Мощност на двигателя: формула, правила за изчисление, видове и класификация на електрически двигатели

2024 Автор: Angel Austin | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-02 17:41

В електромеханиката има много задвижвания, които работят с постоянни натоварвания, без да променят скоростта на въртене. Използват се в промишлено и битово оборудване като вентилатори, компресори и други. Ако номиналните характеристики са неизвестни, тогава за изчисления се използва формулата за мощността на електродвигателя. Изчисленията на параметри са особено подходящи за нови и малко познати задвижвания. Изчислението се извършва с помощта на специални коефициенти, както и въз основа на натрупан опит с подобни механизми. Данните са от съществено значение за правилната работа на електрическите инсталации.

Какво е електрически двигател?

Електрическият двигател е устройство, което преобразува електрическата енергия в механична. Работата на повечето агрегати зависи от взаимодействието на магнитаполета с намотката на ротора, което се изразява в нейното въртене. Те работят от DC или AC източници на захранване. Захранването може да бъде батерия, инвертор или контакт. В някои случаи двигателят работи на заден ход, тоест преобразува механичната енергия в електрическа. Такива инсталации се използват широко в електроцентрали, захранвани от въздушен или воден поток.

Електрическите двигатели се класифицират според типа източник на захранване, вътрешен дизайн, приложение и мощност. Също така, AC устройствата могат да имат специални четки. Те работят на еднофазно, двуфазно или трифазно напрежение, охлаждат се с въздух или течност. Формула за мощност на двигателя с променлив ток

P=U x I, където P е мощност, U е напрежение, I е ток.

Задвижванията с общо предназначение с техния размер и характеристики се използват в индустрията. Най-големите двигатели с мощност над 100 мегавата се използват в електроцентралите на кораби, компресорни и помпени станции. По-малки размери се използват в домакински уреди като прахосмукачка или вентилатор.

Дизайн на електрически мотор

Drive включва:

Ротор.
Статор.
Лагери.
Въздушна междина.
Навиване.
Превключване.

Роторът е единствената движеща се част от задвижването, която се върти около собствената си ос. Ток, преминаващ през проводнициобразува индуктивно смущение в намотката. Генерираното магнитно поле взаимодейства с постоянните магнити на статора, което привежда вала в движение. Те се изчисляват по формулата за мощността на електродвигателя по ток, за която се вземат КПД и коефициент на мощност, включително всички динамични характеристики на вала.

Лагерите са разположени на вала на ротора и допринасят за неговото въртене около оста му. Външната част те са прикрепени към корпуса на двигателя. Валът минава през тях и излиза навън. Тъй като натоварването надхвърля работната зона на лагерите, то се нарича надвесно.

Статорът е фиксиран елемент от електромагнитната верига на двигателя. Може да включва навиване или постоянни магнити. Ядрото на статора е направено от тънки метални плочи, които се наричат арматурен пакет. Той е проектиран да намали загубата на енергия, което често се случва с твърди пръти.

Въздушната междина е разстоянието между ротора и статора. Малка междина е ефективна, тъй като засяга ниския коефициент на работа на електродвигателя. Токът на намагнитване се увеличава с размера на пролуката. Затова винаги се опитват да го направят минимално, но в разумни граници. Твърде малкото разстояние причинява триене и разхлабване на заключващите елементи.

Намотката се състои от меден проводник, сглобен в една намотка. Обикновено се полага около мека магнитна сърцевина, състояща се от няколко слоя метал. В момента възниква смущението на индукционното полеток, преминаващ през проводниците на намотката. В този момент уредът влиза в режим на изрична и неявна конфигурация на полюса. В първия случай магнитното поле на инсталацията създава намотка около полюсния елемент. Във втория случай, процепите на полюсната част на ротора са разпръснати в разпределеното поле. Моторът с сенчести полюси има намотка, която потиска магнитните смущения.

Превключвателят се използва за превключване на входното напрежение. Състои се от контактни пръстени, разположени на вала и изолирани един от друг. Токът на котвата се подава към контактните четки на въртящия се комутатор, което води до промяна в полярността и кара ротора да се върти от полюс на полюс. Ако няма напрежение, двигателят спира да се върти. Съвременните машини са оборудвани с допълнителна електроника, която контролира процеса на въртене.

Принцип на действие

Съгласно закона на Архимед, токът в проводника създава магнитно поле, в което действа силата F1. Ако метална рамка е направена от този проводник и поставена в полето под ъгъл от 90 °, тогава ръбовете ще изпитват сили, насочени в обратна посока един спрямо друг. Те създават въртящ момент около оста, която започва да я върти. Намотките на котвата осигуряват постоянно усукване. Полето се създава от електрически или постоянни магнити. Първият вариант е направен под формата на намотка на намотка върху стоманена сърцевина. По този начин токът на контура генерира индукционно поле в намотката на електромагнита, което генерира електромотивсила.

Нека разгледаме по-подробно работата на асинхронните двигатели, като използваме примера на инсталации с фазов ротор. Такива машини работят на променлив ток със скорост на котвата, която не е равна на пулсацията на магнитното поле. Следователно те се наричат още индуктивни. Роторът се задвижва от взаимодействието на електрическия ток в намотките с магнитното поле.

Когато няма напрежение в спомагателната намотка, устройството е в покой. Веднага след като се появи електрически ток върху контактите на статора, се образува магнитно поле, постоянно в пространството с пулсации от + F и -F. Може да се представи като следната формула:

_pr=n_rev=f₁ × 60 ÷ p=n₁

къде:

_pr - броят на оборотите, които магнитното поле прави в посока напред, rpm;

_rev - брой завъртания на полето в обратна посока, rpm;

f₁ - честота на пулсации на електрическия ток, Hz;

p - брой полюси;

₁ - общ RPM.

Изпитвайки пулсации на магнитното поле, роторът получава първоначално движение. Поради неравномерното въздействие на потока той ще развие въртящ момент. Според закона на индукцията в късо съединена намотка се образува електродвижеща сила, която генерира ток. Честотата му е пропорционална на плъзгането на ротора. Поради взаимодействието на електрически ток с магнитно поле се създава въртящ момент на вала.

Има три формули за изчисления на производителносттамощност на асинхронен електродвигател. Използване на фазово изместване

S=P ÷ cos (алфа), където:

S е привидната мощност, измерена във волт-ампери.

P - активна мощност във ватове.

алфа - фазово изместване.

Пълната мощност се отнася до реалния индикатор, а активната мощност е изчислената.

Видове електрически двигатели

Според източника на захранване устройствата са разделени на тези, работещи от:

Според принципа на действие, те от своя страна са разделени на:

Колекционер.
клапан.
Асинхронен.
Синхронно.

Вентилационните двигатели не принадлежат към отделен клас, тъй като устройството им е вариант на колекторното задвижване. Техният дизайн включва електронен преобразувател и сензор за положение на ротора. Обикновено те са интегрирани заедно с таблото за управление. За тяхна сметка става координирано превключване на котвата.

Синхронните и асинхронните двигатели работят изключително на променлив ток. Въртенето се контролира от сложна електроника. Асинхронните са разделени на:

Трифазен.
Двуфазен.
Еднофазен.

Теоретична формула за мощността на трифазен електродвигател, когато е свързан към звезда или триъгълник

P=3U_f I_f cos(alpha).

Въпреки това, за линейно напрежение и ток изглежда така

P=1, 73 × U_f × I_f × cos(alpha).

Това ще бъде реален индикатор за това колко мощностдвигателят се вдига от мрежата.

Синхронно подразделено на:

Стъпка.
Хибрид.
индуктор.
Хистерезис.
Реактивен.

Стъперните двигатели имат постоянни магнити в дизайна си, така че не са класифицирани като отделна категория. Работата на механизмите се контролира с помощта на честотни преобразуватели. Има и универсални двигатели, които работят на AC и DC.

Общи характеристики на двигателите

Всички двигатели имат общи параметри, които се използват във формулата за определяне на мощността на електрически двигател. Въз основа на тях можете да изчислите свойствата на машината. В различната литература те могат да се наричат по различен начин, но означават едно и също нещо. Списъкът с такива параметри включва:

Въртящ момент.
Мощност на двигателя.
Ефективност.
Номинален брой обороти.
Момент на инерция на ротора.
Номинално напрежение.
Електрическа времева константа.

Гореописаните параметри са необходими преди всичко, за да се определи ефективността на електрическите инсталации, задвижвани от механичната сила на двигателите. Изчислените стойности дават само приблизителна представа за действителните характеристики на продукта. Тези показатели обаче често се използват във формулата за мощността на електродвигателя. Тя е тази, която определя ефективността на машините.

Въртящ момент

Този термин има няколко синонима: момент на сила, момент на двигателя, Въртящ момент, въртящ момент. Всички те се използват за обозначаване на един индикатор, въпреки че от гледна точка на физиката тези понятия не винаги са идентични.

За да се унифицира терминологията, са разработени стандарти, които обединяват всичко в една система. Следователно в техническата документация винаги се използва фразата "въртящ момент". Това е векторна физическа величина, която е равна на произведението на векторните стойности на сила и радиус. Радиус векторът се изтегля от оста на въртене до точката на приложена сила. От гледна точка на физиката разликата между въртящия момент и въртящия момент се крие в точката на приложение на силата. В първия случай това е вътрешно усилие, във втория - външно. Стойността се измерва в нютон метри. Формулата за мощност на двигателя обаче използва въртящ момент като основна стойност.

Изчислява се като

M=F × r където:

M - въртящ момент, Nm;

F - приложена сила, H;

r - радиус, m.

За да изчислите номиналния въртящ момент на задвижващия механизъм, използвайте формулата

Mnom=30R_nom ÷ pi × n_nom, където:

R_nom - номинална мощност на електродвигателя, W;

n_nom - номинална скорост, min^-1.

Съответно, формулата за номиналната мощност на електродвигателя трябва да изглежда така:

Pnom=M_nom pin_nom / 30.

Обикновено всички характеристики са посочени в спецификацията. Но се случва, че трябва да работите с напълно нови инсталации,информация, за която е много трудно да се намери. За да се изчислят техническите параметри на такива устройства, се вземат данните от техните аналози. Също така винаги са известни само номиналните характеристики, които са дадени в спецификацията. Реалните данни трябва да бъдат изчислени сами.

Мощност на двигателя

В общ смисъл този параметър е скаларна физическа величина, която се изразява в скоростта на потребление или трансформация на енергията на системата. Показва колко работа ще извърши механизмът за определена единица време. В електротехниката характеристиката показва полезната механична мощност на централния вал. За обозначаване на индикатора се използва буквата P или W. Основната мерна единица е ват. Общата формула за изчисляване на мощността на електродвигателя може да бъде представена като:

P=dA ÷ dt където:

A - механична (полезна) работа (енергия), J;

t - изминало време, сек.

Механичната работа също е скаларна физическа величина, изразена чрез действието на сила върху обект и в зависимост от посоката и преместването на този обект. Това е произведението на вектора на силата и пътя:

dA=F × ds където:

s - изминато разстояние, m.

Изразява разстоянието, което точка на приложена сила ще преодолее. За ротационни движения се изразява като:

ds=r × d(teta), където:

teta - ъгъл на въртене, рад.

По този начин можете да изчислите ъгловата честота на въртене на ротора:

omega=d(teta) ÷ dt.

От него следва формулата за мощността на електродвигателя на вала: P=M ×омега.

Ефективност на електрическия двигател

Ефективността е характеристика, която отразява ефективността на системата при преобразуване на енергията в механична енергия. Изразява се като съотношението на полезната енергия към изразходваната енергия. Съгласно единната система от мерни единици тя се обозначава като "ета" и е безразмерна стойност, изчислена като процент. Формулата за ефективността на електрическия двигател по отношение на мощността:

eta=P₂ ÷ P₁ където:

P₁ - електрическа (захранваща) мощност, W;

P₂ - полезна (механична) мощност, W;

Може да се изрази и като:

eta=A ÷ Q × 100%, където:

A - полезна работа, J;

Q - изразходвана енергия, J.

По-често коефициентът се изчислява по формулата за консумация на мощност на електродвигател, тъй като тези показатели винаги са по-лесни за измерване.

Намаляването на ефективността на електродвигателя се дължи на:

Електрически загуби. Това се получава в резултат на нагряването на проводниците от преминаването на ток през тях.
Магнитна загуба. Поради прекомерното намагнитване на сърцевината се появяват хистерезис и вихрови токове, което е важно да се вземе предвид при формулата за мощност на двигателя.
Механична загуба. Те са свързани с триене и вентилация.
Допълнителни загуби. Те се появяват поради хармониците на магнитното поле, тъй като статорът и роторът са назъбени. Също така в намотката има по-високи хармоници на магнитодвижещата сила.

Трябва да се отбележи, че ефективността е един от най-важните компонентиформули за изчисляване на мощността на електрически двигател, тъй като ви позволява да получите числа, които са най-близо до реалността. Средно тази цифра варира от 10% до 99%. Зависи от дизайна на механизма.

Номинален брой обороти

Друг ключов индикатор за електромеханичните характеристики на двигателя е скоростта на вала. Изразява се в обороти в минута. Често се използва във формулата за мощност на двигателя на помпата, за да се разбере нейната производителност. Но трябва да се помни, че индикаторът винаги е различен за празен ход и работа под натоварване. Индикаторът представлява физическа стойност, равна на броя на пълните обороти за определен период от време.

RPM формула за изчисление:

n=30 × omega ÷ pi където:

n - обороти на двигателя, об/мин.

За да се намери мощността на електродвигателя по формулата за скоростта на вала, е необходимо да се доведе до изчисляването на ъгловата скорост. Така P=M × омега ще изглежда така:

P=M × (2pi × n ÷ 60)=M × (n ÷ 9, 55) където

t=60 секунди.

Момент на инерция

Този индикатор е скаларна физическа величина, която отразява мярка за инерцията на въртеливото движение около собствената си ос. В този случай масата на тялото е стойността на неговата инерция по време на транслационно движение. Основната характеристика на параметъра се изразява чрез разпределението на телесните маси, което е равно на сумата от произведенията на квадрата на разстоянието от оста до базовата точка и масите на обекта. В Международната система от единициизмерването се обозначава като kg m² и се изчислява по формулата:

J=∑ r² × dm където

J - инерционен момент, kg m²;

m - маса на обекта, кг.

Моментите на инерция и силите са свързани чрез отношението:

M - J × епсилон, където

epsilon - ъглово ускорение, s^-2.

Индикаторът се изчислява като:

epsilon=d(omega) × dt.

По този начин, знаейки масата и радиуса на ротора, можете да изчислите параметрите на работата на механизмите. Формулата за мощност на двигателя включва всички тези характеристики.

Номинално напрежение

Нарича се още номинален. Представлява основното напрежение, представено от стандартен набор от напрежения, който се определя от степента на изолация на електрическото оборудване и мрежата. В действителност тя може да се различава в различните точки на оборудването, но не трябва да надвишава максимално допустимите работни условия, предназначени за непрекъсната работа на механизмите.

За конвенционални инсталации под номинално напрежение се разбират изчислените стойности, за които те са предоставени от разработчика при нормална работа. Списъкът на стандартното мрежово напрежение е предоставен в GOST. Тези параметри винаги са описани в техническите спецификации на механизмите. За да изчислите производителността, използвайте формулата за мощността на електродвигателя по ток:

P=U × I.

Електрическа времева константа

Означава времето, необходимо за достигане на текущото ниво до 63% след захранване назадвижващи намотки. Параметърът се дължи на преходни процеси на електромеханични характеристики, тъй като те са мимолетни поради голямото активно съпротивление. Общата формула за изчисляване на времевата константа е:

t_e=L ÷ R.

Въпреки това, електромеханичната времева константа t_m винаги е по-голяма от електромагнитната времева константа t_e. роторът ускорява при нулева скорост до максимална скорост на празен ход. В този случай уравнението приема формата

M=M_st + J × (d(omega) ÷ dt), където

M_st=0.

От тук получаваме формулата:

M=J × (d(omega) ÷ dt).

Всъщност, електромеханичната времева константа се изчислява от началния въртящ момент - M_p. Механизъм, работещ при идеални условия с праволинейни характеристики, ще има формулата:

M=M_p × (1 - омега ÷ омега₀), където

omega₀ - скорост на празен ход.

Такива изчисления се използват във формулата за мощност на двигателя на помпата, когато ходът на буталото директно зависи от скоростта на вала.

Основни формули за изчисляване на мощността на двигателя

За да изчислите реалните характеристики на механизмите, винаги трябва да вземете предвид много параметри. на първо място, трябва да знаете какъв ток се подава към намотките на двигателя: директен или променлив. Принципът на тяхната работа е различен, следователно методът на изчисление е различен. Ако опростеният изглед на изчисляването на мощността на задвижването изглежда така:

P_el=U × I, където

I - сила на тока, A;

U - напрежение, V;

P_el - доставяна електрическа енергия. вт.

В формулата за мощност на двигателя с променлив ток трябва да се вземе предвид и фазовото изместване (алфа). Съответно изчисленията за асинхронно устройство изглеждат така:

P_el=U × I × cos(alpha).

В допълнение към активното (захранващо) захранване има още:

S - реактивен, VA. S=P ÷ cos(алфа).
Q - пълен, VA. Q=I × U × sin(alpha).

Изчисленията също трябва да вземат предвид топлинните и индуктивните загуби, както и триенето. Следователно, моделът на опростена формула за DC двигател изглежда така:

P_el=Pmech + Rtep + Rind + Rtr, където

Рmeh - полезна генерирана мощност, W;

Rtep - загуба на топлина, W;

Кожа - цена на зареждане в индукционната намотка, W;

RT - загуба поради триене, W.

Заключение

Електрическите двигатели се използват в почти всички области на човешкия живот: в ежедневието, в производството. За правилното използване на задвижването е необходимо да се знаят не само номиналните му характеристики, но и реалните. Това ще повиши неговата ефективност и ще намали разходите.