În electromecanică, există multe unități care funcționează cu sarcini constante fără a modifica viteza de rotație. Sunt utilizate în echipamente industriale și casnice, cum ar fi ventilatoare, compresoare și altele. Dacă caracteristicile nominale sunt necunoscute, atunci formula pentru puterea motorului electric este utilizată pentru calcule. Calculele parametrilor sunt deosebit de relevante pentru unitățile noi și puțin cunoscute. Calculul se realizează folosind coeficienți speciali, precum și pe baza experienței acumulate cu mecanisme similare. Datele sunt esențiale pentru funcționarea corectă a instalațiilor electrice.
Ce este un motor electric?
Un motor electric este un dispozitiv care transformă energia electrică în energie mecanică. Funcționarea majorității unităților depinde de interacțiunea magneticuluicâmpuri cu înfășurarea rotorului, care se exprimă în rotația sa. Acestea funcționează de la surse de alimentare DC sau AC. Sursa de alimentare poate fi o baterie, un invertor sau o priză. În unele cazuri, motorul funcționează invers, adică transformă energia mecanică în energie electrică. Astfel de instalații sunt utilizate pe scară largă în centralele electrice alimentate cu flux de aer sau apă.
Motoarele electrice sunt clasificate în funcție de tipul sursei de alimentare, designul intern, aplicația și puterea. De asemenea, unitățile AC pot avea perii speciale. Acestea funcționează pe tensiune monofazată, bifazată sau trifazată, sunt răcite cu aer sau lichid. Formula de putere a motorului AC
P=U x I, unde P este puterea, U este tensiunea, I este curent.
Unitățile de uz general, cu dimensiunile și caracteristicile lor, sunt utilizate în industrie. Cele mai mari motoare cu o capacitate de peste 100 de megawați sunt utilizate în centralele electrice ale navelor, compresoare și stații de pompare. Dimensiuni mai mici sunt folosite în aparatele de uz casnic, cum ar fi un aspirator sau un ventilator.
Design motor electric
Drive include:
- Rotor.
- Stator.
- Rulmenți.
- Difier.
- de înfășurare.
- Switch.
Rotorul este singura parte mobilă a unității care se rotește în jurul propriei axe. Curent care trece prin conductoriformează o perturbare inductivă în înfăşurare. Câmpul magnetic generat interacționează cu magneții permanenți ai statorului, ceea ce pune în mișcare arborele. Ele se calculează după formula pentru puterea motorului electric prin curent, pentru care se iau randamentul și factorul de putere, inclusiv toate caracteristicile dinamice ale arborelui.
Rulmenții sunt amplasați pe arborele rotorului și contribuie la rotația acestuia în jurul axei sale. Partea exterioară sunt atașate la carcasa motorului. Arborele trece prin ele și iese. Deoarece sarcina depășește zona de lucru a rulmenților, aceasta se numește surpântătoare.
Statorul este un element fix al circuitului electromagnetic al motorului. Poate include magneți înfășurați sau permanenți. Miezul statorului este format din plăci subțiri de metal, care se numesc pachet de armătură. Este conceput pentru a reduce pierderile de energie, ceea ce se întâmplă adesea cu tijele solide.
Interferul de aer este distanța dintre rotor și stator. Un decalaj mic este eficient, deoarece afectează coeficientul scăzut de funcționare al motorului electric. Curentul de magnetizare crește odată cu dimensiunea spațiului. Prin urmare, ei încearcă întotdeauna să fie minim, dar la limite rezonabile. O distanță prea mică provoacă frecare și slăbire a elementelor de blocare.
Înfășurarea constă dintr-un fir de cupru asamblat într-o singură bobină. De obicei, așezat în jurul unui miez magnetizat moale, format din mai multe straturi de metal. Perturbarea câmpului de inducție are loc în acest momentcurent care trece prin firele de înfășurare. În acest moment, unitatea intră în modul de configurare explicit și implicit al polilor. În primul caz, câmpul magnetic al instalației creează o înfășurare în jurul piesei polare. În al doilea caz, fantele piesei polare a rotorului sunt dispersate în câmpul distribuit. Motorul cu stâlp umbrit are o înfășurare care suprimă perturbațiile magnetice.
Comutatorul este folosit pentru a comuta tensiunea de intrare. Este format din inele de contact situate pe arbore și izolate unele de altele. Curentul de armătură este aplicat periilor de contact ale comutatorului rotativ, ceea ce duce la o modificare a polarității și face ca rotorul să se rotească de la pol la pol. Dacă nu există tensiune, motorul se oprește. Mașinile moderne sunt echipate cu electronice suplimentare care controlează procesul de rotație.
Principiul de funcționare
Conform legii lui Arhimede, curentul din conductor creează un câmp magnetic în care acționează forța F1. Dacă un cadru metalic este realizat din acest conductor și plasat în câmp la un unghi de 90°, atunci marginile vor experimenta forțe direcționate în direcția opusă una față de alta. Ei creează un cuplu în jurul axei, care începe să o rotească. Bobinele de armătură asigură torsiune constantă. Câmpul este creat de magneți electrici sau permanenți. Prima opțiune este realizată sub forma unei bobine pe un miez de oțel. Astfel, curentul buclei generează un câmp de inducție în înfășurarea electromagnetului, care generează un electromotor.forță.
Să luăm în considerare mai detaliat funcționarea motoarelor asincrone folosind exemplul instalațiilor cu rotor de fază. Astfel de mașini funcționează pe curent alternativ cu o viteză a armăturii care nu este egală cu pulsația câmpului magnetic. Prin urmare, ele sunt numite și inductive. Rotorul este antrenat de interacțiunea curentului electric din bobine cu câmpul magnetic.
Când nu există tensiune în înfășurarea auxiliară, dispozitivul este în repaus. De îndată ce un curent electric apare pe contactele statorului, se formează un câmp magnetic constant în spațiu cu o ondulație de + F și -F. Poate fi reprezentat ca următoarea formulă:
pr=nrev=f1 × 60 ÷ p=n1
unde:
pr - numărul de rotații pe care le face câmpul magnetic în direcția înainte, rpm;
rev - numărul de spire ale câmpului în sens opus, rpm;
f1 - frecvența de ondulare a curentului electric, Hz;
p - numărul de poli;
1 - RPM total.
Experimentând pulsații de câmp magnetic, rotorul primește mișcarea inițială. Datorită impactului neuniform al fluxului, acesta va dezvolta un cuplu. Conform legii inducției, într-o înfășurare scurtcircuitată se formează o forță electromotoare, care generează un curent. Frecvența sa este proporțională cu alunecarea rotorului. Datorită interacțiunii curentului electric cu un câmp magnetic, se creează un cuplu pe arbore.
Există trei formule pentru calcularea performanțeiputerea unui motor electric asincron. Prin schimbare de fază folosiți
S=P ÷ cos (alfa), unde:
S este puterea aparentă măsurată în Volți-Amperi.
P - putere activă în wați.
alpha - schimbare de fază.
Puterea maximă se referă la indicatorul real, iar puterea activă este cea calculată.
Tipuri de motoare electrice
În funcție de sursa de alimentare, unitățile sunt împărțite în cele care funcționează de la:
- DC.
- AC.
Conform principiului de funcționare, ei, la rândul lor, se împart în:
- Colectionar.
- Supapă.
- Asincron.
- Sincron.
Motoarele de aerisire nu aparțin unei clase separate, deoarece dispozitivul lor este o variație a sistemului de antrenare a colectorului. Designul lor include un convertor electronic și un senzor de poziție a rotorului. De obicei sunt integrate împreună cu placa de control. Pe cheltuiala lor, are loc comutarea coordonată a armăturii.
Motoarele sincrone și asincrone funcționează exclusiv pe curent alternativ. Rotirea este controlată de electronice sofisticate. Asincronele sunt împărțite în:
- Trifazat.
- Cu două faze.
- Monofazat.
Formula teoretică pentru puterea unui motor electric trifazat atunci când este conectat la o stea sau o deltă
P=3Uf If cos(alpha).
Totuși, pentru tensiune și curent liniar arată astfel
P=1, 73 × Uf × If × cos(alfa).
Acesta va fi un indicator real al puteriimotorul pornește din rețea.
Synchronous subdivizat în:
- Pas.
- Hibrid.
- Inductor.
- Histerezis.
- Reactiv.
Motoarele pas cu pas au magneți permanenți în design, deci nu sunt clasificate ca o categorie separată. Funcționarea mecanismelor este controlată cu ajutorul convertoarelor de frecvență. Există, de asemenea, motoare universale care funcționează pe AC și DC.
Caracteristicile generale ale motoarelor
Toate motoarele au parametri comuni care sunt utilizați în formula pentru determinarea puterii unui motor electric. Pe baza acestora, puteți calcula proprietățile mașinii. În literatură diferită, ele pot fi numite diferit, dar înseamnă același lucru. Lista acestor parametri include:
- Cuplu.
- Puterea motorului.
- Eficiență.
- Număr nominal de rotații.
- Moment de inerție al rotorului.
- Tensiune nominală.
- Constantă de timp electrică.
Parametrii de mai sus sunt necesari, in primul rand, pentru a determina randamentul instalatiilor electrice alimentate de forta mecanica a motoarelor. Valorile calculate oferă doar o idee aproximativă a caracteristicilor reale ale produsului. Cu toate acestea, acești indicatori sunt adesea folosiți în formula pentru puterea motorului electric. Ea este cea care determină eficiența mașinilor.
Cuplu
Acest termen are mai multe sinonime: moment de forță, moment motor, cuplu, cuplu. Toate sunt folosite pentru a desemna un indicator, deși din punct de vedere al fizicii, aceste concepte nu sunt întotdeauna identice.
Pentru a unifica terminologia, au fost dezvoltate standarde care aduc totul într-un singur sistem. Prin urmare, în documentația tehnică, expresia „cuplu” este întotdeauna folosită. Este o mărime fizică vectorială, care este egală cu produsul valorilor vectoriale ale forței și razei. Vectorul rază este trasat de la axa de rotație până la punctul de forță aplicată. Din punct de vedere fizic, diferența dintre cuplul și momentul de rotație constă în punctul de aplicare al forței. În primul caz, acesta este un efort intern, în al doilea - unul extern. Valoarea se măsoară în newtoni metri. Cu toate acestea, formula puterii motorului folosește cuplul ca valoare de bază.
Se calculează ca
M=F × r unde:
M - cuplu, Nm;
F - forța aplicată, H;
r - raza, m.
Pentru a calcula cuplul nominal al actuatorului, utilizați formula
Mnom=30Rnom ÷ pi × nnom, unde:
Rnom - puterea nominală a motorului electric, W;
nnom - viteza nominală, min-1.
În consecință, formula pentru puterea nominală a motorului electric ar trebui să arate astfel:
Pnom=Mnom pinnom / 30.
De obicei, toate caracteristicile sunt indicate în specificație. Dar se întâmplă să lucrezi cu instalații complet noi,informații despre care este foarte greu de găsit. Pentru a calcula parametrii tehnici ai unor astfel de dispozitive, sunt luate datele analogilor lor. De asemenea, se cunosc întotdeauna doar caracteristicile nominale, care sunt date în caietul de sarcini. Datele reale trebuie calculate singur.
Puterea motorului
În sens general, acest parametru este o mărime fizică scalară, care se exprimă în rata de consum sau transformare a energiei sistemului. Arată cât de multă muncă va efectua mecanismul într-o anumită unitate de timp. În electrotehnică, caracteristica afișează puterea mecanică utilă pe arborele central. Pentru a indica indicatorul se folosește litera P sau W. Unitatea principală de măsură este Watt. Formula generală de calcul a puterii unui motor electric poate fi reprezentată ca:
P=dA ÷ dt unde:
A - lucru mecanic (util) (energie), J;
t - timp scurs, sec.
Munca mecanică este, de asemenea, o mărime fizică scalară, exprimată prin acțiunea unei forțe asupra unui obiect și în funcție de direcția și deplasarea acestui obiect. Este produsul dintre vectorul forță și calea:
dA=F × ds unde:
s - distanța parcursă, m.
Exprimă distanța pe care o va depăși un punct de forță aplicată. Pentru mișcările de rotație, se exprimă ca:
ds=r × d(teta), unde:
teta - unghi de rotație, rad.
În acest fel puteți calcula frecvența unghiulară de rotație a rotorului:
omega=d(teta) ÷ dt.
Din aceasta rezultă formula pentru puterea motorului electric pe arbore: P \u003d M ×omega.
Eficiența motorului electric
Eficiența este o caracteristică care reflectă eficiența sistemului la transformarea energiei în energie mecanică. Este exprimată ca raportul dintre energia utilă și energia consumată. Conform sistemului unificat de unități de măsură, acesta este desemnat „eta” și este o valoare adimensională, calculată ca procent. Formula pentru randamentul unui motor electric din punct de vedere al puterii:
eta=P2 ÷ P1 unde:
P1 - putere electrică (de alimentare), W;
P2 - putere utilă (mecanică), W;
Poate fi exprimat și ca:
eta=A ÷ Q × 100%, unde:
A - lucrare utilă, J;
Q - energie cheltuită, J.
Mai des, coeficientul este calculat folosind formula pentru consumul de energie al unui motor electric, deoarece acești indicatori sunt întotdeauna mai ușor de măsurat.
Scăderea randamentului motorului electric se datorează:
- Pierderi electrice. Acest lucru are loc ca urmare a încălzirii conductoarelor din trecerea curentului prin ei.
- Pierdere magnetică. Datorită magnetizării excesive a miezului, apar histerezis și curenți turbionari, ceea ce este important de luat în considerare în formula puterii motorului.
- Pierdere mecanică. Acestea sunt legate de frecare și ventilație.
- Pierderi suplimentare. Ele apar datorită armonicilor câmpului magnetic, deoarece statorul și rotorul sunt dințate. De asemenea, în înfășurare există armonici mai mari ale forței magnetomotoare.
De remarcat faptul că eficiența este una dintre cele mai importante componenteformule pentru calcularea puterii unui motor electric, deoarece vă permite să obțineți numere care sunt cele mai apropiate de realitate. În medie, această cifră variază de la 10% la 99%. Depinde de designul mecanismului.
Număr nominal de rotații
Un alt indicator cheie al caracteristicilor electromecanice ale motorului este turația arborelui. Se exprimă în rotații pe minut. Adesea este folosit în formula de putere a motorului pompei pentru a-i afla performanța. Dar trebuie amintit că indicatorul este întotdeauna diferit pentru ralanti și lucrul sub sarcină. Indicatorul reprezintă o valoare fizică egală cu numărul de rotații complete pentru o anumită perioadă de timp.
Formula de calcul
RPM:
n=30 × omega ÷ pi unde:
n - turația motorului, rpm.
Pentru a afla puterea motorului electric conform formulei pentru viteza arborelui, este necesar sa o aducem la calculul vitezei unghiulare. Deci P=M × omega ar arăta astfel:
P=M × (2pi × n ÷ 60)=M × (n ÷ 9, 55) unde
t=60 de secunde.
Moment de inerție
Acest indicator este o mărime fizică scalară care reflectă o măsură a inerției mișcării de rotație în jurul propriei axe. În acest caz, masa corpului este valoarea inerției sale în timpul mișcării de translație. Caracteristica principală a parametrului este exprimată prin distribuția maselor corporale, care este egală cu suma produselor pătratului distanței de la axă la punctul de bază și a maselor obiectului. În Sistemul internațional de unitățimăsura este notat cu kg m2 și are este calculat prin formula:
J=∑ r2 × dm unde
J - moment de inerție, kg m2;
m - masa obiectului, kg.
Momentele de inerție și forțele sunt legate prin relația:
M - J × epsilon, unde
epsilon - accelerație unghiulară, s-2.
Indicatorul este calculat ca:
epsilon=d(omega) × dt.
Astfel, cunoscând masa și raza rotorului, puteți calcula parametrii de performanță ai mecanismelor. Formula de putere a motorului include toate aceste caracteristici.
Tensiune nominală
Se mai numește și nominal. Reprezintă tensiunea de bază, reprezentată de un set standard de tensiuni, care este determinată de gradul de izolare a echipamentelor electrice și a rețelei. În realitate, acesta poate diferi în diferite puncte ale echipamentului, dar nu trebuie să depășească condițiile maxime admise de funcționare, concepute pentru funcționarea continuă a mecanismelor.
Pentru instalațiile convenționale, tensiunea nominală se înțelege ca fiind valorile calculate pentru care sunt furnizate de dezvoltator în funcționare normală. Lista tensiunii standard de rețea este furnizată în GOST. Acești parametri sunt întotdeauna descriși în specificațiile tehnice ale mecanismelor. Pentru a calcula performanța, utilizați formula pentru puterea motorului electric în funcție de curent:
P=U × I.
Constanta de timp electric
Reprezintă timpul necesar pentru a atinge nivelul actual de până la 63% după punerea sub tensiuneînfăşurări de antrenare. Parametrul se datorează proceselor tranzitorii cu caracteristici electromecanice, deoarece acestea sunt trecătoare din cauza rezistenței active mari. Formula generală pentru calcularea constantei de timp este:
te=L ÷ R.
Cu toate acestea, constanta de timp electromecanică tm este întotdeauna mai mare decât constanta de timp electromagnetică te. rotorul accelerează la viteză zero la viteza maximă de ralanti. În acest caz, ecuația ia forma
M=Mst + J × (d(omega) ÷ dt), unde
Mst=0.
De aici obținem formula:
M=J × (d(omega) ÷ dt).
De fapt, constanta de timp electromecanica este calculata din cuplul de pornire - Mp. Un mecanism care funcționează în condiții ideale cu caracteristici rectilinie va avea formula:
M=Mp × (1 - omega ÷ omega0), unde
omega0 - viteza de mers în gol.
Astfel de calcule sunt utilizate în formula puterii motorului pompei atunci când cursa pistonului depinde direct de viteza arborelui.
Formule de bază pentru calcularea puterii motorului
Pentru a calcula caracteristicile reale ale mecanismelor, trebuie întotdeauna să țineți cont de mulți parametri. în primul rând, trebuie să știți ce curent este furnizat înfășurărilor motorului: direct sau alternativ. Principiul muncii lor este diferit, prin urmare, metoda de calcul este diferită. Dacă vizualizarea simplificată a calculului puterii de transmisie arată astfel:
Pel=U × I unde
I - puterea curentului, A;
U - tensiune, V;
Pel - energie electrică furnizată. mar.
În formula de putere a motorului de curent alternativ, defazarea (alfa) trebuie, de asemenea, luată în considerare. În consecință, calculele pentru o unitate asincronă arată astfel:
Pel=U × I × cos(alpha).
Pe lângă puterea activă (de alimentare), există și:
- S - reactiv, VA. S=P ÷ cos(alfa).
- Q - plin, VA. Q=I × U × sin(alfa).
Calculele trebuie să ia în considerare și pierderile termice și inductive, precum și frecarea. Prin urmare, un model cu formulă simplificată pentru un motor de curent continuu arată astfel:
Pel=Pmech + Rtep + Rind + Rtr, unde
Рmeh - putere utilă generată, W;
Rtep - pierderi de căldură, W;
Rind - costul de încărcare în bobina de inducție, W;
RT - pierdere din cauza frecării, W.
Concluzie
Motoarele electrice sunt folosite în aproape toate domeniile vieții umane: în viața de zi cu zi, în producție. Pentru utilizarea corectă a unității, este necesar să se cunoască nu numai caracteristicile sale nominale, ci și pe cele reale. Acest lucru îi va crește eficiența și va reduce costurile.
