W elektromechanice istnieje wiele napędów, które działają ze stałymi obciążeniami bez zmiany prędkości obrotowej. Znajdują zastosowanie w urządzeniach przemysłowych i domowych takich jak wentylatory, sprężarki i inne. Jeżeli znamionowa charakterystyka jest nieznana, do obliczeń wykorzystuje się wzór na moc silnika elektrycznego. Obliczenia parametrów są szczególnie istotne dla nowych i mało znanych napędów. Obliczenia wykonywane są przy użyciu specjalnych współczynników, a także na podstawie zgromadzonych doświadczeń z podobnymi mechanizmami. Dane są niezbędne do prawidłowego działania instalacji elektrycznych.
Co to jest silnik elektryczny?
Silnik elektryczny to urządzenie, które przekształca energię elektryczną w energię mechaniczną. Działanie większości jednostek zależy od oddziaływania pola magnetycznegopola z uzwojeniem wirnika, co wyraża się jego obrotem. Działają ze źródeł prądu stałego lub przemiennego. Zasilaniem może być bateria, falownik lub gniazdko elektryczne. W niektórych przypadkach silnik pracuje na odwrót, czyli zamienia energię mechaniczną na energię elektryczną. Takie instalacje są szeroko stosowane w elektrowniach zasilanych strumieniem powietrza lub wody.
Silniki elektryczne są klasyfikowane według typu źródła zasilania, konstrukcji wewnętrznej, zastosowania i mocy. Ponadto napędy prądu przemiennego mogą mieć specjalne szczotki. Pracują na napięciu jednofazowym, dwufazowym lub trójfazowym, są chłodzone powietrzem lub cieczą. Wzór na moc silnika AC
P=U x I, gdzie P to moc, U to napięcie, I to prąd.
Dyski ogólnego przeznaczenia z ich rozmiarami i charakterystykami są używane w przemyśle. Największe silniki o mocy ponad 100 megawatów stosowane są w elektrowniach statków, sprężarkach i przepompowniach. Mniejsze rozmiary są używane w urządzeniach gospodarstwa domowego, takich jak odkurzacz czy wentylator.
Konstrukcja silnika elektrycznego
Dysk zawiera:
- Wirnik.
- Stator.
- Łożyska.
- Przerwa powietrzna.
- Nawijanie.
- Przełącz.
Rotor to jedyna ruchoma część napędu, która obraca się wokół własnej osi. Prąd przepływający przez przewodytworzy zakłócenie indukcyjne w uzwojeniu. Wytworzone pole magnetyczne oddziałuje z magnesami trwałymi stojana, które wprawiają w ruch wał. Obliczane są według wzoru na moc silnika elektrycznego przez prąd, dla którego brana jest sprawność i współczynnik mocy, z uwzględnieniem wszystkich charakterystyk dynamicznych wału.
Łożyska są umieszczone na wale wirnika i przyczyniają się do jego obrotu wokół własnej osi. Zewnętrzna część są przymocowane do obudowy silnika. Wał przechodzi przez nie i wychodzi. Ponieważ obciążenie wykracza poza obszar roboczy łożysk, nazywa się to zwisem.
Stojan jest stałym elementem obwodu elektromagnetycznego silnika. Może zawierać uzwojenie lub magnesy trwałe. Rdzeń stojana jest wykonany z cienkich metalowych płyt, które nazywane są pakietem twornika. Został zaprojektowany w celu zmniejszenia strat energii, co często ma miejsce w przypadku prętów litych.
Szczelina powietrzna to odległość między wirnikiem a stojanem. Mała szczelina jest skuteczna, ponieważ wpływa na niski współczynnik pracy silnika elektrycznego. Prąd magnesujący wzrasta wraz z wielkością szczeliny. Dlatego zawsze starają się, aby było to minimalne, ale do rozsądnych granic. Zbyt mała odległość powoduje tarcie i poluzowanie elementów blokujących.
Uzwojenie składa się z drutu miedzianego połączonego w jedną cewkę. Zwykle układany wokół miękkiego namagnesowanego rdzenia, składającego się z kilku warstw metalu. Zakłócenie pola indukcyjnego występuje w tej chwiliprąd przepływający przez przewody uzwojenia. W tym momencie urządzenie wchodzi w tryb jawnej i niejawnej konfiguracji biegunów. W pierwszym przypadku pole magnetyczne instalacji tworzy uzwojenie wokół nabiegunnika. W drugim przypadku szczeliny nabiegunnika wirnika są rozproszone w polu rozproszonym. Silnik z zacienionym biegunem ma uzwojenie, które tłumi zakłócenia magnetyczne.
Przełącznik służy do przełączania napięcia wejściowego. Składa się z pierścieni stykowych umieszczonych na wale i odizolowanych od siebie. Prąd twornika jest doprowadzany do szczotek stykowych komutatora obrotowego, co prowadzi do zmiany biegunowości i powoduje obrót wirnika od bieguna do bieguna. Jeśli nie ma napięcia, silnik przestaje się obracać. Nowoczesne maszyny wyposażone są w dodatkową elektronikę sterującą procesem rotacji.
Zasada działania
Zgodnie z prawem Archimedesa, prąd w przewodniku wytwarza pole magnetyczne, w którym działa siła F1. Jeśli metalowa rama zostanie wykonana z tego przewodnika i umieszczona w polu pod kątem 90°, wówczas na krawędzie będą oddziaływać siły skierowane w przeciwnych kierunkach względem siebie. Tworzą wokół osi moment obrotowy, który zaczyna ją obracać. Cewki twornika zapewniają stały skręcanie. Pole wytwarzane jest przez magnesy elektryczne lub stałe. Pierwsza opcja jest wykonana w postaci uzwojenia cewki na stalowym rdzeniu. Tak więc prąd pętli generuje pole indukcyjne w uzwojeniu elektromagnesu, które generuje elektromotorsiła.
Rozważmy bardziej szczegółowo działanie silników asynchronicznych na przykładzie instalacji z wirnikiem fazowym. Takie maszyny działają na prąd przemienny o prędkości twornika, która nie jest równa pulsacji pola magnetycznego. Dlatego są również nazywane indukcyjnymi. Wirnik napędzany jest przez oddziaływanie prądu elektrycznego w cewkach z polem magnetycznym.
Gdy nie ma napięcia w uzwojeniu pomocniczym, urządzenie jest w stanie spoczynku. Gdy tylko na stykach stojana pojawi się prąd elektryczny, powstaje w przestrzeni stałe pole magnetyczne z tętnieniem + F i -F. Można to przedstawić za pomocą następującej formuły:
pr=nrev=f1 × 60 ÷ p=n1
gdzie:
pr - liczba obrotów jakie pole magnetyczne wykonuje w kierunku do przodu, rpm;
rev - liczba obrotów pola w przeciwnym kierunku, rpm;
f1 - częstotliwość tętnienia prądu elektrycznego, Hz;
p - liczba biegunów;
1 - całkowite obroty.
Doświadczając pulsacji pola magnetycznego, wirnik otrzymuje początkowy ruch. Ze względu na nierównomierne oddziaływanie przepływu wytworzy moment obrotowy. Zgodnie z prawem indukcji w zwartym uzwojeniu powstaje siła elektromotoryczna, która generuje prąd. Jego częstotliwość jest proporcjonalna do poślizgu wirnika. W wyniku oddziaływania prądu elektrycznego z polem magnetycznym powstaje moment obrotowy wału.
Istnieją trzy formuły obliczania wydajnościmoc asynchronicznego silnika elektrycznego. Według przesunięcia fazowego użyj
S=P ÷ cos (alfa), gdzie:
S to moc pozorna mierzona w woltoamperach.
P - moc czynna w watach.
alfa - przesunięcie fazowe.
Pełna moc odnosi się do rzeczywistego wskaźnika, a moc czynna to obliczona.
Rodzaje silników elektrycznych
W zależności od źródła zasilania, napędy są podzielone na działające od:
- DC.
- AC.
Zgodnie z zasadą działania dzielą się one z kolei na:
- Kolekcjoner.
- Zawór.
- Asynchroniczny.
- Synchroniczne.
Silniki wentylacyjne nie należą do osobnej klasy, ponieważ ich urządzenie jest odmianą napędu kolektorowego. Ich konstrukcja obejmuje przetwornik elektroniczny i czujnik położenia wirnika. Zazwyczaj są one zintegrowane z płytą sterującą. Na ich koszt następuje skoordynowane przełączanie zwory.
Silniki synchroniczne i asynchroniczne działają wyłącznie na prąd przemienny. Obrót jest kontrolowany przez zaawansowaną elektronikę. Asynchroniczne dzielą się na:
- Trójfazowa.
- Dwufazowy.
- Jednofazowy.
Teoretyczny wzór na moc trójfazowego silnika elektrycznego podłączonego do gwiazdy lub trójkąta
P=3Uf If cos(alfa).
Jednak dla napięcia i prądu liniowego wygląda to tak
P=1, 73 × Uf × If × cos(alfa).
To będzie prawdziwy wskaźnik tego, ile mocysilnik odbiera z sieci.
Synchroniczny podzielony na:
- Krok.
- Hybryd.
- Induktor.
- Histereza.
- Reaktywne.
Silniki krokowe mają w swojej konstrukcji magnesy trwałe, więc nie są klasyfikowane jako osobna kategoria. Pracą mechanizmów sterują przemienniki częstotliwości. Istnieją również silniki uniwersalne, które działają na AC i DC.
Ogólna charakterystyka silników
Wszystkie silniki mają wspólne parametry, które są używane we wzorze określania mocy silnika elektrycznego. Na ich podstawie możesz obliczyć właściwości maszyny. W innej literaturze mogą być różnie nazywane, ale oznaczają to samo. Lista takich parametrów obejmuje:
- Moment obrotowy.
- Moc silnika.
- Wydajność.
- Znamionowa liczba obrotów.
- Moment bezwładności wirnika.
- Napięcie znamionowe.
- Elektryczna stała czasowa.
Powyższe parametry są niezbędne przede wszystkim do określenia sprawności instalacji elektrycznych zasilanych siłą mechaniczną silników. Obliczone wartości dają jedynie przybliżone wyobrażenie o rzeczywistych cechach produktu. Jednak wskaźniki te są często używane we wzorze na moc silnika elektrycznego. To ona decyduje o efektywności maszyn.
Moment obrotowy
Ten termin ma kilka synonimów: moment siły, moment silnika, moment obrotowy, moment obrotowy. Wszystkie są używane do oznaczenia jednego wskaźnika, chociaż z punktu widzenia fizyki pojęcia te nie zawsze są identyczne.
W celu ujednolicenia terminologii opracowano standardy, które sprowadzają wszystko do jednego systemu. Dlatego w dokumentacji technicznej zawsze używa się wyrażenia „moment obrotowy”. Jest to wektorowa wielkość fizyczna, która jest równa iloczynowi wartości wektorowych siły i promienia. Wektor promienia jest rysowany od osi obrotu do punktu przyłożonej siły. Z fizycznego punktu widzenia różnica między momentem obrotowym a momentem obrotowym leży w punkcie przyłożenia siły. W pierwszym przypadku jest to wysiłek wewnętrzny, w drugim zewnętrzny. Wartość mierzona jest w niutonometrach. Jednak wzór na moc silnika wykorzystuje moment obrotowy jako wartość bazową.
Jest obliczany jako
M=F × r gdzie:
M - moment obrotowy, Nm;
F - przyłożona siła, H;
r - promień, m.
Aby obliczyć znamionowy moment obrotowy siłownika, użyj wzoru
Mnom=30Rnom ÷ pi × nnom, gdzie:
Rnom - moc znamionowa silnika elektrycznego, W;
nnom - prędkość nominalna, min-1.
W związku z tym wzór na moc znamionową silnika elektrycznego powinien wyglądać tak:
Pnom=Mnom pinnom / 30.
Zazwyczaj wszystkie cechy są wskazane w specyfikacji. Ale zdarza się, że trzeba pracować z zupełnie nowymi instalacjami,informacje o których bardzo trudno jest znaleźć. Aby obliczyć parametry techniczne takich urządzeń, brane są dane ich analogów. Ponadto zawsze znane są tylko charakterystyki nominalne, które są podane w specyfikacji. Rzeczywiste dane muszą zostać obliczone samodzielnie.
Moc silnika
W ogólnym sensie ten parametr jest skalarną wielkością fizyczną, wyrażoną w tempie zużycia lub transformacji energii systemu. Pokazuje, ile pracy wykona mechanizm w określonej jednostce czasu. W elektrotechnice charakterystyka pokazuje użyteczną moc mechaniczną na wale centralnym. Do wskazania wskaźnika używana jest litera P lub W. Główną jednostką miary jest wat. Ogólny wzór na obliczenie mocy silnika elektrycznego można przedstawić jako:
P=dA ÷ dt gdzie:
A - praca mechaniczna (użyteczna) (energia), J;
t - upływający czas, sek.
Praca mechaniczna to również skalarna wielkość fizyczna, wyrażona przez działanie siły na obiekt i zależna od kierunku i przemieszczenia tego obiektu. Jest to iloczyn wektora siły i ścieżki:
dA=F × ds gdzie:
s - przebyta odległość, m.
Wyraża odległość, jaką pokona punkt przyłożonej siły. W przypadku ruchów obrotowych jest to wyrażane jako:
ds=r × d(teta), gdzie:
teta - kąt obrotu, rad.
W ten sposób możesz obliczyć częstotliwość kątową obrotu wirnika:
omega=d(teta) ÷ dt.
Z tego wynika wzór na moc silnika elektrycznego na wale: P \u003d M ×omega.
Sprawność silnika elektrycznego
Sprawność to cecha, która odzwierciedla wydajność systemu podczas przekształcania energii w energię mechaniczną. Jest wyrażony jako stosunek energii użytecznej do energii zużytej. Zgodnie z ujednoliconym systemem jednostek miar jest on określany jako „eta” i jest wartością bezwymiarową, obliczoną w procentach. Wzór na sprawność silnika elektrycznego pod względem mocy:
eta=P2 ÷ P1 gdzie:
P1 - moc elektryczna (zasilania), W;
P2 - moc użyteczna (mechaniczna), W;
Może być również wyrażony jako:
eta=A ÷ Q × 100%, gdzie:
A - użyteczna praca, J;
Q - zużyta energia, J.
Częściej współczynnik jest obliczany przy użyciu wzoru na pobór mocy silnika elektrycznego, ponieważ wskaźniki te są zawsze łatwiejsze do zmierzenia.
Spadek sprawności silnika elektrycznego wynika z:
- Straty elektryczne. Dzieje się tak w wyniku nagrzewania się przewodników w wyniku przepływu przez nie prądu.
- Strata magnetyczna. Z powodu nadmiernego namagnesowania rdzenia pojawiają się histerezy i prądy wirowe, co należy uwzględnić we wzorze na moc silnika.
- Utrata mechaniczna. Są one związane z tarciem i wentylacją.
- Dodatkowe straty. Pojawiają się dzięki harmonicznym pola magnetycznego, ponieważ stojan i wirnik są zębate. Również w uzwojeniu występują wyższe harmoniczne siły magnetomotorycznej.
Należy zauważyć, że wydajność jest jednym z najważniejszych elementówwzory do obliczania mocy silnika elektrycznego, ponieważ pozwalają uzyskać liczby najbliższe rzeczywistości. Średnio liczba ta waha się od 10% do 99%. To zależy od konstrukcji mechanizmu.
Znamionowa liczba obrotów
Kolejnym kluczowym wskaźnikiem charakterystyki elektromechanicznej silnika jest prędkość obrotowa wału. Jest wyrażony w obrotach na minutę. Często jest używany w formule mocy silnika pompy, aby sprawdzić jego wydajność. Należy jednak pamiętać, że wskaźnik jest zawsze inny na biegu jałowym i pracy pod obciążeniem. Wskaźnik reprezentuje wartość fizyczną równą liczbie pełnych obrotów w określonym czasie.
Wzór obliczania obrotów na minutę:
n=30 × omega ÷ pi gdzie:
n - prędkość obrotowa silnika, obr./min.
Aby obliczyć moc silnika elektrycznego ze wzoru na prędkość wału, konieczne jest sprowadzenie jej do obliczenia prędkości kątowej. Więc P=M × omega wyglądałoby tak:
P=M × (2pi × n ÷ 60)=M × (n ÷ 9, 55) gdzie
t=60 sekund.
Moment bezwładności
Ten wskaźnik jest skalarną wielkością fizyczną, która odzwierciedla miarę bezwładności ruchu obrotowego wokół własnej osi. W tym przypadku masa ciała jest wartością jego bezwładności podczas ruchu postępowego. Główną cechą tego parametru jest rozkład mas ciała, który jest równy sumie iloczynów kwadratu odległości od osi do punktu bazowego i mas obiektu.pomiar jest oznaczony jako kg m2 i jest obliczany według wzoru:
J=∑ r2 × dm gdzie
J - moment bezwładności, kg m2;
m - masa przedmiotu, kg.
Momenty bezwładności i siły są powiązane zależnością:
M - J × epsilon, gdzie
epsilon - przyspieszenie kątowe, s-2.
Wskaźnik jest obliczany jako:
epsilon=d(omega) × dt.
W ten sposób, znając masę i promień wirnika, można obliczyć parametry pracy mechanizmów. Wzór na moc silnika obejmuje wszystkie te cechy.
Napięcie znamionowe
Nazywa się to również nominalnym. Reprezentuje napięcie podstawowe, reprezentowane przez standardowy zestaw napięć, który jest określony przez stopień izolacji sprzętu elektrycznego i sieci. W rzeczywistości może się on różnić w różnych punktach wyposażenia, ale nie powinien przekraczać maksymalnych dopuszczalnych warunków pracy, przeznaczonych do ciągłej pracy mechanizmów.
W przypadku instalacji konwencjonalnych napięcie znamionowe jest rozumiane jako obliczone wartości, dla których są dostarczane przez dewelopera podczas normalnej eksploatacji. Lista standardowych napięć sieciowych znajduje się w GOST. Parametry te są zawsze opisane w specyfikacjach technicznych mechanizmów. Aby obliczyć wydajność, użyj wzoru na moc silnika elektrycznego według prądu:
P=U × I.
Elektryczna stała czasowa
Reprezentuje czas wymagany do osiągnięcia obecnego poziomu do 63% po włączeniu zasilaniauzwojenia napędowe. Parametr wynika z przejściowych procesów o właściwościach elektromechanicznych, ponieważ są one ulotne ze względu na duży opór czynny. Ogólny wzór na obliczenie stałej czasowej to:
te=L ÷ R.
Jednak elektromechaniczna stała czasowa tm jest zawsze większa niż elektromagnetyczna stała czasowa te. wirnik przyspiesza z prędkością zerową do maksymalnej prędkości biegu jałowego. W tym przypadku równanie przyjmuje postać
M=Mst + J × (d(omega) ÷ dt), gdzie
Mst=0.
Z tego miejsca otrzymujemy wzór:
M=J × (d(omega) ÷ dt).
W rzeczywistości elektromechaniczna stała czasowa jest obliczana na podstawie początkowego momentu obrotowego - Mp. Mechanizm działający w idealnych warunkach o charakterystyce prostoliniowej będzie miał wzór:
M=Mp × (1 - omega ÷ omega0), gdzie
omega0 - prędkość biegu jałowego.
Takie obliczenia są używane we wzorze na moc silnika pompy, gdy skok tłoka zależy bezpośrednio od prędkości wału.
Podstawowe wzory do obliczania mocy silnika
Aby obliczyć rzeczywistą charakterystykę mechanizmów, zawsze musisz brać pod uwagę wiele parametrów. przede wszystkim musisz wiedzieć, jaki prąd jest dostarczany do uzwojeń silnika: bezpośredni lub przemienny. Zasada ich pracy jest inna, dlatego metoda obliczeń jest inna. Jeśli uproszczony widok obliczania mocy napędu wygląda tak:
Pel=U × I gdzie
I - aktualna siła, A;
U - napięcie, V;
Pel - dostarczona energia elektryczna. Wt.
We wzorze na moc silnika AC należy również uwzględnić przesunięcie fazowe (alfa). W związku z tym obliczenia dla napędu asynchronicznego wyglądają następująco:
Pel=U × I × cos(alfa).
Oprócz mocy czynnej (zasilania) istnieje również:
- S - reaktywne, VA. S=P ÷ cos(alfa).
- Q - pełny, VA. Q=I × U × sin(alfa).
W obliczeniach należy również uwzględnić straty cieplne i indukcyjne, a także tarcie. Dlatego uproszczony model wzoru dla silnika prądu stałego wygląda następująco:
Pel=Pmech + Rtep + Skórka + Rtr, gdzie
Рmeh - użyteczna moc generowana, W;
Rtep - straty ciepła, W;
Rind - koszt ładowania w cewce indukcyjnej, W;
RT - strata z powodu tarcia, W.
Wniosek
Silniki elektryczne są używane w prawie wszystkich dziedzinach ludzkiego życia: w życiu codziennym, w produkcji. Do prawidłowego użytkowania napędu konieczna jest znajomość nie tylko jego nominalnych, ale i rzeczywistych charakterystyk. Zwiększy to jego wydajność i obniży koszty.
