background image

 

DR INŻ. KRZYSZTOF CHODNIKIEWICZ                                 

Rok akademicki:  2012 

 
Tylko do użytku własnego 
Za zgodą @LMoszczynski 

 
 

2. DOBÓR SILNIKA ELEKTRYCZNEGO

 

2.1. Uwagi wstępne  
2.2. Czynniki ograniczające moc silnika 
2.3. Metody doboru silnika 

 
 

2.1. Uwagi wstępne.  
 

Dobór  silnika  powinien  być  poprzedzony  zebraniem  informacji  na  temat  maszyny  roboczej  oraz 
warunków, w których ma być ona zainstalowana. Na temat maszyny roboczej należy wiedzieć:   
- rodzaj maszyny (pompa, prasa hydrauliczna, obrabiarka, itd.), 
- charakter jej pracy (ciągła, przerywana, dorywcza; definicje podano w punkcie 2.3), 
- cykl pracy (jeżeli maszyn działa cyklicznie), 
- wymagane obroty silnika i ewentualnie zakres ich zmienności, 
- potrzebną moc silnika napędowego, 
- potrzebny moment rozruchowy oraz moment maksymalny, 
- zależność momentu oporowego od prędkości kątowej,   
- przewidywane chwilowe przeciążenie silnika (w stosunku do warunków znamionowych), 
- szczególne wymagania związane z pracą maszyny (np. dopuszczalny czas rozruchu) 
- szczególne wymagania, które ma spełniać silnik (np.silnik z wałem dwustronnym, silnik na łapach), 
- informacje dotyczące silników stosowanych w istniejących maszynach takiego samego, lub  
  podobnego typu. 
Informacje dotyczące warunków, w których maszyna ma być zainstalowana, dotyczą: 
- napięcia zasilania i częstotliwości tego napięcia, 
- rodzaju sieci zasilającej (jednofazowa, trójfazowa), 
- warunków klimatycznych (temperatura, wilgotność, zapylenie), 
- otoczenia (hala fabryczna, otwarta przestrzeń, kopalnia, statek, itp.).   
 
Dobór silnika polega na określeniu typu silnika (prądu przemiennego, prądu stałego), rodzaju budowy 
(otwarta,  zamknięta),  obrotów,  mocy  (ewentualnie  momentu),  napięcia,  odmiany  wykonania 
(mocowanie  na  łapach,  mocowanie  kołnierzowe),  końców  wału  (jednostronny,  dwustronny).  Jeżeli 
silnik  ma  mieć  zmienną  prędkość  obrotową,  to  wraz  z  silnikiem  należy  dobrać  urządzenia 
umożliwiające zmienność prędkości.   
 
Trudno jest jednoznacznie odpowiedzieć na pytanie jaki typ silnika (prądu stałego lub przemiennego) 
należy  zastosować  do  napędu  danej  maszyny  lub  urządzenia.  Kilkadziesiąt  lat  temu  sytuacja  była 
klarowniejsza, gdyż jeżeli prędkość obrotowa maszyny miała być zmienna, to wybierano  silnik prądu 
stałego.  Obecnie,  do  maszyn  o  zmiennej  prędkości  obrotowej  stosowane  są  zarówno  silniki  prądu 
stałego  jak  i  przemiennego.  Można  jednak  stwierdzić,  że  jeżeli  maszyna  ma  pracować  ze  stałą 
prędkością obrotową, to korzystniejsze, szczególnie z uwagi na cenę, jest zastosowanie silnika prądu 
przemiennego.  

 
2.2. Czynniki ograniczające moc silnika 

Są  to  czynniki:  1)  mechaniczne,  2)  elektromagnetyczne  i  3)  termiczne.  Ograniczenia  mechaniczne 
związane są z wytrzymałością elementów silnika. Pierwsze ograniczenie  wytrzymałościowe dotyczy 
wału  silnika.  Konstruktor  silnika  musi  tak  zwymiarować  jego  wał,  aby  maksymalny  moment 
rozwijany  przez  silnik  powodował  naprężenia  skręcające  mniejsze  od  dopuszczalnych.  Użytkownik 
silnika  nie  musi  się  tym  ograniczeniem  zajmować.  Drugie  ograniczenie  mechaniczne  jest  z  punktu 

background image

 

widzenia  użytkownika  ważne  i  dotyczy  siły  działającej  na  wał  silnika,  prostopadłej  do  jego  osi. 
Wartość tej siły jest ograniczona, gdyż powoduje ona niekorzystne ugięcie wału silnika, a tym samym 
zmianę szczeliny powietrznej pomiędzy wirnikiem i statorem. Dopuszczalna siła, prostopadła do osi 
wału jest zazwyczaj podawana przez producenta silnika.   
Ograniczenia elektromagnetyczne dotyczą maksymalnego momentu rozwijanego przez silnik. Można 
przyjąć,  że  maksymalny  moment  elektromagnetyczny  silnika  (zarówno  prądu  stałego  jak  i 
przemiennego)  jest  w  warunkach  powolnego  wzrostu  obciążenia  2  do  3  razy  większy  od  momentu 
znamionowego.  Jeżeli  natomiast  wzrost  obciążenia  trwałby  bardzo  krótko,  to  silnik  może  –  dzięki 
momentowi  dynamicznemu  -  pokonać  moment  obciążający  większy  od  maksymalnego  momentu 
elektromagnetycznego. 
Na moc silnika najbardziej wpływają ograniczenia termiczne i dlatego warto poświecić im szczególną 
uwagę.  Zacznijmy  od  parametrów  silnika,  które  określa  się  przymiotnikiem  „znamionowy”.  Jest  to 
synonim  słowa  „nominalny”.  W  przypadku  urządzeń  mechanicznych  mówimy  najczęściej  o 
nominalnym udźwigu (np. dźwigi, haki), o nominalnym nacisku (np. prasy), o nominalnym ciśnieniu 
(np. zbiorniki), itp. Pojęcia te wiążą się z naprężeniami, które konstruktor danego urządzenia uznał za 
dopuszczalne  i  które  odpowiadają  stosownym  przepisom  polskim  i  międzynarodowym.  Przepisy  te 
dotyczą  w  szczególności  urządzeń,  których  działanie  wiąże  się  z  bezpieczeństwem  i  określają 
minimalny współczynnik bezpieczeństwa tychże urządzeń. Przykładami są dźwigi, haki, windy, itp.

 

 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 

 

 
W  przypadku  silników  elektrycznych,  słowo  „znamionowy”  (moment,  moc,  obroty,  sprawność) 
określa  takie  warunki  pracy,  w  których  -  przy  temperaturze  otoczenia  40

0

C  -  temperatura  uzwojeń 

silnika  osiąga  (lecz  nie  przekracza)  temperaturę  dopuszczalną,  która  zależy  od  klasy  izolacji 
uzwojenia, przy czym: 
- klasa izolacji B odpowiada dopuszczalnej temperaturze 130

0

C, 

- klasa izolacji F – temperaturze 155

0

C, 

- klasa izolacji H – temperaturze 180

0

C.

 

Uzwojenia  silnika  nagrzewają  się  w  wyniku  strat  mocy  (rys.2.2.1).  Straty  w  miedzi  wynikają  z 
nagrzewania  się  uzwojeń  i  są  wprost  proporcjonalne  do  kwadratu  prądu  silnika.  Straty  w  żelazie 
spowodowane  są  pętlą  histerezy  oraz  prądami  wirowymi  i  występują  podczas  magnesowania  i 
rozmagnesowywania rdzenia prądem przemiennym.  Warto sobie uświadomić, że przy częstotliwości 
50 Hz rdzeń silnika jest magnesowany i rozmagnesowywany 100 razy na sekundę. Zmniejszenie strat 
spowodowanych  prądami  wirowymi  osiąga  się  wykonując  rdzeń  z  cienkich  blach.  W  przypadku 
silników  zasilanych  z  przekształtników  napięcia  straty  wynikają  także  z  niedoskonałego  przebiegu 
napięcia  w  czasie:  niedokładnie  stałego  lub  niedokładnie  sinusoidalnego.  Czytelnik  zainteresowany 
problemem  jakości  energii  elektrycznej  znajdzie  wiele  interesujących  publikacji  na  stronie 

www.sep.krakow.pl/kjee/publikacje/index.htm. 

  

Sprawność silnika wyraża się wzorem 

S

U

U

P

P

P

                                                                                                                      

P

S

 -  MOC STRAT: 

- w miedzi, 
- w żelazie (tylko silniki prądu   
   przemiennego) 
- wentylatorowe, 
- tarcia. 

 

P

U

 - MOC  

UŻYTECZNA 

MOC DOSTARCZONA 

DO SILNIKA 

Rys.2.2.1 

background image

 

Symbole użyte w powyższym wzorze są wyjaśnione na rys.2.2.1. Sprawność znamionowa zależy od 
mocy  znamionowej  silnika  (rys.2.2.2a),  a  przy  danej  mocy  znamionowej  -  od  jego  obciążenia 
(rys.2.2.2b).  Dolny  wykres  na  pierwszy  rzut  oka  wygląda  dziwnie,  ponieważ  linia  osiąga  poziom 
100%. Prawidłowa interpretacja wykresu wymaga właściwego zrozumienia określenia Percent Full 

 

 

     

Load Efficiency, który oznacza wyrażony w procentach  stosunek sprawności przy danym obciążeniu 
do sprawności przy obciążeniu znamionowym.  
W  poniższej  tablicy  podano  fragment  katalogu  z  podstawowymi  danymi  technicznymi  dotyczącymi 
znamionowych parametrów silników indukcyjnych.  
 

Typ 

silnika 

Moc 

Obroty 

Prąd przy 

Sprawność 

Współczynnik 

mocy 

Krotność 

prądu 

rozruchowego 

Krotność 

momentu 

rozruchowego 

Przeciążalność  Masa  

220V  380V 

η 

[kW]  [KM]  [min

-1

[A] 

[%] 

[cos 

r

 /I 

n

 

r

 /M 

n

 

M

max/

M

n

 

[kg] 

2p=2 Obroty synchroniczne 3000 min

-1

, 50Hz 

STg 80-2i  0.55  0.75  2750 

2.78  1.61 

68 

0.78 

3.60 

2.20 

2.30 

8.40 

STg 80-2A  0.75  1.00  2800 

3.39  1.96 

68 

0.86 

4.30 

2.30 

2.50 

9.10 

STg 80-2B  1.10  1.50  2800 

4.44  2.57 

75 

0.86 

4.20 

2.80 

3.00 

11.20 

STg 90-2C  1.50  2.00  2800 

6.49  3.76 

73 

0.83 

4.50 

3.40 

3.70 

13.90 

STg 90-2D  2.20  3.00  2800 

8.36  4.84 

82 

0.84 

5.50 

2.90 

3.00 

15.00 

STg 90-2F  3.00  4.00  2800  11.60  6.70 

85 

0.79 

5.50 

3.50 

3.50 

18.00 

(b) 

Rys.2.2.2  

(a) 

 

background image

 

 
 
Interesującym  opracowaniem  na  temat  sprawności  silników  elektrycznych  jest  dokument 

www.fewe.pl/dok/refpompy.doc. 

Przejdźmy  do  zjawisk  cieplnych  zachodzących  w  silniku.  Wiadomo,  że  zarówno  nagrzanie  jak  i 
wystudzenie  dowolnego  ciała  wymaga  określonego  czasu.  Zmienność  temperatury  silnika  w  czasie 
można wyznaczyć na podstawie modelu, w którym uzwojenia silnika są zastąpione jednorodną bryłą o 
masie  m  i  o  małym  oporze  przewodzenia  ciepła,  do  której  w  czasie  dt  zostaje  doprowadzone  ciepło 

dt

P

dQ

S

  

Przypomnijmy, ze symbol 

P

S

 oznacza moc strat. Zgodnie z zasadą zachowania energii (rys.2.2.3) jest 

O

S

dQ

dQ

dQ

+

=

 

Ciepło  dQ

S

  pozostaje  w  bryle  nagrzewając  ją,  zaś  ciepło  dQ

0

,  zostaje  odprowadzone  do  otoczenia, 

przy czym 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

d

c

m

dQ

p

S

                                                                                                                          

dt

A

dQ

0

                                                                                                                          

gdzie: 
c

p

 – ciepło właściwe w 

kg

K

/

J

 - nadwyżka temperatury bryły ponad temperaturę otoczenia w K

A – powierzchnia bryły przez którą odprowadzane jest ciepło w m

2

 - współczynnik przejmowania ciepła w 

2

m

K

/

J

Można więc napisać 

dt

P

dt

A

d

mc

S

p



 

czyli 

A

P

dt

d

A

mc

S

p

                                                                                                                        (#)                                                                                                                   

Jest  to  równanie  różniczkowe  liniowe,  zwyczajne  o  stałych  współczynnikach.  Rozwiązanie  takiego 
równania  jest  sumą  rozwiązania  pełnego  równania  uproszczonego  (jednorodnego)  i  rozwiązania 
szczególnego równania pełnego.  
Równanie uproszczone 

0

dt

d

A

mc

p

                                                                                                                             (*) 

Przewidywanym rozwiązaniem tego równania jest 

rt

e

C

                                                                                                                                        (**) 

gdzie C jest stałą. Różniczkując otrzymuje się 

rt

e

rC

dt

d

                                                                                                                                  (***) 

Podstawiając (**) oraz (***) do (*), a następnie przekształcając, można obliczyć  

dQ

dQ 

  dQ

Rys.2.2.3 

background image

 

p

mc

A

r

 

czyli rozwiązanie pełne równania uproszczonego ma postać 

t

p

mc

A

e

C

 

Łatwo sprawdzić, że rozwiązaniem szczególnym równania (#) jest 

A

P

S

  

czyli pełne rozwiązanie równania (#) ma postać 

A

P

e

C

S

t

p

mc

A

                                                                                                                        

Przyjmując, że w chwili  t=0  jest 

p

 uzyskuje się 

A

P

C

S

p

 

i następnie 

A

P

e

A

P

S

t

p

mc

A

S

p

                                                                                                    

Ilorazy  występujące  w  powyższej  zależności  wydają  się  być  dość  złożone.  Maja  one  jednak  prostą 
interpretację  fizyczną.  Zinterpretujmy  iloraz 

A

/

P

S

  zakładając,  że  osiągnięta  została  ustalona 

nadwyżka temperatury 

u

, czyli, że 

0

dt

d

u

. Z równania (#) wynika, że 

A

P

S

u

                                                                                                                                       

czyli ostatecznie 

t

0

t

u

e

e

1



                                                                                                       

Przy czym symbolem Θ  oznaczono cieplną stałą czasowa równa   

A

mc

p

                                                                                                                                         

Dla  małych  silników  Θ  jest  rzędu  kilkunastu  minut,  dla  dużych  –  kilku  godzin.  Z  ostatecznego 
rozwiązania  wynika,  że  temperatura  w  modelowej  bryle,  a  więc  w  przybliżeniu  i  w  uzwojeniach 
silnika, zmienia się wykładniczo.  
Można  zauważyć,  że  ustalona  nadwyżka  temperatury  jest  wprost  proporcjonalna  do  mocy  strat  P

S

Największy  udział  w  mocy  strat  przypada  na  straty  w  miedzi  (rys.2.2.1),  a  te,  jak  już  wiadomo,  są 
wprost proporcjonalne do kwadratu prądu I. Z kolei, prąd jest w przybliżeniu wprost proporcjonalny 
do  momentu  silnika,  M,  i  -  dalej  z  coraz  gorszym  przybliżeniem  -  do  mocy  silnika  P.  Dlatego  dla 
ustalonej nadwyżki temperatury, 

u

, można napisać 

2

n

un

2

n

un

2

n

un

u

P

P

M

M

I

I













 

gdzie dolny indeks n  oznacza znamionowe warunki pracy silnika. Z powyższych stwierdzeń wynikają 
metody  doboru  mocy  silnika.  Najdokładniejszą  jest  metoda  średnich  strat.  Innymi  metodami  są: 
metoda prądu zastępczego, metoda momentu zastępczego i metoda mocy zastępczej.  

 

2.3. Dobór mocy silnika

 

background image

 

Najłatwiej  jest  dobrać  silnik  do  maszyny  lub  urządzenia,  które  pracuje  przy  stałym  obciążeniu. 
Niektórzy producenci urządzeń napędzanych silnikami elektrycznymi podają w katalogach wymaganą 
moc, albo wymagany moment obrotowy silnika potrzebnego do napędu tego urządzenia. Na rys.2.3.1 
pokazano  przykładowy  wykres  wymaganego  momentu  obrotowego  (napędowego)  dla  grupy  pomp 
hydraulicznych.  Symbole  literowo-cyfrowe  oznaczają  typ  pompy,  natomiast  symbole  cyfrowe  przy 
liniach  –  umowne  oznaczenie  wielkości  pompy.  Producent  informuje,  że  wykresy  zostały  wykonane 
dla cieczy o lepkości kinetycznej 41 mm

2

/s i temperatury 50 

0

C. 

 

 

                                                                                Rys.2.3.1 
 
Pozostałe  dane  techniczne  pomp  wybrane  z  katalogu,  istotne  z  punktu  widzenia  doboru  silnika,  są 
następujące: 
 

Wielkość 

pompy 

Strumień 

przepływu w l/min 

przy 1500obr/min

 

Ciśnienie 

maksymalne w 

barach 

Obroty 

minimalne 

obr/min 

Obroty maksymalne 

obr/min 

040 

100 

 
 

210 

 
 

600 

 
 

2500 

045 

89 

055 

80 

060 

66 

068 

59 

 
Niestety,  nie  zawsze  dysponuje  się  informacjami  jak  w  powyższym  przykładzie  i  wówczas  należy 
dobrze poznać budowę i działanie urządzenia do napędu którego dobierany jest silnik.  
Rozróżnia się następujące rodzaje pracy silnika: 

a)  praca ciągła (symbol S1)  – silnik pracuje pod stałym obciążeniem  i osiąga ustalony przyrost 

(nadwyżkę) temperatury; 

b)  praca  dorywcza  (symbol  S2)  –  silnik  pracuje  krócej niż  to  potrzebne do  uzyskania  ustalonej 

nadwyżki temperatury, a następnie zostaje wyłączony i stygnie aż do temperatury otoczenia; 

c)  praca  okresowa  przerywana  (symbol  S3)  –  silnik  pracuje  z  przerwami,  przy  czym  podczas 

pracy  nie  zostaje  osiągnięta  ustalona  nadwyżka  temperatury,  a  w  okresie  wyłączenia  nie 
zostaje osiągnięta temperatura otoczenia.  

Pozostałe  rodzaje  pracy  (S4  do  S8)  związane  są  ze  sposobem  hamowania  i  rozruchu  oraz  biegiem 
jałowym,  natomiast  rodzaje  S7  i  S8  dotyczą  dużej  liczby  załączeń.  Szczegółowe  informacje  można 
znaleźć w PN-EN 60034-1-2005  
 
Punkt  2.2  zakończono  informacją,  że  istnieją  następujące  metody  doboru  mocy  silnika:  metoda 
średnich strat, prądu zastępczego, momentu zastępczego i mocy zastępczej.  
W  celu  omówienia  metody  średnich  strat  rozpatrzmy  rys.2.3.2,  na  którym  przedstawiono 
przykładowe,  zmieniające  się  w  czasie,  zapotrzebowanie  mocy  przez  maszynę.  Ze  wzoru 
definiującego sprawność wynika, że straty mocy w silniku wynoszą 

 

 

background image

 

U

S

P

1

P

                                                                                                                               

czyli  jeżeli  silnik  przekazuje  maszynie  moc  P

1

,  to  w  tym  czasie  moc  tracona  jest  równa 

1

1

P

η

η

1

P

Δ

=

. Podobne zależności można napisać dla ΔP

2

 ,  ΔP

3

 , itp. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
W  tym  miejscu  należy  zauważyć  przydatność  wykresów  obrazujących  zależność  współczynnika 
sprawności  od  obciążenia  takich  jak  pokazane  na  rys.2.2.2a.  Wykresy  te  pozwalają  obliczać  straty 
mocy przy uwzględnieniu sprawności charakterystycznej dla danego obciążenia silnika. Średnie straty 
mocy w cyklu pracy są równe  

4

3

2

1

4

3

3

2

2

1

1

śr

t

t

t

t

P

t

P

t

P

t

P

P

                                                                                         

Silnik uznaje się za dobrany prawidłowo jeżeli spełniona jest nierówność 

n

śr

P

P

                                                                                                                                          (a)                                              

gdzie symbol 

n

P

 oznacza straty w silniku obciążonym znamionowo.  

Jeżeli  w  czasie  cyklu  pracy  silnika  występują  hamowania,  postoje  i  rozruchy,  to  odpowiadające  im 
czasy  występujące  w  mianowniku  wzoru  analogicznego  do  powyższego,  należy  pomnożyć  przez 
współczynniki  mniejsze  od  jedności,  bowiem  w  tych  okresach  chłodzenie  silnika  pogarsza  się.  Jest 
więc   

P

3

2

H

R

H

H

2

2

2

R

R

śr

t

t

t

)

t

t

(

t

P

...

P

t

P

t

P

P

                                                                             

gdzie dolne indeksy 

R

H

 oraz 

P

 oznaczają odpowiednio rozruch, hamowanie i postój. Współczynniki 

α i β występujące w mianowniku są w przybliżeniu równe   

)

6

,

0

4

,

0

(

)

8

,

0

6

,

0

(

 

Metoda  prądu  zastępczego  polega  na  wyznaczeniu  prądu  I

Z

  ,  który  spowodowałby  takie  samo 

nagrzanie silnika jak prądy zmieniające się w cyklu pracy. Prąd zastępczy określony jest wzorem 

n

1

j

j

n

1

j

j

2

j

Z

t

)

t

I

(

I

                                                                                                                            (b)                                                                                                         

Dobór silnika uważa się za prawidłowy jeżeli spełniony jest warunek 

n

Z

I

I

                                                                                                                                               (c)                                                                                                                                   

gdzie I

n

  oznacza znamionowy prąd silnika.  

czas 

P

P

P

P

P

Cykl pracy 

Następny cykl 

t

t

t

t

moc P

 

Rys.2.3.2 

background image

 

Analogiczne do (b) wzory określają moment zastępczy i moc zastępczą, zaś nierówności analogiczne 
do (c) - warunki doboru silnika metodą momentu zastępczego i mocy zastępczej. 
 
Dobór mocy silnika do pracy dorywczej i przerywanej jest nieco bardziej złożony, lecz jego istotą, tak 
jak w przypadku pracy ciągłej, jest analiza zjawiska nagrzewania i chłodzenia silnika.