как найти пусковой ток формула

Пусковой ток электродвигателя при его старте превышает номинальный в несколько раз. Причём кратность превышения может находиться в пределах от 4 до 7, а то и 9. Свойства переходных процессов при запуске двигателя, расчёты, как снизить напряжение на обмотках электродвигателей разного типа — эти вопросы рассмотрены в статье.

Определение

Максимальное значение тока, потребляемого электродвигателем в момент его запуска при раскручивании до номинальной скорости вращения, называется пусковым. При этом величина его превышения при запуске по отношению к номинальному его значению — кратность пускового тока.

Требования пусковых характеристик для 3-фазных электродвигателей изложены в ГОСТ IEC 60034-12-2021.

Откуда берётся и от чего зависит

Электродвигатель состоит из большого числа обмоток, соединённых для каждой фазы сетевого напряжения последовательно. Но даже такое подключение обмоток имеет относительно низкое сопротивление для малой частоты – 50Гц, которая используется в потребительской или промышленной сети. Вот почему при пуске асинхронного двигателя возникает большой пусковой ток.

По мере разгона двигателя сердечник его ротора входит в насыщение магнитным полем. В результате возрастает электродвижущая сила (ЭДС) самоиндукции. Индукционное сопротивление обмоток увеличивается, что приводит к падению тока через них.

На что влияет и чем опасен

Высокий пусковой ток, превышающий в несколько раз номинальное значение, а тем более фактический во время нагруженной работы двигателя, делает малоэффективной защищённость двигателя автоматическими выключателями только с электрической защитой. Он может повредить кабель, если сечение токопроводящих жил рассчитано лишь на номинальный ток электромотора.

Лучший способ обезопасить электродвигатель на случай его перегрузки — использовать тепловые реле. Некоторые из них ведут контроль тока двух фаз. Так как при перегрузке даже одной фазной линии или пропадании напряжения на ней ток увеличится на остальных. Это приведёт к нагреву добавочного сопротивления теплового устройства защиты, которое посредством увеличения температуры выше установленного (подстраиваемого) значения задействует систему управляющей цепи пуска электродвигателя.

У автоматических выключателей кроме тока срабатывания имеется время-токовая характеристика. Это показатель, определяющий время задержки до срабатывания защитного устройства в зависимости от величины протекающего тока по отношению к номинальному его значению. Кривая тока запуска двигателя изображена на рисунке.

Как узнать

Пусковой ток двигателя указывается в документации (в паспорте) к электродвигателям или к оборудованию, в составе которого они используются. Его можно измерить или рассчитать с приблизительным округлением. На корпусе электродвигателя имеется табличка с указанием только номинального тока, мощности и числа оборотов. Значение пускового тока и его кратность не указывают.

При эксплуатации рабочий ток электродвигателя не должен долго превышать номинальный.

Как рассчитать, если известны характеристики двигателя и кратность

Расчет пускового тока электродвигателя можно сделать по формуле:

К = In/Iʜ, для расчёта In = К×Iʜ,

где К – это коэффициент, соответствующий кратности пускового тока, In – пусковой ток, Iʜ – номинальный.

Кратность пускового тока зависит от сопротивления обмоток, обусловленного количеством полюсов электродвигателя. Для каждого полюса используется пара обмоток. Их количество можно посчитать на самом двигателе (число секций) или определить по числу оборотов двигателя. Зависимость числа пар от скорости двигателя представлена в таблице.

Чаще всего производители указывают скорость вращения меньше, учитывая реальные обороты двигателя. Например, 950 об/мин соответствует округлённому значению 1 000 об/мин.

Чем больше пар обмоток электродвигателя, тем выше их сопротивление, соответственно, ниже пусковой ток.

Вычислить его точное значение по формулам нельзя, однако найти можно по каталогу модели производителя на онлайн-сервисах.

Чем и как измерить

Наиболее простой и удобный способ измерения пускового тока — с помощью клещей с функцией inrush. У некоторых измерительных приборов кнопка HOLD фиксирует показания в момент её нажатия, но измерения с помощью такого метода могут быть ошибочными.

Сила тока в момент запуска ещё измеряется с помощью трансформатора тока, во вторичную цепь которого подключен амперметр или осциллограф.

Если нет характеристик и нечем измерить

Обычно мощность, номинальный ток и скорость оборотов указывают в табличке на самом агрегате. Но если она отсутствует или надпись прочитать не удаётся, то грубо определить мощность можно по диаметру вала. Для этого прилагается таблица.

Рассчитать пусковой ток по мощности сложно, так как он зависит от многих факторов:

• количество полюсов;
• число витков в секции;
• диаметр провода;
• длина провода в 1 витке и даже марка стали сердечников статора и др.

Зато зная примерную мощность, удастся грубо определить номинальный ток для пробного включения по формуле: I=P/U, где I— ток, P — мощность, U — напряжение (в нашем случае 380В). Коэффициент кратности для распространённых моделей двигателей марки АИР мощностью от 120 ватт до 315 киловатт можно взять из таблицы ниже.

Если известна модель двигателя, то зная мощность и количество пар полюсов обмоток (число оборотов электродвигателя), можно на сайте производителя выяснить значения номиналов его пуска.

Как снизить

Самый эффективный метод снижения пускового тока при запуске электродвигателя — использование частотных преобразователей. Однако это оборудование может по стоимости превышать цену мотора, поэтому не всегда используется. Уменьшить ток при запуске удаётся применением специальных резисторов большой мощности, фиксированного номинала (для ступенчатой регулировки) или регулируемых. Дело в том, что динамическое сопротивление обмоток двигателя в момент пуска очень маленькое, и добавочные резисторы обуславливают ощутимое падение напряжения. При достижении оборотами рабочего значения сопротивления закорачиваются.

Есть и другие методы снижения тока электродвигателя при его запуске, например, с помощью электронных устройств. На видео рассмотрена простая схема ограничения тока двигателя при старте.

Переключение схемы соединения обмоток

Уменьшить пусковой ток асинхронного двигателя можно переключением схемы подключения обмоток ротора, питающихся от трёхфазного напряжения 380 В. Например, с помощью контактора, который коммутирует обмотки со звезды на треугольник. Применяется такой вариант запуска для двигателей мощностью свыше 30 кВт и скоростью вращения 3000 – 1500 об/мин. Иногда эта вынужденная мера, так как мощности питающей установки для запуска двигателя, подключенного по схеме треугольника, не хватает. А некоторые мощные двигатели можно начально запускать только по схеме звезды или с помощью специальных устройств (частотный преобразователь, устройство плавного пуска и др).

Схема, указанная на рисунке, предполагает в момент запуска включение двух контакторов — P1 и P3. Через несколько десятков секунд контактор P3 выключается. Сразу вместо него включается P2. Подробнее эта тема рассмотрена в видео.

Использование двигателей с фазным ротором

Специальная конструкция асинхронного двигателя с фазным ротором позволяет значительно снизить пусковой ток. Ротор этого мотора имеет обмотки, подключенные к специальным контактным кольцам. К ним подводятся щётки, соединённые электрически со схемой ступенчатых реостатов. В момент запуска сначала подключается максимальное сопротивление, затем ступенчато оно снижается. Когда электродвигатель набирает требуемые обороты, щётки закорачиваются, и он работает как двигатель с короткозамкнутым ротором.

Плавный пуск ДПТ и АД

Для управления скоростью и для плавного пуска двигателя постоянного тока используются устройства плавного пуска, регулирующие напряжение на нагрузке. Они плавно повышают напряжение с помощью ШИМ при пуске двигателя по мере его разгона. В продвинутых вариантах при этом отслеживаются обороты.

Распространены такие варианты плавного пуска ДПТ:

• с помощью пускового реостата;
• запуск с параллельным возбуждением;
• то же с последовательным;
• то же с независимым;
• путём изменения питающего напряжения.

В последнем варианте плавная регулировка осуществляется управляемым выпрямителем или генератором постоянного напряжения. В выпрямителях можно использовать метод ступенчатого переключения обмоток одно- или трёхфазного трансформатора напряжения, если он рассчитан для питания только одного ДПТ или нескольких работающих синхронно.

Включение двигателя с использованием реостата осуществляют при максмальном значении сопротивления, далее его снижают до минимума. Регулированием тока в цепи обмотки возбуждения с помощью переменного сопротивления также удаётся добиться плавного запуска ДПТ. Он зависит от схемы подключения обмотки возбуждения (параллельно, последовательно или независимо).

Плавный пуск асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором возможен с помощью реостата, как и с ДПТ или с устройствами плавного пуска. Только ограничительные резисторы включаются в каждую из фаз, подключаемых для питания обмоток АД.

Функцией плавного пуска можно оборудовать двигатель самому, если имеется прибор, например, модели ABB PSR или подобный ему, как рассказывается в следующем видео. Устройства плавного пуска, как правило, при разгоне двигателя меняют частоту и величину питающего напряжения.

Величина пускового тока, необходимого для приведения двигателя в действие, существенно (иногда в 8-10 раз) превышает показатели тока, который подается для работы в нормальном режиме. Результатом резкого роста потребления энергии становится падение напряжения в питающих электросетях, что может повлечь за собой:

• проблемы с другими подключенными к сети приборами;
• более скорый износ узлов самого двигателя (этому способствует рывок при запуске).

Свести отрицательное воздействие к минимуму возможно, используя дополнительные устройства. Параметры вспомогательного оборудования определяют, исходя из значения пускового тока для данной модели двигателя.

Как посчитать пусковой ток электродвигателя

Разобраться, как посчитать пусковой ток электродвигателя, можно самостоятельно, ознакомившись с технической документацией к агрегату и формулами для расчета. Сначала вам потребуется определить величину номинального тока (IH, зависит от типа двигателя). Для этого предусмотрены следующие формулы (все необходимые данные есть в техпаспорте к оборудованию):

• 1000PH/(ηHUH) для двигателей постоянного тока;
• 1000PH/(UHcosφH√ηH) для устройств переменного тока.

Далее проводится собственно расчет значения пускового тока (IП) по формуле Кп (кратность постоянного тока к номинальному показателю, указана в техдокументации)*IH.

Способы уменьшения пускового тока

Проблема снижения пускового тока и более плавной подачи напряжения решается с помощью специального оборудования:

• софтстартеров и устройств плавного пуска;
• автоматических выключателей соответствующего типа отключения (B, D или C).

Грамотный подход к расчету значения пускового тока для электрического двигателя позволит вам получить точные результаты и подобрать наиболее эффективные средства защиты линии включения.

Enter the rated power (watts), the voltage (volts), efficiency, and the power factor into the calculator to determine the Motor Start-Up Current. 

• All Electrical Calculators
• Motor Current Calculator
• Stepper Motor Voltage Calculator
• Motor Energy Calculator

Motor Start Up Current Formula

The following formula is used to calculate the Motor Start Up Current.

Isu = 4 * ( RP / (SQRT(3)*V*PF*E) )

• Where Isu is the Motor Start Up Current (amps)
• RP is the rated power (watts) 
• V is the voltage (volts) 
• PF is the power factor 
• E is the efficiency

How to Calculate Motor Start Up Current?

The following example problems outline how to calculate Motor Start Up Current.

Example Problem #1

1. First, determine the rated power (watts). In this example, the rated power (watts) is determined to be 415 .
2. Next, determine the voltage (volts). For this problem, the voltage (volts) is measured to be 40 .
3. Next, determine the power factor. In this case, the power factor is found to be 15.
4. Next, determine the efficiency. For this problem, this is .75 (75%).
5. Finally, calculate the Motor Start Up Current using the formula above: 

Isu = 4 * ( RP / (SQRT(3)*V*PF*E) )

Inserting the values from above and solving yields: 

Isu = 4 * ( 415 / (SQRT(3)*40*15*.75) ) = 2.129 (amps)

Example Problem #2

Using the same method as above, determine the variables required by the formula. For this example problem, these are:

rated power (watts) = 52

voltage (volts) = 23

power factor = 5

efficiency = .60

Enter these given values into the calculator or above yields: 

Isu = 4 * ( 52 / (SQRT(3)*23*5*.60) ) = 1.74 (amps) 

Электродвигатель — механизм, преобразующий энергию электрического тока в кинетическую энергию. Современное производство и быт сложно представить без машин с электроприводом. Они используются в насосном оборудовании, системах вентиляции и кондиционирования, в электротранспорте, промышленных станках различных типов и т.д.

При выборе электродвигателя необходимо руководствоваться несколькими основными критериями:

• вид электрического тока, питающего оборудование;
• мощность электродвигателя;
• режим работы;
• климатические условия и другие внешние факторы.

Типы двигателей

Электродвигатели постоянного и переменного тока

В зависимости от используемого электрического тока двигатели делятся на две группы:

• приводы постоянного тока;
• приводы переменного тока.

Электродвигатели постоянного тока сегодня применяются не так часто, как раньше. Их практически вытеснили асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором.

Главный недостаток электродвигателей постоянного тока — возможность эксплуатации исключительно при наличии источника постоянного тока или преобразователя переменного напряжения в постоянный ток. В современном промышленном производстве обеспечение данного условия требует дополнительных финансовых затрат.

Тем не менее, при существенных недостатках этот тип двигателей отличается высоким пусковым моментом и стабильной работой в условиях больших перегрузок. Приводы данного типа чаще всего применяются в металлургии и станкостроении, устанавливаются на электротранспорт.

Принцип работы электродвигателей переменного тока построен на электромагнитной индукции, возникающей в процессе движения проводящей среды в магнитном поле. Для создания магнитного поля используются обмотки, обтекаемые токами, либо постоянные магниты.

Электродвигатели переменного тока подразделяются на синхронные и асинхронные. У каждой подгруппы есть свои конструктивные и эксплуатационные особенности.

Синхронные электродвигатели

Синхронные двигатели — оптимальное решение для оборудования с постоянной скоростью работы: генераторов постоянного тока, компрессоров, насосов и др.

Технические характеристики синхронных электродвигателей разных моделей отличаются. Скорость вращения колеблется в диапазоне от 125 до 1000 оборотов/мин, мощность может достигать 10 тысяч кВт.

В конструкции приводов предусмотрена короткозамкнутая обмотка на роторе. Ее наличие позволяет осуществлять асинхронный пуск двигателя. К преимуществам оборудования данного типа относятся высокий КПД и небольшие габариты. Эксплуатация синхронных электродвигателей позволяет сократить потери электричества в сети до минимума.

Асинхронные электродвигатели

Асинхронные электродвигатели переменного тока получили наибольшее распространение в промышленном производстве. Особенностью данных приводов является более высокая частота вращения магнитного поля по сравнению со скоростью вращения ротора.

В современных двигателях для изготовления ротора используется алюминий. Легкий вес этого материала позволяет уменьшить массу электродвигателя, сократить себестоимость его производства.

КПД асинхронного двигателя падает почти вдвое при эксплуатации в режиме низких нагрузок — до 30-50 процентов от номинального показателя. Еще один недостаток таких электроприводов состоит в том, что параметры пускового тока почти втрое превышают рабочие показатели. Для уменьшения пускового тока асинхронного двигателя используются частотные преобразователи или устройства плавного пуска.

Асинхронные электродвигатели удовлетворяют требованиям разных промышленных применений:

• Для лифтов и другого оборудования, требующего ступенчатого изменения скорости, выпускаются многоскоростные асинхронные приводы.
• При эксплуатации лебедок и металлообрабатывающих станков используются электродвигатели с электромагнитной тормозной системой. Это обусловлено необходимостью остановки привода и фиксации вала при перебоях напряжения или его исчезновения.
• В процессах с пульсирующей нагрузкой или при повторно-кратковременных режимах могут использоваться асинхронные электродвигатели с повышенными параметрами скольжения.

Вентильные электродвигатели

Группа вентильных электродвигателей включает в себя приводы, в которых регулирование режима эксплуатации осуществляется посредством вентильных преобразователей.

К преимуществам данного оборудования относятся:

• Высокий эксплуатационный ресурс.
• Простота обслуживания за счет бесконтактного управления.
• Высокая перегрузочная способность, которая в пять раз превышает пусковой момент.
• Широкий диапазон регулирования частоты вращения, который почти вдвое выше диапазона асинхронных электродвигателей.
• Высокий КПД при любой нагрузке – более 90 процентов.
• Небольшие габариты.
• Быстрая окупаемость.

Мощность электродвигателя

В режиме постоянной или незначительно изменяющейся нагрузки работает большое количество механизмов: вентиляторы, компрессоры, насосы, другая техника. При выборе электродвигателя необходимо ориентироваться на потребляемую оборудованием мощность.

Определить мощность можно расчетным путем, используя формулы и коэффициенты, приведенные ниже.

Мощность на валу электродвигателя определяется по следующей формуле:

где:
Рм — потребляемая механизмом мощность;
ηп — КПД передачи.

Номинальную мощность электродвигателя желательно выбирать больше расчетного значения.

Формула расчета мощности электродвигателя для насоса

где:
K₃ — коэффициента запаса, он равен 1,1-1,3;
g — ускорение свободного падения;
Q — производительность насоса;
H — высота подъема (расчетная);
Y — плотность перекачиваемой насосом жидкости;
η_нас — КПД насоса;
η_п — КПД передачи.

Давление насоса рассчитывается по формуле:

Формула расчета мощности электродвигателя для компрессора

Мощность поршневого компрессора легко рассчитать по следующей формуле:

где:
Q — производительность компрессора;
η_k — индикаторный КПД поршневого компрессора (0,6-0,8);
η_п — КПД передачи (0,9-0,95);
K₃ — коэффициент запаса (1,05 -1,15).

Значение A можно рассчитать по формуле:

или взять из таблицы

Формула расчета мощности электродвигателя для вентиляторов

где:
K₃ — коэффициент запаса.
Его значения зависят от мощности двигателя:

• до 1 кВт — коэффициент 2;
• от 1 до 2 кВт — коэффициент 1,5;
• 5 и более кВт — коэффициент 1,1-1,2.

Q — производительность вентилятора;
H — давление на выходе;
η_в — КПД вентилятора;
η_п — КПД передачи.

Приведенная формула используется для расчета мощности осевых и центробежных вентиляторов. КПД центробежных моделей равен 0,4-0,7, а осевых вентиляторов — 0,5-0,85.

Остальные технические характеристики, необходимые для расчета мощности двигателя, можно найти в каталогах для каждого типа механизмов.

Важно! При выборе электродвигателя запас мощности должен быть, но небольшой. При значительном запасе мощности снижается КПД привода. В электродвигателях переменного тока это приводит еще и к снижению коэффициента мощности.

Пусковой ток электродвигателя

Зная тип и номинальную мощность электродвигателя, можно рассчитать номинальный ток.

Номинальный ток электродвигателей постоянного тока

Номинальный ток трехфазных электродвигателей переменного тока

где:
PH — номинальная мощность электродвигателя;
UH — номинальное напряжение электродвигателя,
ηH — КПД электродвигателя;
cosφH — коэффициент мощности электродвигателя.

Номинальные значения мощности, напряжения и КПД можно найти в технической документации на конкретную модель электродвигателя.

Зная значение номинального тока, можно рассчитать пусковой ток.

Формула расчета пускового тока электродвигателей

где:
IH — номинальное значение тока;
Кп — кратность постоянного тока к номинальному значению.

Пусковой ток необходимо рассчитывать для каждого двигателя в цепи. Зная эту величину, легче подобрать тип автоматического выключателя для защиты всей цепи.

Режимы работы электродвигателей

Режим работы определяет нагрузку на электродвигатель. В некоторых случаях она остается практически неизменной, в других может изменяться. Характер предполагаемой нагрузки обязательно учитывается при выборе двигателя. Действующими стандартами предусмотрены следующие режимы эксплуатации:

Режим S1 (продолжительный). При таком режиме эксплуатации нагрузка остается постоянной в течение всего времени, пока температура электродвигателя не достигнет необходимого значения. Мощность привода рассчитывается по формулам, приведенным выше.

Режим S2 (кратковременный). При эксплуатации в этом режиме температура двигателя в период его включения не достигает установившегося значения. За время отключения электродвигатель охлаждается до температуры окружающей среды. При кратковременном режиме эксплуатации необходимо проверять перегрузочную способность электропривода.

Режим S3 (периодически-кратковременный). Электродвигатель работает с периодическими отключениями. В периоды включения и отключения его температура не успевает достигнуть заданного значения или охладиться до температуры окружающей среды. При расчете мощности двигателя обязательно учитывается продолжительность пауз и потерь в переходные периоды. При выборе электродвигателя важным параметром является допустимое количество включений за единицу времени.

Режимы S4 (периодически-кратковременный, с частыми пусками) и S5 (периодически-кратковременный с электрическим торможением). В обоих случаях работа двигателя рассматривается по тем же параметрам, что и в режиме эксплуатации S3.

Режим S6 (периодически-непрерывный с кратковременной нагрузкой). Работа электродвигателя в данном режиме предусматривает эксплуатацию под нагрузкой, чередующуюся с холостым ходом.

Режим S7 (периодически-непрерывный с электрическим торможением)

Режим S8 (периодически-непрерывный с одновременным изменением нагрузки и частоты вращения)

Режим S9 (режим с непериодическим изменением нагрузки и частоты вращения)

Большинство моделей современных электроприводов, эксплуатируемых продолжительное время, адаптированы к изменяющемуся уровню нагрузки.

Климатические исполнения электродвигателей

При выборе электродвигателя учитываются не только его технические характеристики, но и условия окружающей среды, в которых он будет эксплуатироваться.

Современные электроприводы выпускаются в разных климатических исполнениях. Категории маркируются соответствующими буквами и цифрами:

• У — модели для эксплуатации в умеренном климате;
• ХЛ — электродвигатели, адаптированные к холодному климату;
• ТС — исполнения для сухого тропического климата;
• ТВ — исполнения для влажного тропического климата;
• Т — универсальные исполнения для тропического климата;
• О — электродвигатели для эксплуатации на суше;
• М — двигатели для работы в морском климате (холодном и умеренном);
• В — модели, которые могут использоваться в любых зонах на суше и на море.

Цифры в номенклатуре модели указывают на тип ее размещения:

• 1 — возможность эксплуатации на открытых площадках;
• 2 — установка в помещениях со свободным доступом воздуха;
• 3 — эксплуатация в закрытых цехах и помещениях;
• 4 — использование в производственных и других помещениях с возможностью регулирования климатических условий (наличие вентиляции, отопления);
• 5 — исполнения, разработанные для эксплуатации в зонах повышенной влажности, с высоким образованием конденсата.

Энергоэффективность

Рациональное потребление энергии при сохраняющейся высокой мощности сокращает текущие производственные затраты при одновременном увеличении производительности электродвигателя. Поэтому при выборе привода обязательно учитывается класс энергоэффективности.

В технической документации и каталогах обязательно указывается класс энергоэффективности двигателя. Он зависит от показателя КПД.

Проводимые в тестовом и рабочем режимах экспериментальные исследования показывают, что электродвигатель мощностью 55 кВт высокого класса энергоэффективности сокращает потребление электроэнергии на 8-10 тысяч кВт ежегодно.