I elektromekanik er der mange drev, der arbejder med konstante belastninger uden at ændre rotationshastigheden. De bruges i industri- og husholdningsudstyr såsom ventilatorer, kompressorer og andre. Hvis de nominelle egenskaber er ukendte, bruges formlen for elmotorens effekt til beregninger. Parameterberegninger er især relevante for nye og lidt kendte drev. Beregningen udføres ved hjælp af specielle koefficienter såvel som på grundlag af akkumuleret erfaring med lignende mekanismer. Dataene er afgørende for korrekt drift af elektriske installationer.
Hvad er en elektrisk motor?
En elektrisk motor er en enhed, der omdanner elektrisk energi til mekanisk energi. Driften af de fleste enheder afhænger af vekselvirkningen af magnetenfelter med rotorviklingen, hvilket kommer til udtryk i dens rotation. De fungerer fra DC eller AC strømkilder. Strømforsyningen kan være et batteri, en inverter eller en stikkontakt. I nogle tilfælde arbejder motoren omvendt, det vil sige, at den omdanner mekanisk energi til elektrisk energi. Sådanne installationer er meget udbredt i kraftværker drevet af luft- eller vandstrøm.
Elektriske motorer er klassificeret efter typen af strømkilde, internt design, anvendelse og strøm. AC-drev kan også have specielle børster. De fungerer på enfaset, tofaset eller trefaset spænding, er luft- eller væskekølede. AC-motoreffektformel
P=U x I, hvor P er effekt, U er spænding, I er strøm.
Generelle drev med deres størrelse og egenskaber bruges i industrien. De største motorer med en kapacitet på mere end 100 megawatt bruges i kraftværker på skibe, kompressorer og pumpestationer. Mindre størrelser bruges i husholdningsapparater som en støvsuger eller ventilator.
Elektrisk motordesign
Drive inkluderer:
- Rotor.
- Stator.
- Bearings.
- Air gap.
- Winding.
- Switch.
Rotoren er den eneste bevægelige del af drevet, der roterer omkring sin egen akse. Strøm der går gennem lederedanner en induktiv forstyrrelse i viklingen. Det genererede magnetfelt interagerer med statorens permanente magneter, hvilket sætter akslen i gang. De beregnes i henhold til formlen for elmotorens effekt ved strøm, for hvilken virkningsgraden og effektfaktoren tages, inklusive alle akslens dynamiske karakteristika.
Lejer er placeret på rotorakslen og bidrager til dens rotation omkring dens akse. Den ydre del er fastgjort til motorhuset. Skaftet går gennem dem og ud. Da belastningen går ud over lejernes arbejdsområde, kaldes det overhængende.
Statoren er et fast element i motorens elektromagnetiske kredsløb. Kan indeholde viklingsmagneter eller permanente magneter. Statorkernen er lavet af tynde metalplader, som kaldes armaturpakken. Den er designet til at reducere energitab, hvilket ofte sker med solide stænger.
Air gap er afstanden mellem rotoren og statoren. Et lille hul er effektivt, da det påvirker elmotorens lave driftskoefficient. Magnetiseringsstrømmen stiger med mellemrummets størrelse. Derfor forsøger de altid at gøre det minim alt, men til rimelige grænser. For lille afstand forårsager friktion og løsning af låseelementerne.
Viklingen består af kobbertråd samlet i én spole. Norm alt lagt omkring en blød magnetiseret kerne, bestående af flere lag metal. Forstyrrelsen af induktionsfeltet opstår i øjeblikketstrøm, der går gennem viklingstrådene. På dette tidspunkt går enheden i eksplicit og implicit polkonfigurationstilstand. I det første tilfælde skaber installationens magnetfelt en vikling omkring polstykket. I det andet tilfælde er sp alterne i rotorpolstykket spredt i det fordelte felt. Den skraverede polmotor har en vikling, der undertrykker magnetiske forstyrrelser.
Kontakten bruges til at skifte indgangsspænding. Den består af kontaktringe placeret på akslen og isoleret fra hinanden. Ankerstrømmen påføres rotationskommutatorens kontaktbørster, hvilket fører til en polaritetsændring og får rotoren til at rotere fra pol til pol. Hvis der ikke er spænding, holder motoren op med at rotere. Moderne maskiner er udstyret med ekstra elektronik, der styrer rotationsprocessen.
Driftsprincip
I henhold til Arkimedes lov skaber strømmen i lederen et magnetfelt, hvori kraften F1 virker. Hvis en metalramme er lavet af denne leder og placeret i feltet i en vinkel på 90°, vil kanterne opleve kræfter rettet i den modsatte retning i forhold til hinanden. De skaber et drejningsmoment omkring aksen, som begynder at rotere den. Armaturspoler giver konstant vridning. Feltet er skabt af elektriske eller permanente magneter. Den første mulighed er lavet i form af en spole vikling på en stålkerne. Sløjfestrømmen genererer således et induktionsfelt i elektromagnetviklingen, som genererer en elektromotorkraft.
Lad os overveje mere detaljeret driften af asynkronmotorer ved at bruge eksemplet med installationer med en faserotor. Sådanne maskiner opererer på vekselstrøm med en ankerhastighed, der ikke er lig med magnetfeltets pulsering. Derfor kaldes de også induktive. Rotoren drives af vekselvirkningen af den elektriske strøm i spolerne med magnetfeltet.
Når der ikke er spænding i hjælpeviklingen, er enheden i hvile. Så snart der opstår en elektrisk strøm på statorkontakterne, dannes et magnetfeltkonstant i rummet med en krusning på + F og -F. Det kan repræsenteres som følgende formel:
pr=nrev=f1 × 60 ÷ p=n1
hvor:
pr - antallet af omdrejninger, som magnetfeltet foretager i fremadgående retning, rpm;
rev - antal drejninger af feltet i den modsatte retning, rpm;
f1 - bølgefrekvens for elektrisk strøm, Hz;
p - antal poler;
1 - samlet RPM.
Rotoren oplever magnetfeltpulseringer og modtager den første bevægelse. På grund af strømningens uensartede påvirkning vil den udvikle et drejningsmoment. Ifølge loven om induktion dannes en elektromotorisk kraft i en kortsluttet vikling, som genererer en strøm. Dens frekvens er proportional med rotorens slip. På grund af vekselvirkningen af elektrisk strøm med et magnetisk felt skabes et akselmoment.
Der er tre formler til præstationsberegningereffekt af en asynkron elektrisk motor. Ved faseskift brug
S=P ÷ cos (alfa), hvor:
S er den tilsyneladende effekt målt i volt-ampere.
P - aktiv effekt i watt.
alfa - faseskift.
Fuld effekt henviser til den reelle indikator, og aktiv effekt er den beregnede.
Typer af elektriske motorer
I henhold til strømkilden er drev opdelt i dem, der opererer fra:
- DC.
- AC.
I henhold til driftsprincippet er de til gengæld opdelt i:
- Collector.
- Ventil.
- Asynkron.
- Synchronous.
Ventmotorer tilhører ikke en særskilt klasse, da deres enhed er en variation af kollektordrevet. Deres design inkluderer en elektronisk konverter og en rotorpositionssensor. Norm alt er de integreret sammen med styrekortet. På deres bekostning sker der koordineret skift af armaturet.
Synkrone og asynkrone motorer kører udelukkende på vekselstrøm. Rotationen styres af sofistikeret elektronik. Asynkrone er opdelt i:
- Trefaset.
- Tofaset.
- Enkeltfaset.
Teoretisk formel for effekten af en trefaset elektrisk motor, når den er forbundet til en stjerne eller en delta
P=3Uf If cos(alpha).
Men for lineær spænding og strøm ser det sådan ud
P=1, 73 × Uf × If × cos(alpha).
Dette vil være en reel indikator for, hvor meget strømmotoren henter fra netværket.
Synchronous underopdelt i:
- Trin.
- Hybrid.
- Induktor.
- Hysterese.
- Reactive.
Steppermotorer har permanente magneter i deres design, så de er ikke klassificeret som en separat kategori. Funktionen af mekanismerne styres ved hjælp af frekvensomformere. Der er også universalmotorer, der fungerer på AC og DC.
Generelle karakteristika for motorer
Alle motorer har fælles parametre, der bruges i formlen til at bestemme effekten af en elektrisk motor. Ud fra dem kan du beregne maskinens egenskaber. I forskellig litteratur kan de hedde forskelligt, men de betyder det samme. Listen over sådanne parametre omfatter:
- Moment.
- Motorkraft.
- Effektivitet.
- Nominelt antal omdrejninger.
- Rotorens inertimoment.
- Nominel spænding.
- Elektrisk tidskonstant.
Ovenstående parametre er først og fremmest nødvendige for at bestemme effektiviteten af elektriske installationer, der drives af motorernes mekaniske kraft. Beregnede værdier giver kun en omtrentlig idé om produktets faktiske egenskaber. Disse indikatorer bruges dog ofte i formlen for elmotorens kraft. Det er hende, der bestemmer effektiviteten af maskiner.
Moment
Dette udtryk har flere synonymer: kraftmoment, motormoment, moment, moment. De bruges alle til at betegne én indikator, selvom disse begreber fra et fysiksynspunkt ikke altid er identiske.
For at forene terminologien er der udviklet standarder, der bringer alt til et enkelt system. Derfor bruges udtrykket "drejningsmoment" i teknisk dokumentation altid. Det er en vektorfysisk størrelse, som er lig med produktet af vektorværdierne af kraft og radius. Radiusvektoren tegnes fra rotationsaksen til punktet for påført kraft. Fra et fysisk synspunkt ligger forskellen mellem drejningsmoment og rotationsmoment i kraftens anvendelsespunkt. I det første tilfælde er dette en intern indsats, i det andet - en ekstern. Værdien måles i newtonmeter. Motoreffektformlen bruger dog drejningsmoment som basisværdi.
Det beregnes som
M=F × r hvor:
M - moment, Nm;
F - påført kraft, H;
r - radius, m.
For at beregne det nominelle drejningsmoment for aktuatoren, brug formlen
Mnom=30Rnom ÷ pi × nnom, hvor:
Rnom - den elektriske motors nominelle effekt, W;
nnom - nominel hastighed, min-1.
Følgelig skulle formlen for den elektriske motors nominelle effekt se sådan ud:
Pnom=Mnom pinnom / 30.
Sædvanligvis er alle egenskaber angivet i specifikationen. Men det sker, at man skal arbejde med helt nye installationer,oplysninger, som er meget svære at finde. For at beregne de tekniske parametre for sådanne enheder tages dataene fra deres analoger. Desuden er kun de nominelle karakteristika altid kendt, som er angivet i specifikationen. Reelle data skal beregnes af dig selv.
Motorkraft
I en generel forstand er denne parameter en skalær fysisk størrelse, som udtrykkes i forbrugshastigheden eller transformationen af systemets energi. Det viser, hvor meget arbejde mekanismen vil udføre i en bestemt tidsenhed. I elektroteknik viser karakteristikken den nyttige mekaniske kraft på den centrale aksel. For at angive indikatoren bruges bogstavet P eller W. Hovedmåleenheden er Watt. Den generelle formel til beregning af en elektrisk motors effekt kan repræsenteres som:
P=dA ÷ dt hvor:
A - mekanisk (nyttigt) arbejde (energi), J;
t - forløbet tid, sek.
Mekanisk arbejde er også en skalær fysisk størrelse, udtrykt ved virkningen af en kraft på et objekt, og afhængigt af retningen og forskydningen af dette objekt. Det er produktet af kraftvektoren og stien:
dA=F × ds hvor:
s - tilbagelagt distance, m.
Det udtrykker den afstand, som et punkt med påført kraft vil overvinde. For rotationsbevægelser udtrykkes det som:
ds=r × d(teta), hvor:
teta - rotationsvinkel, rad.
På denne måde kan du beregne vinkelfrekvensen for rotorens rotation:
omega=d(teta) ÷ dt.
Derfra følger formlen for elmotorens effekt på akslen: P \u003d M ×omega.
Effektivitet af elmotor
Effektivitet er en egenskab, der afspejler effektiviteten af systemet, når energi omdannes til mekanisk energi. Det udtrykkes som forholdet mellem nyttig energi og brugt energi. Ifølge det forenede system af måleenheder betegnes det som "eta" og er en dimensionsløs værdi, beregnet som en procentdel. Formlen for effektiviteten af en elektrisk motor med hensyn til effekt:
eta=P2 ÷ P1 hvor:
P1 - elektrisk (forsyning) strøm, W;
P2 - nyttig (mekanisk) effekt, W;
Det kan også udtrykkes som:
eta=A ÷ Q × 100 %, hvor:
A - nyttigt arbejde, J;
Q - energiforbrug, J.
Koefficienten beregnes oftere ved hjælp af formlen for strømforbruget for en elektrisk motor, da disse indikatorer altid er nemmere at måle.
Faldet i elmotorens virkningsgrad skyldes:
- Elektriske tab. Dette sker som et resultat af opvarmning af lederne fra strømmens passage gennem dem.
- Magnetisk tab. På grund af overdreven magnetisering af kernen opstår hysterese og hvirvelstrømme, hvilket er vigtigt at tage højde for i motoreffektformlen.
- Mekanisk tab. De er relateret til friktion og ventilation.
- Yderligere tab. De opstår på grund af magnetfeltets harmoniske, da statoren og rotoren er tandede. Også i viklingen er der højere harmoniske af den magnetomotoriske kraft.
Det skal bemærkes, at effektivitet er en af de vigtigste komponenterformler til at beregne en elmotors effekt, da det giver dig mulighed for at få tal, der er tættest på virkeligheden. I gennemsnit varierer dette tal fra 10 % til 99 %. Det afhænger af mekanismens design.
Nominelt antal omdrejninger
En anden nøgleindikator for motorens elektromekaniske egenskaber er akselhastigheden. Det udtrykkes i omdrejninger i minuttet. Ofte bruges det i pumpemotorens effektformel for at finde ud af dens ydeevne. Men det skal huskes, at indikatoren altid er anderledes for tomgang og arbejde under belastning. Indikatoren repræsenterer en fysisk værdi svarende til antallet af fulde omdrejninger i en bestemt periode.
RPM-beregningsformel:
n=30 × omega ÷ pi hvor:
n - motorhastighed, rpm.
For at finde elmotorens effekt i henhold til formlen for akslens hastighed, er det nødvendigt at bringe den til beregningen af vinkelhastigheden. Så P=M × omega ville se sådan her ud:
P=M × (2pi × n ÷ 60)=M × (n ÷ 9, 55) hvor
t=60 sekunder.
Inertiamoment
Denne indikator er en skalær fysisk størrelse, der afspejler et mål for inertien af rotationsbevægelse omkring sin egen akse. I dette tilfælde er kroppens masse værdien af dens inerti under translationel bevægelse. Hovedkarakteristikken for parameteren er udtrykt ved fordelingen af kropsmasser, som er lig med summen af produkterne af kvadratet af afstanden fra aksen til basispunktet og objektets masser. I det internationale enhedssystemmålingen er angivet som kg m2 og har beregnes ved formlen:
J=∑ r2 × dm hvor
J - inertimoment, kg m2;
m - objektets masse, kg.
Inertimomenter og kræfter er forbundet med relationen:
M - J × epsilon, hvor
epsilon - vinkelacceleration, s-2.
Indikatoren beregnes som:
epsilon=d(omega) × dt.
Ved at kende rotorens masse og radius kan du således beregne ydeevneparametrene for mekanismer. Formlen for motorkraft inkluderer alle disse egenskaber.
Nominel spænding
Det kaldes også nominel. Det repræsenterer basisspændingen, repræsenteret af et standardsæt af spændinger, som bestemmes af graden af isolering af elektrisk udstyr og netværket. I virkeligheden kan det afvige på forskellige punkter af udstyret, men bør ikke overskride de maksim alt tilladte driftsbetingelser, designet til kontinuerlig drift af mekanismerne.
For konventionelle installationer forstås nominel spænding som de beregnede værdier, for hvilke de er angivet af udvikleren ved normal drift. Listen over standardnetværksspænding findes i GOST. Disse parametre er altid beskrevet i de tekniske specifikationer af mekanismerne. For at beregne ydeevnen skal du bruge formlen for elmotorens effekt ved strøm:
P=U × I.
Elektrisk tidskonstant
Repræsenterer den tid, der kræves for at nå det aktuelle niveau op til 63 % efter aktivering afdrev viklinger. Parameteren skyldes forbigående processer af elektromekaniske egenskaber, da de er flygtige på grund af den store aktive modstand. Den generelle formel til beregning af tidskonstanten er:
te=L ÷ R.
Den elektromekaniske tidskonstant tm er dog altid større end den elektromagnetiske tidskonstant te. rotoren accelererer ved nul hastighed til maksimal tomgangshastighed. I dette tilfælde har ligningen formen
M=Mst + J × (d(omega) ÷ dt), hvor
Mst=0.
Herfra får vi formlen:
M=J × (d(omega) ÷ dt).
Faktisk er den elektromekaniske tidskonstant beregnet ud fra startmomentet - Mp. En mekanisme, der fungerer under ideelle forhold med retlinede karakteristika, vil have formlen:
M=Mp × (1 - omega ÷ omega0), hvor
omega0 - tomgangshastighed.
Sådanne beregninger bruges i pumpemotorens effektformel, når stempelslaget afhænger direkte af akselhastigheden.
Grundlæggende formler til beregning af motoreffekt
For at beregne de reelle egenskaber ved mekanismer skal du altid tage højde for mange parametre. først og fremmest skal du vide, hvilken strøm der leveres til motorviklingerne: direkte eller vekslende. Princippet for deres arbejde er anderledes, derfor er beregningsmetoden anderledes. Hvis den forenklede visning af drivkraftberegningen ser sådan ud:
Pel=U × I hvor
I - strømstyrke, A;
U - spænding, V;
Pel - forsynet elektrisk strøm. tirsdag
I AC-motoreffektformlen skal der også tages højde for faseskift (alfa). Derfor ser beregningerne for et asynkront drev ud som:
Pel=U × I × cos(alpha).
Ud over aktiv (forsynings)strøm er der også:
- S - reaktiv, VA. S=P ÷ cos(alfa).
- Q - fuld, VA. Q=I × U × sin(alfa).
Beregningerne skal også tage højde for termiske og induktive tab samt friktion. Derfor ser en forenklet formelmodel for en jævnstrømsmotor således ud:
Pel=Pmech + Rtep + Rind + Rtr, hvor
Рmeh - nyttig genereret strøm, W;
Rtep - varmetab, W;
Rind - omkostninger ved opladning i induktionsspolen, W;
RT - tab på grund af friktion, W.
Konklusion
Elektriske motorer bruges på næsten alle områder af menneskelivet: i hverdagen, i produktionen. For korrekt brug af drevet er det nødvendigt at kende ikke kun dets nominelle egenskaber, men også de rigtige. Dette vil øge effektiviteten og reducere omkostningerne.
