V elektromechanike existuje veľa pohonov, ktoré pracujú s konštantným zaťažením bez zmeny rýchlosti otáčania. Používajú sa v priemyselných a domácich zariadeniach ako sú ventilátory, kompresory a iné. Ak nominálne charakteristiky nie sú známe, potom sa na výpočty použije vzorec pre výkon elektromotora. Výpočty parametrov sú obzvlášť dôležité pre nové a málo známe pohony. Výpočet sa vykonáva pomocou špeciálnych koeficientov, ako aj na základe nahromadených skúseností s podobnými mechanizmami. Údaje sú nevyhnutné pre správnu činnosť elektrických inštalácií.
Čo je elektrický motor?
Elektromotor je zariadenie, ktoré premieňa elektrickú energiu na mechanickú energiu. Činnosť väčšiny jednotiek závisí od interakcie magnetupolia s vinutím rotora, čo sa prejavuje jeho rotáciou. Pracujú zo zdrojov jednosmerného alebo striedavého prúdu. Zdrojom energie môže byť batéria, menič alebo elektrická zásuvka. V niektorých prípadoch motor pracuje naopak, to znamená, že premieňa mechanickú energiu na elektrickú energiu. Takéto inštalácie sú široko používané v elektrárňach poháňaných prúdom vzduchu alebo vody.
Elektromotory sú klasifikované podľa typu zdroja energie, vnútornej konštrukcie, aplikácie a výkonu. Tiež AC pohony môžu mať špeciálne kefy. Pracujú na jednofázové, dvojfázové alebo trojfázové napätie, sú chladené vzduchom alebo kvapalinou. Vzorec výkonu striedavého motora
P=U x I, kde P je výkon, U je napätie, I je prúd.
Pohony na všeobecné použitie sa svojou veľkosťou a charakteristikami používajú v priemysle. Najväčšie motory s výkonom viac ako 100 megawattov sa používajú v elektrárňach lodí, kompresorových a čerpacích staniciach. Menšie veľkosti sa používajú v domácich spotrebičoch, ako je vysávač alebo ventilátor.
Konštrukcia elektrického motora
Pohon zahŕňa:
- Rotor.
- Stator.
- Ložiská.
- Vzduchová medzera.
- Navíjanie.
- Prepnúť.
Rotor je jediná pohyblivá časť pohonu, ktorá sa otáča okolo vlastnej osi. Prúd prechádzajúci vodičmivytvára indukčné rušenie vo vinutí. Generované magnetické pole interaguje s permanentnými magnetmi statora, čo uvádza hriadeľ do pohybu. Vypočítavajú sa podľa vzorca pre výkon elektromotora prúdom, pre ktorý sa berie účinnosť a účinník vrátane všetkých dynamických charakteristík hriadeľa.
Ložiská sú umiestnené na hriadeli rotora a prispievajú k jeho otáčaniu okolo jeho osi. Vonkajšia časť je pripevnená k krytu motora. Hriadeľ prechádza cez ne a von. Keďže zaťaženie presahuje pracovnú oblasť ložísk, nazýva sa to previsnuté.
Stator je pevným prvkom elektromagnetického obvodu motora. Môže obsahovať vinutie alebo permanentné magnety. Jadro statora je vyrobené z tenkých kovových dosiek, ktoré sa nazývajú balík kotvy. Je navrhnutý tak, aby znížil stratu energie, ku ktorej často dochádza pri pevných tyčiach.
Vzduchová medzera je vzdialenosť medzi rotorom a statorom. Malá medzera je účinná, pretože ovplyvňuje nízky koeficient prevádzky elektromotora. Magnetizačný prúd sa zvyšuje s veľkosťou medzery. Preto sa vždy snažia, aby to bolo minimálne, ale v rozumných medziach. Príliš malá vzdialenosť spôsobuje trenie a uvoľnenie uzamykacích prvkov.
Vinutie pozostáva z medeného drôtu zostaveného do jednej cievky. Zvyčajne položené okolo mäkkého magnetizovaného jadra, pozostávajúceho z niekoľkých vrstiev kovu. Momentálne dochádza k poruche indukčného poľaprúd prechádzajúci drôtmi vinutia. V tomto bode jednotka vstúpi do režimu explicitnej a implicitnej konfigurácie pólov. V prvom prípade magnetické pole inštalácie vytvára vinutie okolo pólového nástavca. V druhom prípade sú štrbiny pólového nástavca rotora rozptýlené v rozloženom poli. Motor s tieňovaným pólom má vinutie, ktoré potláča magnetické rušenie.
Prepínač sa používa na prepínanie vstupného napätia. Pozostáva z kontaktných krúžkov umiestnených na hriadeli a navzájom izolovaných. Prúd kotvy sa privádza na kontaktné kefy rotačného komutátora, čo vedie k zmene polarity a spôsobuje rotáciu rotora od pólu k pólu. Ak nie je napätie, motor sa prestane točiť. Moderné stroje sú vybavené dodatočnou elektronikou, ktorá riadi proces otáčania.
Princíp fungovania
Podľa Archimedovho zákona prúd vo vodiči vytvára magnetické pole, v ktorom pôsobí sila F1. Ak je kovový rám vyrobený z tohto vodiča a umiestnený v poli pod uhlom 90 °, potom budú okraje vystavené silám smerovaným v opačnom smere voči sebe navzájom. Vytvárajú krútiaci moment okolo osi, ktorá ju začne otáčať. Cievky kotvy poskytujú konštantné krútenie. Pole vytvárajú elektrické alebo permanentné magnety. Prvá možnosť je vyrobená vo forme vinutia cievky na oceľovom jadre. Slučkový prúd teda generuje vo vinutí elektromagnetu indukčné pole, ktoré generuje elektromotorsila.
Pozrime sa podrobnejšie na prevádzku asynchrónnych motorov na príklade inštalácií s fázovým rotorom. Takéto stroje pracujú na striedavý prúd s rýchlosťou kotvy, ktorá sa nerovná pulzácii magnetického poľa. Preto sa nazývajú aj indukčné. Rotor je poháňaný interakciou elektrického prúdu v cievkach s magnetickým poľom.
Ak v pomocnom vinutí nie je žiadne napätie, zariadenie je v pokoji. Akonáhle sa na kontaktoch statora objaví elektrický prúd, vytvorí sa magnetické pole konštantné v priestore so zvlnením + F a -F. Môže byť vyjadrený nasledujúcim vzorcom:
pr=nrev=f1 × 60 ÷ p=n1
kde:
pr - počet otáčok, ktoré magnetické pole vykoná v smere dopredu, ot./min.;
rev - počet otáčok poľa v opačnom smere, otáčky za minútu;
f1 - frekvencia zvlnenia elektrického prúdu, Hz;
p - počet pólov;
1 – celkové PPM.
Zažívajúc pulzácie magnetického poľa, rotor dostane počiatočný pohyb. V dôsledku nerovnomerného dopadu toku vyvinie krútiaci moment. Podľa indukčného zákona vzniká v skratovanom vinutí elektromotorická sila, ktorá generuje prúd. Jeho frekvencia je úmerná sklzu rotora. V dôsledku interakcie elektrického prúdu s magnetickým poľom vzniká krútiaci moment hriadeľa.
Na výpočet výkonnosti existujú tri vzorcevýkon asynchrónneho elektromotora. Použitím fázového posunu
S=P ÷ cos (alfa), kde:
S je zdanlivý výkon meraný vo voltampéroch.
P – aktívny výkon vo wattoch.
alfa - fázový posun.
Plný výkon sa vzťahuje na skutočný indikátor a aktívny výkon je vypočítaný.
Typy elektromotorov
Podľa zdroja energie sa pohony delia na tie, ktoré fungujú od:
- DC.
- AC.
Podľa princípu fungovania sa delia na:
- Zberateľ.
- Ventil.
- Asynchrónne.
- Synchrónne.
Vent motory nepatria do samostatnej triedy, pretože ich zariadenie je variáciou pohonu kolektora. Ich konštrukcia obsahuje elektronický menič a snímač polohy rotora. Zvyčajne sú integrované spolu s riadiacou doskou. Na ich náklady dochádza ku koordinovanému spínaniu kotvy.
Synchrónne a asynchrónne motory bežia výlučne na striedavý prúd. Otáčanie riadi sofistikovaná elektronika. Asynchrónne sa delia na:
- Trojfázový.
- Dvojfázové.
- Jednofázový.
Teoretický vzorec pre výkon trojfázového elektromotora pri zapojení do hviezdy alebo trojuholníka
P=3Uf If cos(alpha).
Pre lineárne napätie a prúd to však vyzerá takto
P=1, 73 × Uf × If × cos(alpha).
Toto bude skutočný ukazovateľ výkonumotor naberá zo siete.
Synchrónne rozdelené na:
- Krok.
- Hybrid.
- Induktor.
- Hysterézia.
- Reaktívny.
Krokové motory majú vo svojej konštrukcii permanentné magnety, takže nie sú klasifikované ako samostatná kategória. Činnosť mechanizmov je riadená pomocou frekvenčných meničov. Existujú tiež univerzálne motory, ktoré fungujú na striedavý a jednosmerný prúd.
Všeobecné charakteristiky motorov
Všetky motory majú spoločné parametre, ktoré sa používajú vo vzorci na určenie výkonu elektromotora. Na základe nich môžete vypočítať vlastnosti stroja. V rôznych literatúrach sa môžu nazývať rôzne, ale znamenajú to isté. Zoznam takýchto parametrov obsahuje:
- Krútiaci moment.
- Výkon motora.
- Efektívnosť.
- Menovitý počet otáčok.
- Moment zotrvačnosti rotora.
- Menovité napätie.
- Elektrická časová konštanta.
Vyššie uvedené parametre sú potrebné predovšetkým na určenie účinnosti elektrických inštalácií poháňaných mechanickou silou motorov. Vypočítané hodnoty poskytujú len približnú predstavu o skutočných vlastnostiach produktu. Tieto ukazovatele sa však často používajú vo vzorci pre výkon elektromotora. Je to ona, kto určuje efektivitu strojov.
Krútiaci moment
Tento výraz má niekoľko synoným: moment sily, moment motora, krútiaci moment, krútiaci moment. Všetky sa používajú na označenie jedného indikátora, hoci z hľadiska fyziky nie sú tieto pojmy vždy totožné.
S cieľom zjednotiť terminológiu boli vyvinuté štandardy, ktoré všetko spájajú do jedného systému. Preto sa v technickej dokumentácii vždy používa spojenie "krútiaci moment". Je to vektorová fyzikálna veličina, ktorá sa rovná súčinu vektorových hodnôt sily a polomeru. Vektor polomeru je nakreslený z osi rotácie do bodu aplikovanej sily. Z fyzikálneho hľadiska je rozdiel medzi krútiacim momentom a rotačným momentom v mieste pôsobenia sily. V prvom prípade ide o vnútorné úsilie, v druhom o vonkajšie. Hodnota sa meria v newtonmetroch. Vzorec výkonu motora však používa krútiaci moment ako základnú hodnotu.
Vypočíta sa ako
M=F × r kde:
M - krútiaci moment, Nm;
F - použitá sila, H;
r – polomer, m.
Na výpočet menovitého krútiaceho momentu pohonu použite vzorec
Mnom=30Rnom ÷ pi × nnom, kde:
Rnom - menovitý výkon elektromotora, W;
nnom - nominálna rýchlosť, min-1.
V súlade s tým by vzorec pre menovitý výkon elektromotora mal vyzerať takto:
Pnom=Mnom pinnom / 30.
Zvyčajne sú všetky charakteristiky uvedené v špecifikácii. Stáva sa však, že musíte pracovať s úplne novými inštaláciami,informácie, ktoré je veľmi ťažké nájsť. Na výpočet technických parametrov takýchto zariadení sa berú údaje o ich analógoch. Taktiež sú vždy známe len nominálne charakteristiky, ktoré sú uvedené v špecifikácii. Skutočné údaje si musíte vypočítať sami.
Výkon motora
Vo všeobecnom zmysle je tento parameter skalárna fyzikálna veličina, ktorá je vyjadrená rýchlosťou spotreby alebo transformácie energie systému. Ukazuje, koľko práce mechanizmus vykoná za určitú jednotku času. V elektrotechnike charakteristika zobrazuje užitočnú mechanickú silu na centrálnom hriadeli. Na označenie indikátora sa používa písmeno P alebo W. Hlavnou jednotkou merania je Watt. Všeobecný vzorec na výpočet výkonu elektrického motora môže byť reprezentovaný ako:
P=dA ÷ dt kde:
A - mechanická (užitočná) práca (energia), J;
t – uplynulý čas, sek.
Mechanická práca je tiež skalárna fyzikálna veličina, vyjadrená pôsobením sily na predmet a v závislosti od smeru a posunutia tohto predmetu. Je to súčin vektora sily a cesty:
dA=F × ds kde:
s – prejdená vzdialenosť, m.
Vyjadruje vzdialenosť, ktorú prekoná bod aplikovanej sily. Pre rotačné pohyby je vyjadrené ako:
ds=r × d(teta), kde:
teta - uhol natočenia, rad.
Týmto spôsobom môžete vypočítať uhlovú frekvenciu otáčania rotora:
omega=d(teta) ÷ dt.
Z toho vyplýva vzorec pre výkon elektromotora na hriadeli: P \u003d M ×omega.
Účinnosť elektromotora
Účinnosť je charakteristika, ktorá odráža účinnosť systému pri premene energie na mechanickú energiu. Vyjadruje sa ako pomer užitočnej energie k vynaloženej energii. Podľa jednotného systému meracích jednotiek sa označuje ako „eta“a ide o bezrozmernú hodnotu, vypočítanú v percentách. Vzorec pre účinnosť elektrického motora z hľadiska výkonu:
eta=P2 ÷ P1 kde:
P1 - elektrický (napájací) výkon, W;
P2 - užitočný (mechanický) výkon, W;
Môže byť vyjadrené aj ako:
eta=A ÷ Q × 100 %, kde:
A – užitočná práca, J;
Q – vynaložená energia, J.
Častejšie sa koeficient počíta pomocou vzorca pre spotrebu energie elektromotora, keďže tieto ukazovatele sa vždy ľahšie merajú.
Pokles účinnosti elektromotora je spôsobený:
- Elektrické straty. K tomu dochádza v dôsledku zahrievania vodičov pri prechode prúdu cez ne.
- Magnetická strata. V dôsledku nadmernej magnetizácie jadra sa objavuje hysterézia a vírivé prúdy, čo je dôležité vziať do úvahy vo vzorci výkonu motora.
- Mechanická strata. Súvisia s trením a vetraním.
- Dodatočné straty. Objavujú sa v dôsledku harmonických zložiek magnetického poľa, pretože stator a rotor sú ozubené. Aj vo vinutí sú vyššie harmonické magnetomotorickej sily.
Treba si uvedomiť, že efektivita je jednou z najdôležitejších zložiekvzorce na výpočet výkonu elektromotora, keďže umožňuje získať čísla, ktoré sú najbližšie realite. V priemere sa toto číslo pohybuje od 10 % do 99 %. Závisí to od konštrukcie mechanizmu.
Menovitý počet otáčok
Ďalším kľúčovým ukazovateľom elektromechanických charakteristík motora sú otáčky hriadeľa. Vyjadruje sa v otáčkach za minútu. Často sa používa vo vzorci výkonu motora čerpadla na zistenie jeho výkonu. Treba však pamätať na to, že indikátor je vždy iný pre voľnobeh a prácu pod zaťažením. Indikátor predstavuje fyzickú hodnotu rovnajúcu sa počtu úplných otáčok za určité časové obdobie.
Vzorec výpočtu RPM:
n=30 × omega ÷ pi kde:
n - otáčky motora, otáčky za minútu.
Na zistenie výkonu elektromotora podľa vzorca pre otáčky hriadeľa je potrebné priviesť ho k výpočtu uhlovej rýchlosti. Takže P=M × omega by vyzeralo takto:
P=M × (2pi × n ÷ 60)=M × (n ÷ 9, 55) kde
t=60 sekúnd.
Moment zotrvačnosti
Tento indikátor je skalárna fyzikálna veličina, ktorá odráža mieru zotrvačnosti rotačného pohybu okolo vlastnej osi. V tomto prípade je hmotnosť telesa hodnotou jeho zotrvačnosti počas translačného pohybu. Hlavná charakteristika parametra je vyjadrená rozdelením telesných hmotností, ktoré sa rovná súčtu súčinov druhej mocniny vzdialenosti od osi k základnému bodu a hmotností objektu. V Medzinárodnej sústave jednotiekmeranie je označené ako kg m2 a má sa vypočíta podľa vzorca:
J=∑ r2 × dm kde
J - moment zotrvačnosti, kg m2;
m - hmotnosť objektu, kg.
Momenty zotrvačnosti a sily súvisia so vzťahom:
M – J × epsilon, kde
epsilon - uhlové zrýchlenie, s-2.
Ukazovateľ sa vypočíta takto:
epsilon=d(omega) × dt.
Keď teda poznáte hmotnosť a polomer rotora, môžete vypočítať výkonové parametre mechanizmov. Vzorec výkonu motora zahŕňa všetky tieto charakteristiky.
Menovité napätie
Nazýva sa aj nominálny. Predstavuje základné napätie, reprezentované štandardným súborom napätí, ktoré je určené stupňom izolácie elektrického zariadenia a siete. V skutočnosti sa môže líšiť na rôznych miestach zariadenia, ale nemalo by prekročiť maximálne prípustné prevádzkové podmienky, určené na nepretržitú prevádzku mechanizmov.
Pre konvenčné inštalácie sa menovitým napätím rozumejú vypočítané hodnoty, pre ktoré sú poskytnuté vývojárom v bežnej prevádzke. Zoznam štandardného sieťového napätia je uvedený v GOST. Tieto parametre sú vždy popísané v technických špecifikáciách mechanizmov. Na výpočet výkonu použite vzorec pre výkon elektromotora podľa prúdu:
P=U × I.
Elektrická časová konštanta
Predstavuje čas potrebný na dosiahnutie aktuálnej úrovne až do 63 % po zapnutí napájaniahnacie vinutia. Tento parameter je spôsobený prechodnými procesmi elektromechanických charakteristík, pretože sú pominuteľné kvôli veľkému aktívnemu odporu. Všeobecný vzorec na výpočet časovej konštanty je:
te=L ÷ R.
Elektromechanická časová konštanta tm je však vždy väčšia ako elektromagnetická časová konštanta te. rotor zrýchľuje pri nulovej rýchlosti na maximálne voľnobežné otáčky. V tomto prípade má rovnica tvar
M=Mst + J × (d(omega) ÷ dt), kde
Mst=0.
Odtiaľto dostaneme vzorec:
M=J × (d(omega) ÷ dt).
V skutočnosti je elektromechanická časová konštanta vypočítaná z počiatočného krútiaceho momentu - Mp. Mechanizmus fungujúci za ideálnych podmienok s priamočiarymi charakteristikami bude mať vzorec:
M=Mp × (1 - omega ÷ omega0), kde
omega0 - voľnobežné otáčky.
Takéto výpočty sa používajú vo vzorci výkonu motora čerpadla, keď zdvih piesta priamo závisí od rýchlosti hriadeľa.
Základné vzorce na výpočet výkonu motora
Na výpočet skutočných charakteristík mechanizmov musíte vždy vziať do úvahy veľa parametrov. v prvom rade musíte vedieť, aký prúd sa dodáva do vinutí motora: priamy alebo striedavý. Princíp ich práce je odlišný, preto je spôsob výpočtu odlišný. Ak zjednodušený pohľad na výpočet výkonu pohonu vyzerá takto:
Pel=U × I kde
I - sila prúdu, A;
U - napätie, V;
Pel - dodávaná elektrická energia. Ut.
Vo vzorci výkonu striedavého motora sa musí brať do úvahy aj fázový posun (alfa). Podľa toho výpočty pre asynchrónny pohon vyzerajú takto:
Pel=U × I × cos(alfa).
Okrem aktívneho (napájacieho) napájania je tu tiež:
- S - reaktívne, VA. S=P ÷ cos(alfa).
- Q – plná, VA. Q=I × U × sin(alfa).
Výpočty musia brať do úvahy aj tepelné a indukčné straty, ako aj trenie. Preto zjednodušený model vzorca pre jednosmerný motor vyzerá takto:
Pel=Pmech + Rtep + Rind + Rtr, kde
Рmeh - užitočná generovaná energia, W;
Rtep - tepelné straty, W;
Rind – náklady na nabíjanie v indukčnej cievke, W;
RT – strata v dôsledku trenia, W.
Záver
Elektromotory sa používajú takmer vo všetkých oblastiach ľudského života: v každodennom živote, vo výrobe. Pre správne používanie pohonu je potrebné poznať nielen jeho nominálne charakteristiky, ale aj tie skutočné. Zvýši sa tým jeho efektívnosť a znížia sa náklady.
