Home » Misc » В чем измеряется мощность электродвигателя

В чем измеряется мощность электродвигателя


Как определить мощность электродвигателя

Как устроен электродвигатель

В основе работы мотора лежит принцип электромагнитной индукции. Прибор состоит из двух частей. Неподвижная часть — статор для двигателей переменного тока или индуктор для двигателей постоянного тока. Подвижная часть — ротор для двигателей переменного тока или якорь для двигателей постоянного тока. Производители выпускают моторы разных технических характеристик и комплектаций, но подвижная и неподвижная часть остаются без изменений.

Что такое мощность электродвигателя

Мощность электродвигателя характеризует скорость преобразования электрической энергии, ее принято измерять в ваттах. Чтобы понять, как это работает, нам понадобится две величины: сила тока и напряжение. Сила тока — количество тока, которое проходит через поперечное сечение за какой-то отрезок времени, ее принято измерять в амперах. Напряжение — величина, равная работе по перемещению заряда между двумя точками цепи, ее принято измерять в вольтах.

Если говорить простыми словами, силу тока и напряжение можно сравнить с водой. Сила тока — скорость, с которой течет вода по трубам. Напряжение видно на примере двух емкостей, соединенные между собой трубкой. Если вы поставите одну емкость выше другой, вода будет вытекать до тех пор, пока уровни в обеих емкостях не сравняются. Именно перепад высот и будет напряжением. После того, как вы поставите заглушку между двумя емкостями, течение воды (ток) остановится, но напряжение останется.

Для расчета мощности используется формула N = A/t, где:

N - мощность;

А - работа;

t - время.

Расчет мощности электродвигателя

Производители указывают на электрооборудовани все технические параметры. «Зачем тогда делать какой-то расчет?», - скажете вы. Но дело в том, что заявленная мощность — это не фактическая мощность электродвигателя, а максимально допустимая мощность электропотока. Так что, если на вашей технике или инструменте указана мощность, к примеру, в 1000 Вт, это совсем не то, о чем вы думаете.

Три способа определить мощность электродвигателя

Для расчета мощности существует не один десяток способов. Мы не будем говорить о каждом из них, остановившись лишь на самым простых и доступных.

Первый способ. Расчет по таблицам

Для этого способа расчета вам понадобится линейка или штангенциркуль. С их помощью измерьте диаметр вала вашего электродвигателя, длину мотора (выступающие части вала не учитывайте) и расстояние до оси. С использованием полученных цифр вы сможете определить мощность электродвигателя по таблицам технических характеристик двигателей. Найти такие таблицы не составит труда — они есть в открытом доступе в сети интернет. Открыв таблицу, определите серию электродвигателя и, соответственно, его технические характеристики.

Второй способ. Расчет по счетчику

Указанный способ считается самым простым, вам не понадобятся ни дополнительное оборудование, ни расчеты. Перед тем, как приступить к измерению мощности электродвигателя, выключите все электроприборы из сети. Включите испытуемый электродвигатель и запустите его в работу на 5-7 минут. Если в вашем доме установлен современный счетчик, он покажет нагрузку в киловаттах.

Третий способ. Расчет по габаритам

Для этого способа вам понадобится линейка или штангенциркуль. Измерьте диаметр сердечника с внутренней стороны и длину (учитывайте длину отверстий вентиляции). Определите частоту сети и синхронную частоту вращения вала. Умножьте диаметр сердечника в сантиметрах на синхронную частоту вращения вала, полученное значение умножьте на 3,14, поделите на частоту сети, умноженную на 120.

Все про мощность двигателя и крутящий момент — журнал За рулем

LADA

УАЗ

Kia

Hyundai

Renault

Toyota

Volkswagen

Skoda

Nissan

ГАЗ

BMW

Mercedes-Benz

Mitsubishi

Mazda

Ford

Все марки

Mожет ли крутящий момент существовать при нулевой мощности? Способна ли коробка передач увеличить мощность? Как распределена мощность между ведущими колесами, когда заднеприводный автомобиль с блокированным дифференциалом движется по плохой дороге? На эти и другие каверзные вопросы по физике процесса предлагают ответить Михаил Колодочкин и Эдуард Коноп. Проверим себя?

Gonschiki MRW_zr 11_15

Материалы по теме

Все о дифференциалах: крутящий момент истины

Мощность — это работа, совершаемая за единицу времени. Можно сказать, что мощность — это скорость выполнения работы. Например, трактор за секунду накосит больше сена, чем газонокосилка. Основная единица измерения мощности — ватт (Вт). Численно она характеризует собой работу в один джоуль (Дж), совершенную за одну секунду. Распространенная внесистемная единица — лошадиная сила, равная 0,736 кВт. Для примера: мощность двигателя 170 кВт соответствует 231,2 л.с.

А что такое крутящий момент? Со школы помним про силу, помноженную на плечо, — измеряется в ньютон-метрах (Н·м). Смысл очень простой: если момент, приложенный к колесу радиусом 0,5 м, составляет, скажем, 2000 Н·м, то толкать наш автомобиль будет сила в 4000 Н (с округлением — 400 кгс). Чем больше момент, тем энергичнее мотор тащит машину.

Связь между этими двумя основными параметрами неразрывная: мощность — это крутящий момент, умноженный на угловую скорость (грубо говоря, обороты) вала. А может ли существовать крутящий момент при нулевой мощности? Способна ли коробка передач увеличить мощность?

Tires_1600

Оцените уровень своих знаний — ответьте на вопросы. Это не так просто, как кажется на первый взгляд. Исходные условия: разного рода потери, например на трение, не учитываем, а нагрузки на колёса и условия сцепления шин с покрытием считаем одинаковыми, если не оговорено иное.

1. Автомобиль в глубокой колее сел на брюхо: ведущие колеса вертятся, не касаясь земли. Водитель упрямо газует. Какую полезную мощность может при этом выдать двигатель?

А — паспортную;

Б — в зависимости от оборотов;

В — нулевую;

Г — в зависимости от включенной передачи.

Правильный ответ: В. Автомобиль не движется, мотор не совершает полезной работы. Значит, и полезная мощность равна нулю.

2. Заднеприводный автомобиль с блокированным дифференциалом движется по плохой дороге. Как распределена мощность между ведущими колесами?

А — поровну;

Б — обратно пропорционально частоте вращения каждого из колес;

В — в зависимости от сил сцепления с покрытием;

Г — прямо пропорционально частоте вращения каждого из колес.

Правильный ответ: В.  При блокированном дифференциале ведущие колеса вращаются с одинаковой скоростью, но моменты на них не выравниваются — они зависят только от сцепления с дорогой. Следовательно, реализуемые колесами мощности тоже определяются силами сцепления с покрытием.

колесо

3. На что влияет мощность мотора?

А — на динамику разгона;

Б — на максимальную скорость;

В — на эластичность;

Г — на все перечисленные параметры.

Правильный ответ: Г. Часто полагают, что машину тащит исключительно крутящий момент. Но поставщиком крутящего момента является мотор. Если тот перестанет снабжать колеса энергией, то все динамические параметры будут равны нулю. Например, резко тронуться на повышенной передаче не удастся: при низких оборотах просто не хватит мощности. А она-то и определяет запас энергии, которую способен выдать двигатель. И влияет на все перечисленные параметры.

Тест: что надо знать про мощность и крутящий момент в автомобиле

Mожет ли крутящий момент существовать при нулевой мощности? Способна ли коробка передач увеличить мощность? Как распределена мощность между ведущими колесами, когда заднеприводный автомобиль с блокированным дифференциалом движется по плохой дороге? На эти и другие каверзные вопросы по физике процесса предлагают ответить Михаил Колодочкин и Эдуард Коноп. Проверим себя?

Тест: что надо знать про мощность и крутящий момент в автомобиле

Наше новое видео

Почему я выбираю подержанную Весту, а не новую Гранту: 5 аргументов

Первый тест китайского Dongfeng EC35 (видео)

Нивы и УАЗы стали лучшим подарком бойцам СВО

Понравилась заметка? Подпишись и будешь всегда в курсе!

За рулем в Дзен

Новости smi2.ru

Измерение и анализ мощности электродвигателя

Билл Гатеридж, менеджер по продукции, приборы для измерения мощности, Yokogawa Corporation of America

Часть 1.
Основные измерения электрической мощности

Электродвигатели представляют собой электромеханические машины, преобразующие электрическую энергию в механическую. Несмотря на различия в размерах и типах, все электродвигатели работают примерно одинаково: электрический ток, протекающий по проволочной катушке в магнитном поле, создает силу, которая вращает катушку, тем самым создавая крутящий момент.

Понимание производства электроэнергии, потерь мощности и различных типов измеряемой мощности может быть пугающим, поэтому давайте начнем с обзора основных измерений электрической и механической мощности.

Что такое сила? В самой простой форме мощность — это работа, выполняемая в течение определенного промежутка времени. В двигателе мощность передается в нагрузку путем преобразования электрической энергии в соответствии со следующими законами науки.

В электрических системах напряжение — это сила, необходимая для перемещения электронов. Ток — это скорость потока заряда в секунду через материал, к которому приложено определенное напряжение. Взяв напряжение и умножив его на соответствующий ток, можно определить мощность.

P = V * I, где мощность (P) выражается в ваттах, напряжение (V) — в вольтах, а сила тока (I) — в амперах.

Ватт (Вт) — это единица мощности, определяемая как один джоуль в секунду. Для источника постоянного тока расчет представляет собой просто произведение напряжения на ток: W = V x A. Однако определение мощности в ваттах для источника переменного тока должно включать коэффициент мощности (PF), поэтому W = V x A x PF для переменного тока. системы.

Коэффициент мощности представляет собой безразмерное отношение в диапазоне от -1 до 1 и представляет собой количество реальной мощности, выполняющей работу при нагрузке. При коэффициентах мощности меньше единицы, что почти всегда имеет место, будут потери активной мощности. Это связано с тем, что напряжение и ток в цепи переменного тока имеют синусоидальный характер, при этом амплитуда тока и напряжения в цепи переменного тока постоянно меняются и обычно не идеально совпадают.

Поскольку мощность равна напряжению, умноженному на ток (P=V*I), мощность максимальна, когда напряжение и ток выстраиваются вместе, так что пики и нулевые точки на кривых напряжения и тока возникают в одно и то же время. Это типично для простой резистивной нагрузки. В этой ситуации две формы волны находятся «в фазе» друг с другом, и коэффициент мощности будет равен 1. Это редкий случай, поскольку почти все нагрузки не просто обладают идеальным сопротивлением.

Два сигнала называются "не в фазе" или "сдвинуты по фазе", если два сигнала не коррелируют между точками. Это может быть вызвано индуктивными или нелинейными нагрузками. В этой ситуации коэффициент мощности будет меньше 1, и реальная мощность будет реализована меньше.

Из-за возможных колебаний тока и напряжения в цепях переменного тока мощность измеряется несколькими различными способами.

Реальная или реальная мощность — это фактическое количество энергии, используемой в цепи, и измеряется в ваттах. В цифровых анализаторах мощности используются методы оцифровки входных сигналов напряжения и тока для расчета истинной мощности в соответствии с методом, показанным на рисунке 1.

В этом примере мгновенное напряжение умножается на мгновенный ток (I), а затем интегрируется за определенный период времени ( т). Истинный расчет мощности будет работать для любого типа сигнала независимо от коэффициента мощности (рис. 2).

Гармоники создают дополнительную сложность. Несмотря на то, что электросеть номинально работает на частоте 60 Гц, существует много других частот или гармоник, которые потенциально могут существовать в цепи, а также может присутствовать составляющая постоянного или постоянного тока. Полная мощность рассчитывается путем рассмотрения и суммирования всего содержимого, включая гармоники.

Методы расчета, показанные на рис. 2, используются для измерения истинной мощности и истинного среднеквадратичного значения сигнала любого типа, включая все гармоники, вплоть до полосы пропускания прибора.

Измерение мощности

Далее мы рассмотрим, как на самом деле измерять мощность в данной цепи. Ваттметр — это прибор, который использует напряжение и силу тока для определения мощности в ваттах. Теория Блонделя утверждает, что общая мощность измеряется как минимум на один ваттметр меньше, чем количество проводов. Например, в однофазной двухпроводной цепи будет использоваться один ваттметр с одним измерением напряжения и одним измерением тока.

Однофазная трехпроводная расщепленная система часто встречается в общедомовой проводке. Этим системам требуются два ваттметра для измерения мощности.

В большинстве промышленных двигателей используются трехфазные трехпроводные цепи, которые измеряются с помощью двух ваттметров. Точно так же три ваттметра потребуются для трехфазной четырехпроводной цепи, где четвертый провод является нейтральным.

На рис. 3 показана трехфазная трехпроводная система с нагрузкой, подключенной с использованием метода двух ваттметров для измерения. Измеряются два линейных напряжения и два связанных фазных тока (с помощью ваттметров Wa и Wc). Четыре измерения (линейный и фазный ток и напряжение) используются для достижения общего измерения.

Поскольку этот метод требует контроля только двух токов и двух напряжений вместо трех, упрощается установка и конфигурация проводки. Он также может точно измерять мощность в сбалансированной или несбалансированной системе. Его гибкость и недорогая установка делают его подходящим для производственных испытаний, в которых требуется измерение только мощности или нескольких других параметров.

Для инженерных и научно-исследовательских работ лучше всего подходит трехфазный трехпроводной метод с тремя ваттметрами, поскольку он дает дополнительную информацию, которую можно использовать для балансировки нагрузки и определения истинного коэффициента мощности. В этом методе используются все три напряжения и все три тока. Измеряются все три напряжения (от a до b, от b до c, от c до a), и контролируются все три тока.

Рис. 4. При проектировании двигателей и приводов важно учитывать все три значения напряжения и тока, что делает метод трех ваттметров, показанный на рисунке выше, лучшим выбором.

Измерение коэффициента мощности

При определении коэффициента мощности для синусоидальных волн коэффициент мощности равен косинусу угла между напряжением и током (Cos Ø). Он определяется как коэффициент мощности «смещения» и верен только для синусоидальных волн. Для всех других форм сигналов (несинусоидальных волн) коэффициент мощности определяется как реальная мощность в ваттах, деленная на кажущуюся мощность в амперах напряжения. Это называется «истинным» коэффициентом мощности и может использоваться для всех форм сигналов, как синусоидальных, так и несинусоидальных.

Однако, если нагрузка несбалансированная (фазные токи разные), это может привести к ошибке при расчете коэффициента мощности, поскольку при расчете используются только два измерения ВА. Два VA усредняются, потому что предполагается, что они равны; однако, если это не так, получается ошибочный результат.

Поэтому лучше всего использовать метод трех ваттметров для несбалансированных нагрузок, поскольку он обеспечит правильный расчет коэффициента мощности как для сбалансированных, так и для несбалансированных нагрузок.

Анализаторы мощности от Yokogawa и некоторых других компаний используют метод, описанный выше, который называется методом подключения 3V-3A (три напряжения, три тока). Это лучший метод для проектирования и проектирования, поскольку он обеспечивает правильное измерение общего коэффициента мощности и ВА для симметричной или несимметричной трехпроводной системы.

Основные измерения механической мощности

В электродвигателе механическая мощность определяется как произведение скорости на крутящий момент. Механическая мощность обычно определяется как киловатты (кВт) или лошадиные силы (л.с.), где один ватт равен одному джоулю в секунду или одному ньютон-метру в секунду.

Лошадиная сила — это работа, совершаемая в единицу времени. Одна л.с. равна 33 000 фунт-футам в минуту. Преобразование л.с. в ватты достигается с помощью следующего соотношения: 1 л.с. = 745,69987 Вт. Однако преобразование часто упрощается, используя 746 Вт на л.с. (рис. 9).

Для асинхронных двигателей переменного тока фактическая скорость или скорость вращения ротора — это скорость, с которой вращается вал (ротор), обычно измеряемая с помощью тахометра. Синхронная скорость — это скорость вращения магнитного поля статора, рассчитанная как 120-кратная частота сети, деленная на количество полюсов в двигателе. Синхронная скорость — это теоретическая максимальная скорость двигателя, но ротор всегда будет вращаться немного медленнее, чем синхронная скорость из-за потерь, и эта разница скоростей определяется как скольжение.

Скольжение — это разница между скоростью вращения ротора и синхронной скоростью. Для определения процента скольжения используется простой процентный расчет синхронной скорости минус скорость ротора, деленная на синхронную скорость.

Эффективность может быть выражена в простейшей форме как отношение выходной мощности к общей входной мощности или эффективность = выходная мощность/входная мощность. Для двигателя с электрическим приводом выходная мощность является механической, а входная мощность - электрической, поэтому уравнение эффективности принимает вид КПД = механическая мощность / входная электрическая мощность.
 

Часть 2. Выбор приборов для измерения и анализа мощности электродвигателя

Различные ассоциации разработали стандарты испытаний, определяющие точность приборов, необходимую для соответствия их стандарту: IEEE 112 2004, NVLAP 160 и CSA C390. Все три включают стандарты для измерения входной мощности, напряжения и тока, датчиков крутящего момента, скорости двигателя и т. д. Трансформаторы тока (ТТ) и трансформаторы напряжения (ПТ) являются одними из основных контрольно-измерительных приборов, используемых для проведения этих измерений.

Соответствующие стандарты очень похожи за некоторыми исключениями. Допустимые ошибки приборов для стандартов IEEE 112 2004 и NVLAP 150 идентичны; однако CSA C390 2006 имеет некоторую разницу в температурах и показаниях.

Например, требования к входной мощности для CSA C390 2006 составляют ±0,5 % от показаний и должны включать погрешности ТТ и ПТ, тогда как для IEEE 112 2004 и NVLAP 150 требуется только ±0,5 % от полной шкалы (полная шкала). .

Датчики тока

Для тестирования обычно требуются датчики тока, поскольку большой ток нельзя подать непосредственно на измерительное оборудование. Доступны различные датчики для конкретных приложений. Накладные датчики можно использовать с анализаторами мощности. Также можно использовать щупы Scope, но при использовании этих щупов необходимо соблюдать осторожность, чтобы убедиться, что прибор не подвергается воздействию больших токов.

Для ТТ провод питания может быть подключен через окно (ТТ обычно имеют форму пончика или продолговатую форму, с отверстием или внутренней частью, называемой окном), или слаботочные соединения могут быть выполнены к клеммам в верхней части Устройство. Шунты обычно используются для приложений постоянного тока, но не переменного тока или искаженных частот, хотя их можно использовать для синхронных двигателей до нескольких сотен Гц. Доступны специализированные трансформаторы тока, которые хорошо работают на высоких частотах, которые чаще используются в осветительных приборах, а не в двигателях и приводах.

Yokogawa совместно с LEM Instruments разработали уникальную систему трансформаторов тока, обеспечивающую высокую точность в диапазоне от постоянного тока до кГц. Это трансформатор активного типа, в котором используется блок формирования напряжения питания и который обеспечивает точность примерно от 0,05 до 0,02% показаний. Этот тип системы трансформаторов тока обеспечивает очень высокую точность измерений, особенно для частотно-регулируемых приводов, которые могут варьироваться от 0 Гц до рабочей скорости подключенного двигателя.

Трансформаторы напряжения просто преобразуют напряжение с одного уровня на другой. В измерительных приложениях иногда требуются понижающие трансформаторы для снижения напряжения, подаваемого на измерительный прибор, хотя многие приборы могут работать с относительно высокими напряжениями и не требуют понижающего трансформатора.

Измерительные трансформаторы обычно представляют собой комбинацию трансформатора тока и трансформатора напряжения и могут уменьшить количество необходимых преобразователей в определенных измерительных приложениях.

Соображения по выбору и меры предосторожности

При принятии решения о том, какое устройство использовать, первым вопросом является частотный диапазон измеряемых параметров. Синусоидальные волны с частотой между линиями могут использовать шунты постоянного тока, которые обеспечивают высокую точность и простоту установки. Для приложений переменного и постоянного тока можно использовать трансформатор Холла или измерительный трансформатор активного типа. Технология эффекта Холла имеет меньшую точность, в то время как активный тип обеспечивает большую точность. Различные измерительные трансформаторы могут работать на высоких частотах 30 Гц и более, но их нельзя использовать для постоянного тока.

Следующим фактором является требуемый уровень точности. Для измерительного трансформатора это обычно указывается как точность отношения витков. Фазовый сдвиг — еще один важный фактор, и он очень важен, потому что многие трансформаторы предназначены только для измерения тока и не компенсируют фазовый сдвиг.

Фазовый сдвиг в основном зависит от коэффициента мощности при измерении мощности и, таким образом, влияет на расчет мощности. Например, трансформатор тока с максимальным фазовым сдвигом 2°, как часть спецификации, внесет погрешность косинуса (2°) или погрешность 0,06 %. Пользователь должен решить, является ли этот процент ошибки приемлемым для приложения.

Трансформатор тока является источником тока. Согласно закону Ома, напряжение (E) равно силе тока через проводник (I), умноженной на сопротивление (R) проводника в единицах Ом. Размыкание вторичной обмотки трансформатора тока эффективно увеличивает сопротивление до бесконечности. Это означает, что внутренний ток насытит катушку, напряжение также уйдет в бесконечность, и устройство повредит или разрушит себя. Что еще хуже, трансформатор тока со случайно разомкнутой вторичной обмоткой может серьезно травмировать рабочих.

Никогда не размыкайте вторичную цепь трансформатора тока. Пользователи могут получить серьезные травмы, а СТ может быть поврежден или уничтожен.

Совместимость приборов

Для определения совместимости приборов необходимо определить выходной уровень ТТ. Накладные и другие трансформаторы тока обычно имеют выходной сигнал, указанный в милливольтах/амперах, миллиамперах/амперах или амперах. Типичный выходной ток приборного ТТ может быть указан в диапазоне от 0 до 5 ампер.

Необходимо учитывать импеданс и нагрузку на ТТ, которые являются факторами, на которые влияет количество проводов, используемых для подключения ТТ к прибору. Эта проводка представляет собой сопротивление или нагрузку на прибор и, таким образом, может влиять на измерение.

Зонды Scope могут создавать собственные проблемы, если их неправильно использовать. Многие пробники осциллографа предназначены для работы с входным импедансом осциллографа, но диапазоны входного импеданса анализатора мощности могут отличаться, и это необходимо учитывать.

Другим фактором, который необходимо учитывать при определении совместимости прибора, являются физические требования к устройству. Размер необходимо учитывать вместе с типом трансформатора тока, например, накладного или кольцевого типа, каждый из которых будет лучше работать в конкретной ситуации.

Пример системы с трехфазным двигателем

Теперь мы рассмотрим типичное измерение мощности трехфазного трехпроводного двигателя с использованием метода двухваттметра. Теорема Блонделя утверждает, что количество необходимых измерительных элементов на один меньше, чем количество проводников с током. Это позволяет измерять мощность в трехфазной трехпроводной системе с использованием двух преобразователей при отсутствии нейтрали. Однако при наличии нейтрали используются три преобразователя, поскольку проводников теперь четыре.

Трехфазное питание используется главным образом в коммерческой и промышленной среде, особенно для питания двигателей и приводов, потому что более экономично эксплуатировать крупное оборудование с трехфазным питанием. Чтобы рассчитать трехфазную мощность, напряжение каждой фазы умножается на ток каждой фазы, который затем умножается на коэффициент мощности, а это значение умножается на квадратный корень из трех (квадратный корень из 3 равен равно 1,732).

Для измерения трехфазной мощности, потребляемой нагруженным двигателем, подключается анализатор мощности. На рис. 1 показано типичное соединение с дисплеем, показывающим все три напряжения, все три тока, общую мощность и коэффициент мощности.

На рис. 2 показано измерение мощности в трехфазной трехпроводной сети, выполненное с использованием метода двух ваттметров. Все три значения тока и напряжения, а также общее количество ВА и ВАР. Эта конфигурация может отображать показания мощности отдельных фаз, но их не следует использовать напрямую, поскольку для этого метода измерения точным показанием является только общая мощность.

В принципе, при использовании метода двух ваттметров в трехпроводной трехфазной системе мощность отдельных фаз не может быть измерена напрямую, а также не могут быть измерены какие-либо параметры фазы, включая коэффициенты мощности фазы. Тем не менее, сумма фазовых параметров может быть измерена.

Для трехфазного трехпроводного двигателя, соединенного треугольником, можно измерять междуфазные напряжения и токи отдельных фаз. Поскольку нейтрали нет, измерить фазные напряжения невозможно. Эта ситуация приводит к некоторым показаниям, которые необходимо объяснить.

Глядя на формы сигналов на рис. 3, можно увидеть междуфазные напряжения Vab, Vbc и Vac. Линейные напряжения, видимые прибором, в симметричной системе разнесены на 60°. Токи представляют собой фазные токи, которые воспринимаются приборами как разнесенные на 120°.

Другое представление этой системы изображено на векторной векторной диаграмме, показанной на рисунке 4. Треугольник в верхней части этого рисунка показывает измерения междуфазного напряжения черным цветом, значения фазного напряжения красным (но это теоретический, потому что нейтрали нет), а фазные токи выделены синим цветом.

В нижней части рисунка показаны разности фаз между напряжениями и токами. Опять же, обратите внимание, что линейные напряжения разнесены на 60°, а фазные токи — на 120°. Еще одна деталь заключается в том, что если бы верхняя диаграмма представляла чисто резистивную нагрузку, то синие токи были бы синхронизированы с красными напряжениями. Однако при индуктивной нагрузке (например, двигателе) синие векторы тока не совпадают по фазе с напряжениями.

Кроме того, для этого метода измерения на нижней диаграмме векторы тока всегда будут смещаться дополнительно на 30° относительно напряжений. Суть в том, что правильно настроенный анализатор мощности будет учитывать все эти условия.

Что делать, если фазную мощность и фазный коэффициент мощности необходимо точно измерить в трехфазной трехпроводной системе, а не просто приблизить? На рис. 5 показан метод, позволяющий измерять фазовые параметры трехфазного трехпроводного двигателя путем создания плавающей нейтрали.

Однако у этой техники есть ограничения. Он будет хорошо работать на входе асинхронного двигателя, синхронного двигателя или аналогичного двигателя без привода с регулируемой скоростью. Следует соблюдать осторожность при использовании этого метода в системе привода с регулируемой скоростью, поскольку высокочастотные искаженные формы сигналов и гармоники могут привести к несогласованным измерениям.

Кроме того, метод плавающей нейтрали работает только для оборудования с синусоидальной формой волны. При использовании привода с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) можно включить линейный фильтр 500 Гц (фильтр нижних частот), который затем позволит отображать показания для основной частоты, но не для общей частоты.

Трехпроводное и четырехпроводное измерение мощности

Важно понимать, что показания мощности будут одинаковыми независимо от того, измеряется ли она трехфазным трехпроводным или трехфазным четырехпроводным методом. Однако при использовании трехфазного четырехпроводного соединения измеряемые значения напряжения представляют собой фазные напряжения от линии к нейтрали.

На рис. 6 показан снимок экрана анализатора мощности, показывающий, насколько похожи показания мощности и коэффициента мощности для ШИМ-привода, управляющего двигателем, при сравнении трехфазного трехпроводного входного сигнала с частотой 500 Гц с фильтром и трехфазного четырехфазного. провод с плавающей нейтралью.

Альтернативное решение использует функцию измерения дельты, которая имеется в анализаторах мощности Yokogawa. Функция измерения дельты использует мгновенные измерения линейного напряжения и фазного тока для получения истинного линейного напряжения, даже если фазы не сбалансированы. Вычисление векторной амплитуды внутри процессора делает это возможным. Эта функция также обеспечивает измерение фазной мощности в трехпроводной цепи. Решение для измерения дельты также обеспечивает измерение тока нейтрали.

Часть 3. Измерения электрической мощности трехфазного двигателя переменного тока

Полное тестирование привода и двигателя на основе ШИМ (широтно-импульсной модуляции) представляет собой трехэтапный процесс. Шаг 1 — это точное измерение входной и выходной мощности привода с регулируемой скоростью ШИМ для определения эффективности привода и потерь мощности. Шаг 2 — это точное измерение входной мощности двигателя, а шаг 3 — точное измерение механической мощности двигателя.

Оптимальный метод — объединить все три шага с помощью одного анализатора мощности, чтобы устранить временную асимметрию. Это также обеспечивает отличные расчеты эффективности, и все это в одном программно-аппаратном решении.

Рис. 7. На этом снимке экрана анализатора мощности показано, как можно использовать функцию измерения дельты для получения истинных показаний и фазной мощности, даже если фазы не сбалансированы.

Некоторые анализаторы мощности имеют вариант двигателя, в котором сигналы скорости и крутящего момента могут интегрироваться таким образом. Эти анализаторы мощности могут измерять электрическую и механическую мощность и отправлять данные на ПК с установленным программным обеспечением от производителя оригинального анализатора или специальным программным обеспечением от системного интегратора.

Измерения привода ШИМ для двигателей переменного тока

При использовании частотно-регулируемого привода ШИМ для управления двигателем часто необходимо измерять как вход, так и выход частотно-регулируемого привода с помощью шестифазного анализатора мощности. Эта установка может измерять не только трехфазную мощность, но и постоянную или однофазную мощность. См. рис. 1.

В зависимости от анализатора режим настройки будет выполняться в обычном режиме или в режиме RMS. Конфигурация проводки должна быть настроена в соответствии с приложением, например, трехфазный вход и трехфазный выход.

Все линейные фильтры или фильтры нижних частот должны быть отключены, поскольку фильтрация будет мешать измерениям. Тем не менее, фильтр пересечения нуля или частотный фильтр должны быть включены, потому что они будут отфильтровывать высокочастотный шум, чтобы можно было измерить основную частоту. Это измерение необходимо при отслеживании частоты привода.

На рис. 2 показана форма выходного напряжения ШИМ с сильно искаженным напряжением, обрезанными высокими частотами и большим количеством шума на токовой стороне, что затрудняет измерение. Высокочастотное включение сигнала напряжения создает сильно искаженную форму волны с высоким содержанием гармоник. Частота изменяется от 0 Гц до рабочей скорости.

Для такого зашумленного сигнала нужны специальные датчики тока для измерения. Для точных измерений мощности ШИМ также требуются анализаторы мощности с широкой полосой пропускания, способные измерять эти сложные сигналы.

На рис. 3 приведен пример содержания гармоник напряжения на выходе ШИМ. Присутствуют частоты биений, а содержание гармоник напряжения превышает 500 порядков (приблизительно 30 кГц). Большая часть гармонического содержания находится в более низких частотах на текущей стороне.

Проблемы измерения привода двигателя с ШИМ

Напряжение инвертора обычно измеряется одним из двух способов. Можно использовать измерение истинного среднеквадратичного значения, которое включает общее содержание гармоник. Однако, поскольку основная форма волны в первую очередь влияет на крутящий момент двигателя, можно выполнить и использовать более простое измерение. В большинстве приложений требуется измерение только основной формы волны.

Существует два основных метода измерения основной амплитуды волны напряжения. Первый и самый простой — использовать фильтр нижних частот для удаления высоких частот. Если анализатор мощности имеет этот фильтр, просто включите его. Надлежащая фильтрация даст среднеквадратичное напряжение основной частоты инвертора. Однако этот тип фильтрации не обеспечивает истинного измерения полной мощности, поэтому фильтрация не является самым точным методом.

Второй метод представляет собой метод измерения выпрямленного среднего значения, который позволяет получить среднеквадратичное значение напряжения основной волны без фильтрации с использованием определения среднего значения напряжения, масштабированного по среднеквадратичному напряжению. Алгоритм выпрямленного среднего среднего цикла обеспечит эквивалент основного напряжения, который будет очень близок к среднеквадратичному значению основной волны.

С помощью этого метода можно измерить общую мощность, общий ток и основное напряжение.

Измерение амплитуды основной волны с помощью гармонического анализа

Функцию гармонического анализа можно использовать для определения истинного основного напряжения с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ) для определения амплитуды каждой гармонической составляющей, включая основную волну. Это обеспечивает точное измерение среднеквадратичного напряжения основной волны. Новейшие анализаторы мощности могут выполнять одновременные измерения истинных среднеквадратичных значений наряду с измерениями гармоник.

На рис. 4 значение Urms2 (среднеквадратичное значение на выходе ШИМ) очень велико, а F2 (среднее значение основной гармоники) несколько ниже. Значение Urms3 (фильтрация основной гармоники) дает аналогичный результат. Наконец, U2 (1) получается из анализа гармоник или вычислений БПФ основной гармоники. F2, Urms3 и U2 (1) дают очень близкие результаты, но расчет БПФ U2 (1) считается наиболее точным.

Ток инвертора обычно измеряется только одним способом, а именно как истинное среднеквадратичное значение сигнала, поскольку все токи гармоник вносят свой вклад и являются причиной повышения температуры двигателя, поэтому все они должны быть измерены.

Другим важным измерением является привод V/Hz (Вольт на Герц). Привод ШИМ должен поддерживать постоянное соотношение В/Гц на рабочей скорости двигателя. Анализатор мощности может вычислять В/Гц, используя среднеквадратичное значение или значение основного напряжения. Определяемая пользователем математическая функция анализатора используется для построения уравнения для этого измерения.

Измерение напряжения на шине постоянного тока

Напряжение на шине постоянного тока в ШИМ может быть измерено для проверки условий повышенного и пониженного напряжения. Это измерение можно выполнить внутри привода на клеммах конденсаторной батареи. Однако более простым методом является использование отображения формы сигнала анализатора мощности с курсорным измерением.

При отображении осциллограммы с помощью курсорных измерений необходимо следить за тем, чтобы курсор не находился прямо над небольшими пиками на дисплее. Вместо этого курсор должен располагаться поперек сигнала, чтобы выполнить точное измерение. На рис. 5 показано измерение напряжения ШИМ с высокой скоростью переключения. Курсор помещается для считывания значения, такого как 302,81 В в этом измерении.

Измерения механической мощности

Механическая мощность измеряется как произведение скорости двигателя на крутящий момент двигателя. На рынке существует множество различных типов датчиков скорости и крутящего момента, которые работают с различными двигателями. Несмотря на то, что анализаторы Yokogawa могут взаимодействовать с большинством датчиков скорости и крутящего момента, целесообразно подтверждать совместимость в каждом случае. Эти датчики можно использовать для предоставления информации о механических измерениях для расчета измерений механической мощности в анализаторе мощности.

Многие датчики поставляются с интерфейсной электроникой для правильной обработки сигнала для работы с анализаторами мощности или другим оборудованием. Обработанный сигнал может быть аналоговым выходом или выходом последовательной связи, который поступает на ПК и его прикладное системное программное обеспечение.

Одним из вариантов измерения механической мощности является использование как датчика, так и соответствующего измерительного прибора данного производителя. Этот подход имеет преимущества, поскольку датчики будут точно согласованы с прибором. Будут доступны показания крутящего момента, скорости и мощности, и, вероятно, будут варианты подключения к ПК вместе с соответствующим прикладным программным обеспечением.

Более интегрированный подход показан на рис. 6. В этой конфигурации выходные сигналы скорости и крутящего момента от измерительных приборов подключаются непосредственно к входам скорости и крутящего момента анализатора мощности. Это дает большое преимущество, позволяя одновременно оценивать электрические и механические измерения мощности, а также непрерывно выполнять расчеты эффективности.

Эффективность двигателя, привода и системы

Эффективность инвертора в его простейшей форме рассчитывается как выходная мощность, деленная на входную мощность, и представляется в процентах. Один из методов, используемых для измерения входной и выходной мощности, заключается в простом подключении измерителей мощности к входу и выходу, при этом показания двух счетчиков используются для расчета эффективности.

Более комплексный метод заключается в использовании анализатора мощности с несколькими входами для одновременного измерения входной и выходной мощности, как показано на рис. 1. Это приводит к более точному расчету эффективности, поскольку используется один анализатор мощности для устранения потенциальных ошибок, вызванных измерениями временной асимметрии. .

С помощью внутренних математических вычислений, предоставляемых анализатором, можно настроить очень простое вычисление с помощью меню для расчета потерь и эффективности привода.

Какой метод следует использовать?

IEEE 112 — это отраслевой стандарт США для тестирования электродвигателей, в котором описано несколько методов. На рис. 7 показан дисплей анализатора мощности, поддерживающий «Метод А» стандарта IEEE 112, в котором вся механическая мощность делится на общую мощность, подводимую к двигателю. Стандарт определяет многие параметры помимо измерения тока и напряжения двигателя, а также содержит инструкции по проведению общепринятых испытаний и отчетности для многофазных и асинхронных двигателей и генераторов. Кроме того, стандарт содержит 11 методов испытаний, определяющих, как проводить измерения эффективности двигателей.

Метод испытаний A — вход-выход, определенный IEEE 112: Эффективность рассчитывается как отношение выходной мощности измерения к измеренной входной мощности после температурных и динамометрических поправок, если применимо. Испытания проводят при номинальной нагрузке с помощью механического тормоза или динамометра. Этот рейтинг должен быть ограничен двигателями с номинальной полной нагрузкой 1 кВт или менее.

Метод испытаний B — вход-выход с разделением потерь: В методе B выполняются измерения как входной, так и выходной мощности, но выделяются различные потери. Большинство этих потерь просто производят тепло, которое должно быть рассеяно узлом двигателя, и представляет собой энергию, недоступную для выполнения работы. Этот метод является признанным стандартом испытаний в автомобильной промышленности США для двигателей с полной номинальной нагрузкой от 1 до 300 кВт.

В то время как оба метода A и B работают, метод B требует большого количества инструментов и обычно выполняется только производителями двигателей. Поскольку большинство производителей используют метод B, а большинство пользователей предпочитают метод A, расчеты эффективности между ними могут различаться. В технических данных производителей двигателей и приводов могут использоваться разные скорости двигателя, испытательные нагрузки или другие условия испытаний.

Заключение

При измерении мощности электродвигателя необходимо учитывать многие параметры, такие как общий и истинный коэффициент мощности. Эти измерения включают сложные уравнения, поэтому большинство компаний используют анализаторы мощности для автоматического получения результатов.

После принятия решения об использовании анализатора мощности необходимо принять решение о частотном диапазоне и уровне точности. Совместимость с приборами — еще один важный аспект безопасного получения точных показаний, особенно с трансформаторами тока, и именно в этой области необходимо учитывать входы/опции анализатора. При правильных входных сигналах датчика измерения механической мощности также можно выполнить с помощью анализатора мощности. Выбор правильных датчиков скорости и крутящего момента является первым шагом в определении механической мощности.

Некоторые анализаторы мощности также позволяют выполнять измерения ШИМ. Однако настройка анализатора для измерения ШИМ также требует знаний о том, как токи и напряжения повлияют на измерения мощности.

Прецизионный высокочастотный анализатор мощности является важным инструментом для измерения как механической, так и электрической мощности. Его функции анализа и показания могут помочь улучшить работу и даже продлить срок службы двигателя. Выбор правильного анализатора и его правильная реализация требуют знаний; однако при правильном использовании данные анализатора мощности обеспечат точные и очень ценные данные.

 

 

Электродвигатели – крутящий момент в зависимости от мощности и скорости

  • Работа является результатом силы, действующей на некотором расстоянии. Работа измеряется в джоулях (Нм) или футо-фунтах.
  • Крутящий момент — вращающая сила, создаваемая коленчатым валом двигателя. Чем больший крутящий момент производит двигатель, тем больше его способность совершать работу. Поскольку крутящий момент представляет собой вектор, действующий в направлении, его обычно измеряют в Нм или фунто-футах.
  • Сила — это скорость выполнения работы — работа за определенное время. Мощность измеряется в ваттах (Дж/с) или лошадиных силах.

Обратите внимание, что движущая сила электродвигателя равна крутящему моменту , а не лошадиным силам. Крутящий момент представляет собой крутящую силу, которая заставляет двигатель работать, и крутящий момент действует от 0 % до 100 % рабочей скорости.

Мощность двигателя зависит от скорости двигателя и составляет

  • ноль при скорости 0% и
  • обычно на максимальной скорости при рабочей скорости

Примечание ! - полный крутящий момент с нулевой скорости является большим преимуществом для электромобилей.

Для полной таблицы - повернуть экран!

64646464646464646464646464646464646464646464646464646466464646464646464646464ры 9464646464646464646464664964646496464964964964964964964964646496464646464646469нPE0464 96388888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888880463 44117 . 0464
Power Motor Speed ​​ (rpm)
3450 2000 1750 1000 500
Torque
hp kW (lb f in)
(lb f ft)
(Nm) (lb f in) (lb f ft) (Nm) (lb f in) (lb f ft) (Nm) (lb f in) (lb f ft) (Nm) (lb f in) (lb f ft) (Nm)
1 0. 75 18 1.5 2.1 32 2.6 3.6 36 3.0 4.1 63 5.3 7.1 126 10.5 14.2
1.5 1.1 27 2.3 3.1 47 3.9 5.3 54 4.5 6.1 95 7.9 10.7 189 15.8 21.4
2 1.5 37 3.0 4.1 63 5.3 7.1 72 6.0 8.1 126 10.5 14.2 252 21.0 28.5
3 2.2 55 4.6 6.2 95 7.9 10.7 108 9. 0 12 189 15.8 21.4 378 31.5 42.7
5 3.7 91 7.6 10 158 13.1 18 180 15 20 315 26.3 36 630 52.5 71
7.5 5.6 137 11 15 236 20 27 270 23 31 473 39 53 945 79 107
10 7,5 183 15 21 315 26 315 630 53 71 1260 105 142
15 11 274 23 31 473 39 53 540 45 61 945 79 107 1891 158 214
20 15 365 30 41 630 53 71 720 60 81 1260 105 142 2521 210 285
25 19 457 38 52 788 66 89 900 75 102 1576 131 178 3151 263 356
30 22 548 46 62 945 79 107 1080 90 122 1891 158 214 3781 315 427
40 30 731 61 83 1260 105 142 1441 120 163 2521 210 285 5042 420 570
50 37 913 76 103 1576 131 178 1801 150 204 3151 263 356 6302 525 712
60 45 1096 91 124 1891 158 214 2161 180 244 3781 315 427 7563 630 855
70 52 1279 107 145 2206 184 249 2521 210 285 4412 368 499 8823 735 997
80 60 1461 122 165 2521 210 285 2881 240 326 5042 420 570 10084 840 1140
90 67 1644 137 186 2836 236 321 3241 270 366 5672 473 641 11344 945 1282
100 75 1827 152 207 3151 263 356 3601 300 407 6302 525 712 12605 1050 1425
125 93 2283 190 258 3939 328 445 4502 375 509 7878 657 891 15756 1313 1781
150 112 2740 228 310 4727 394 534 5402 450 611 9454 788 1069 18907 1576 2137
175 131 3197 266 361 5515 460 623 6302 525 712 11029 919 1247 22058 1838 2494
200 149 3654 304 413 6302 525 712 7203 600 814 12605 1050 1425 25210 2101 2850
225 168 4110 343 465 7090 591 801 8103 675 916 14180 1182 1603 28361 2363 3206
250 187 4567 381 516 7878 657 891 9003 750 1018 15756 1313 1781 31512 2626 3562
275 205 5024 419 568 8666 722 980 9904 825 1120 17332 1444 1959 34663 2889 3918
300 224 5480 457 620 9454 788 1069 10804 900 1221 18907 1576 2137 37814 3151 4275
350 261 6394 533 723 11029 919 1247 12605 1050 1425 22058 3676 4987
400 298 7307 609 826 12605 1050 1425 14405 1200 1628 25210 2101 2850 50419 4202 1182 1603 16206 1351 1832 28361 2363 3206 56722 4727 6412
550 410 10047 837 1136 17332 1444 1959 19808 1651 2239 34663 2889 3918 69326 5777 7837
600 448 10961 913 1239 18907 1576 2137 21608 1801 2443 37814 3151 4275 75629 6302 8549

Уравнения мощности, скорости и крутящего момента электродвигателя

2 крутящий момент в имперских единицах можно рассчитать как

T INLB = P HP 63025 / N (1)

, где

9 T9003 , где

9 T9003 в IN

P л. с. = мощность электродвигателя в лошадиных силах (л.с.)

n = количество оборотов в минуту (об/мин)0363 ftlb = P hp  5252 / n                         (1b)

where

T ftlb = torque (lb f ft)

  • 1 ft lb f = 1,356 нм

крутящий момент в единицах Si можно рассчитать как

T нм = P W 9,549 / нм (2)

9.549 / n (2) 9000

9999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999 / н.0002 T NM = крутящий момент (NM)

P W = мощность (Watts)

n = революция в минуту (RPM).

Electric Motor - Torque vs. Power and Speed ​​

power (kW)

speed (rpm)