Inom elektromekanik finns det många frekvensomriktare som arbetar med konstant belastning utan att ändra rotationshastigheten. De används i industri- och hushållsutrustning som fläktar, kompressorer och andra. Om de nominella egenskaperna är okända, används formeln för elmotorns kraft för beräkningar. Parameterberäkningar är särskilt relevanta för nya och föga kända frekvensomriktare. Beräkningen utförs med hjälp av speciella koefficienter, såväl som på grundval av ackumulerad erfarenhet av liknande mekanismer. Uppgifterna är väsentliga för att elektriska installationer ska fungera korrekt.
Vad är en elmotor?
En elmotor är en enhet som omvandlar elektrisk energi till mekanisk energi. De flesta enheters funktion beror på interaktionen mellan magnetenfält med rotorlindningen, vilket uttrycks i dess rotation. De drivs från likströms- eller växelströmskällor. Strömförsörjningen kan vara ett batteri, en växelriktare eller ett eluttag. I vissa fall arbetar motorn baklänges, det vill säga den omvandlar mekanisk energi till elektrisk energi. Sådana installationer används ofta i kraftverk som drivs av luft- eller vattenflöde.
Elektriska motorer klassificeras efter typ av strömkälla, intern design, tillämpning och effekt. AC-frekvensomriktare kan också ha speciella borstar. De arbetar på enfas, tvåfas eller trefasspänning, är luft- eller vätskekylda. AC-motoreffektformel
P=U x I, där P är effekt, U är spänning, I är ström.
Allmänna drivenheter med sin storlek och egenskaper används inom industrin. De största motorerna med en kapacitet på mer än 100 megawatt används i kraftverken på fartyg, kompressorer och pumpstationer. Mindre storlekar används i hushållsapparater som en dammsugare eller fläkt.
Elektrisk motordesign
Drive inkluderar:
- Rotor.
- Stator.
- Bearings.
- Air gap.
- Winding.
- Switch.
Rotor är den enda rörliga delen av drivenheten som roterar runt sin egen axel. Ström passerar genom ledarebildar en induktiv störning i lindningen. Det genererade magnetfältet samverkar med statorns permanentmagneter, vilket sätter axeln i rörelse. De beräknas enligt formeln för elmotorns effekt med ström, för vilken verkningsgraden och effektfaktorn tas, inklusive alla dynamiska egenskaper hos axeln.
Lager är placerade på rotoraxeln och bidrar till dess rotation runt dess axel. Den yttre delen de är fästa på motorhuset. Skaftet går genom dem och ut. Eftersom belastningen går utanför lagrens arbetsområde kallas det överhäng.
Statorn är ett fast element i motorns elektromagnetiska krets. Kan innehålla lindnings- eller permanentmagneter. Statorkärnan är gjord av tunna metallplattor, som kallas armaturpaketet. Den är utformad för att minska energiförlusten, vilket ofta händer med solida stavar.
Luftgapet är avståndet mellan rotorn och statorn. Ett litet gap är effektivt, eftersom det påverkar den låga driftkoefficienten för elmotorn. Magnetiseringsströmmen ökar med gapstorleken. Därför försöker de alltid göra det minim alt, men till rimliga gränser. För litet avstånd orsakar friktion och att låselementen lossnar.
Lindningen består av koppartråd sammansatt till en spole. Vanligtvis läggs runt en mjuk magnetiserad kärna, bestående av flera lager av metall. Störningen av induktionsfältet inträffar för tillfälletström som passerar genom lindningstrådarna. Vid denna tidpunkt går enheten in i explicit och implicit polkonfigurationsläge. I det första fallet skapar installationens magnetfält en lindning runt polstycket. I det andra fallet är slitsarna i rotorns polstycke utspridda i det fördelade fältet. Den skuggade polmotorn har en lindning som undertrycker magnetiska störningar.
Omkopplaren används för att växla ingångsspänningen. Den består av kontaktringar placerade på axeln och isolerade från varandra. Ankarströmmen appliceras på rotationskommutatorns kontaktborstar, vilket leder till en polaritetsändring och får rotorn att rotera från pol till pol. Om det inte finns någon spänning slutar motorn att snurra. Moderna maskiner är utrustade med extra elektronik som styr rotationsprocessen.
Driftsprincip
I enlighet med Arkimedes lag skapar strömmen i ledaren ett magnetfält i vilket kraften F1 verkar. Om en metallram tillverkas av denna ledare och placeras i fältet i en vinkel på 90°, kommer kanterna att utsättas för krafter riktade i motsatt riktning i förhållande till varandra. De skapar ett vridmoment runt axeln, som börjar rotera den. Armaturspolar ger konstant vridning. Fältet skapas av elektriska eller permanenta magneter. Det första alternativet är gjort i form av en spole som lindas på en stålkärna. Således genererar slingströmmen ett induktionsfält i elektromagnetlindningen, vilket genererar en elektromotorkraft.
Låt oss mer i detalj överväga driften av asynkronmotorer med hjälp av exemplet med installationer med en fasrotor. Sådana maskiner arbetar på växelström med en ankarhastighet som inte är lika med magnetfältets pulsering. Därför kallas de också induktiva. Rotorn drivs av växelverkan mellan den elektriska strömmen i spolarna med magnetfältet.
När det inte finns någon spänning i hjälplindningen är enheten i vila. Så snart en elektrisk ström uppträder på statorkontakterna bildas ett magnetfältskonstant i rymden med en rippel på + F och -F. Det kan representeras som följande formel:
pr=nrev=f1 × 60 ÷ p=n1
where:
pr - antalet varv som magnetfältet gör i framåtriktningen, rpm;
rev - antal varv i fältet i motsatt riktning, rpm;
f1 - pulsfrekvens för elektrisk ström, Hz;
p - antal stolpar;
1 - tot alt RPM.
Rotorn upplever magnetfältspulseringar och tar emot initial rörelse. På grund av flödets ojämna påverkan kommer det att utveckla ett vridmoment. Enligt induktionslagen bildas en elektromotorisk kraft i en kortsluten lindning, som genererar en ström. Dess frekvens är proportionell mot rotorns slirning. På grund av växelverkan mellan elektrisk ström och ett magnetfält skapas ett axelvridmoment.
Det finns tre formler för prestandaberäkningarkraften hos en asynkron elmotor. Använd
med fasskift
S=P ÷ cos (alfa), där:
S är den skenbara effekten mätt i volt-ampere.
P - aktiv effekt i watt.
alfa - fasförskjutning.
Full effekt hänvisar till den verkliga indikatorn, och aktiv effekt är den beräknade.
Typer av elmotorer
Beroende på strömkällan är frekvensomriktare uppdelade i de som arbetar från:
- DC.
- AC.
I enlighet med funktionsprincipen är de i sin tur indelade i:
- Collector.
- Ventil.
- Asynkron.
- Synchronous.
Ventmotorer tillhör inte en separat klass, eftersom deras enhet är en variant av kollektordrivningen. Deras design inkluderar en elektronisk omvandlare och en rotorpositionssensor. Vanligtvis är de integrerade med styrkortet. På deras bekostnad sker koordinerad omkoppling av ankaret.
Synkrona och asynkrona motorer körs uteslutande på växelström. Rotationen styrs av sofistikerad elektronik. Asynkrona är indelade i:
- Tre-fas.
- Tvåfas.
- Enfas.
Teoretisk formel för kraften hos en trefas elektrisk motor när den är ansluten till en stjärna eller en delta
P=3Uf If cos(alpha).
Men för linjär spänning och ström ser det ut så här
P=1, 73 × Uf × If × cos(alpha).
Detta kommer att vara en riktig indikator på hur mycket kraftmotorn hämtar från nätverket.
Synkront uppdelat i:
- Steg.
- Hybrid.
- Induktor.
- Hysteres.
- Reactive.
Stegmotorer har permanentmagneter i sin design, så de klassificeras inte som en separat kategori. Funktionen av mekanismerna styrs med hjälp av frekvensomvandlare. Det finns också universalmotorer som fungerar på AC och DC.
Allmänna egenskaper hos motorer
Alla motorer har gemensamma parametrar som används i formeln för att bestämma effekten av en elmotor. Baserat på dem kan du beräkna maskinens egenskaper. I olika litteratur kan de kallas olika, men de betyder samma sak. Listan över sådana parametrar inkluderar:
- Vridmoment.
- Motorkraft.
- Effektivitet.
- Nominellt antal varv.
- Rotorns tröghetsmoment.
- Nominell spänning.
- Elektrisk tidskonstant.
Ovanstående parametrar är först och främst nödvändiga för att bestämma effektiviteten hos elektriska installationer som drivs av den mekaniska kraften från motorer. Beräknade värden ger bara en ungefärlig uppfattning om produktens faktiska egenskaper. Dessa indikatorer används dock ofta i formeln för elmotorns kraft. Det är hon som avgör maskinernas effektivitet.
Vridmoment
Denna term har flera synonymer: kraftmoment, motormoment, vridmoment, vridmoment. Alla används för att beteckna en indikator, även om dessa begrepp ur fysikens synvinkel inte alltid är identiska.
För att förena terminologin har standarder utvecklats som samlar allt till ett enda system. Därför, i teknisk dokumentation, används alltid frasen "vridmoment". Det är en vektorfysisk kvantitet, som är lika med produkten av vektorvärdena för kraft och radie. Radievektorn dras från rotationsaxeln till punkten för applicerad kraft. Ur en fysiksynpunkt ligger skillnaden mellan vridmoment och rotationsmoment i kraftens appliceringspunkt. I det första fallet är detta en intern ansträngning, i det andra - en extern. Värdet mäts i newtonmeter. Motoreffektformeln använder emellertid vridmoment som basvärde.
Det beräknas som
M=F × r där:
M - vridmoment, Nm;
F - applicerad kraft, H;
r - radie, m.
För att beräkna det nominella vridmomentet för ställdonet, använd formeln
Mnom=30Rnom ÷ pi × nnom, där:
Rnom - märkeffekt för elmotorn, W;
nnom - nominell hastighet, min-1.
Följaktligen bör formeln för elmotorns märkeffekt se ut så här:
Pnom=Mnom pinnom / 30.
Vanligtvis anges alla egenskaper i specifikationen. Men det händer att man måste jobba med helt nya installationer,information som är mycket svår att hitta. För att beräkna de tekniska parametrarna för sådana enheter tas data från deras analoger. Dessutom är endast de nominella egenskaperna alltid kända, vilka anges i specifikationen. Verkliga data måste beräknas av dig själv.
Motorkraft
I allmän mening är denna parameter en skalär fysisk storhet, som uttrycks i förbrukningshastigheten eller omvandlingen av systemets energi. Den visar hur mycket arbete mekanismen kommer att utföra under en viss tidsenhet. Inom elektroteknik visar karakteristiken den användbara mekaniska kraften på den centrala axeln. För att indikera indikatorn används bokstaven P eller W. Den huvudsakliga måttenheten är Watt. Den allmänna formeln för att beräkna effekten av en elmotor kan representeras som:
P=dA ÷ dt där:
A - mekaniskt (användbart) arbete (energi), J;
t - förfluten tid, sek.
Mekaniskt arbete är också en skalär fysisk storhet, uttryckt genom verkan av en kraft på ett föremål, och beroende på riktningen och förskjutningen av detta föremål. Det är produkten av kraftvektorn och banan:
dA=F × ds där:
s - tillryggalagd sträcka, m.
Det uttrycker avståndet som en punkt med applicerad kraft kommer att övervinna. För rotationsrörelser uttrycks det som:
ds=r × d(teta), där:
teta - rotationsvinkel, rad.
På detta sätt kan du beräkna rotorns vinkelfrekvens:
omega=d(teta) ÷ dt.
Från den följer formeln för kraften hos elmotorn på axeln: P \u003d M ×omega.
Elmotorns effektivitet
Effektivitet är en egenskap som återspeglar systemets effektivitet när energi omvandlas till mekanisk energi. Det uttrycks som förhållandet mellan användbar energi och förbrukad energi. Enligt det enhetliga systemet för måttenheter betecknas det som "eta" och är ett dimensionslöst värde, beräknat i procent. Formeln för effektiviteten hos en elmotor i termer av effekt:
eta=P2 ÷ P1 där:
P1 - elektrisk (matning) ström, W;
P2 - användbar (mekanisk) kraft, W;
Det kan också uttryckas som:
eta=A ÷ Q × 100 %, där:
A - användbart arbete, J;
Q - energi förbrukad, J.
Koefficienten beräknas oftare med formeln för strömförbrukningen för en elmotor, eftersom dessa indikatorer alltid är lättare att mäta.
Minskningen av elmotorns verkningsgrad beror på:
- Elektriska förluster. Detta sker som ett resultat av uppvärmningen av ledarna från strömpassagen genom dem.
- Magnetisk förlust. På grund av överdriven magnetisering av kärnan uppstår hysteres och virvelströmmar, vilket är viktigt att ta hänsyn till i motoreffektformeln.
- Mekanisk förlust. De är relaterade till friktion och ventilation.
- Ytterligare förluster. De uppträder på grund av övertonerna i magnetfältet, eftersom statorn och rotorn är tandade. Även i lindningen finns högre övertoner av den magnetomotoriska kraften.
Det bör noteras att effektivitet är en av de viktigaste komponenternaformler för att beräkna effekten av en elmotor, eftersom den låter dig få siffror som ligger närmast verkligheten. I genomsnitt varierar denna siffra från 10 % till 99 %. Det beror på utformningen av mekanismen.
Bedömt antal varv
En annan nyckelindikator för motorns elektromekaniska egenskaper är axelhastigheten. Det uttrycks i varv per minut. Ofta används det i pumpmotorns effektformel för att ta reda på dess prestanda. Men man måste komma ihåg att indikatorn alltid är annorlunda för tomgång och arbete under belastning. Indikatorn representerar ett fysiskt värde lika med antalet hela varv under en viss tidsperiod.
RPM-beräkningsformel:
n=30 × omega ÷ pi där:
n - motorvarvtal, rpm.
För att hitta kraften hos elmotorn enligt formeln för axelns hastighet, är det nödvändigt att ta det till beräkningen av vinkelhastigheten. Så P=M × omega skulle se ut så här:
P=M × (2pi × n ÷ 60)=M × (n ÷ 9, 55) där
t=60 sekunder.
tröghetsmoment
Denna indikator är en skalär fysisk storhet som återspeglar ett mått på trögheten hos rotationsrörelsen runt sin egen axel. I detta fall är kroppens massa värdet av dess tröghet under translationsrörelse. Den huvudsakliga egenskapen hos parametern uttrycks av fördelningen av kroppsmassorna, som är lika med summan av produkterna av kvadraten på avståndet från axeln till baspunkten och föremålets massor. I International System of Unitsmått den betecknas som kg m2 och har beräknas med formeln:
J=∑ r2 × dm där
J - tröghetsmoment, kg m2;
m - objektets massa, kg.
Tröghetsmoment och krafter hänger samman med relationen:
M - J × epsilon, där
epsilon - vinkelacceleration, s-2.
Indikatorn beräknas som:
epsilon=d(omega) × dt.
Därmed kan du, genom att känna till rotorns massa och radie, beräkna prestandaparametrarna för mekanismer. Formeln för motoreffekt inkluderar alla dessa egenskaper.
Nominell spänning
Det kallas också nominell. Den representerar basspänningen, representerad av en standarduppsättning spänningar, som bestäms av graden av isolering av elektrisk utrustning och nätverket. I verkligheten kan det skilja sig åt på olika ställen på utrustningen, men bör inte överskrida de maxim alt tillåtna driftsförhållandena, utformade för kontinuerlig drift av mekanismerna.
För konventionella installationer förstås märkspänning som de beräknade värden för vilka de tillhandahålls av utvecklaren vid normal drift. Listan över standardnätspänning finns i GOST. Dessa parametrar beskrivs alltid i de tekniska specifikationerna för mekanismerna. För att beräkna prestandan, använd formeln för elmotorns effekt med ström:
P=U × I.
Elektrisk tidskonstant
Representerar den tid som krävs för att nå den aktuella nivån upp till 63 % efter att ha aktiveratdrivlindningar. Parametern beror på övergående processer av elektromekaniska egenskaper, eftersom de är flyktiga på grund av det stora aktiva motståndet. Den allmänna formeln för att beräkna tidskonstanten är:
te=L ÷ R.
Den elektromekaniska tidskonstanten tm är dock alltid större än den elektromagnetiska tidskonstanten te. rotorn accelererar med nollhastighet till maxim alt tomgångsvarvtal. I det här fallet har ekvationen formen
M=Mst + J × (d(omega) ÷ dt), där
Mst=0.
Härifrån får vi formeln:
M=J × (d(omega) ÷ dt).
I själva verket beräknas den elektromekaniska tidskonstanten från startmomentet - Mp. En mekanism som fungerar under idealiska förhållanden med rätlinjiga egenskaper kommer att ha formeln:
M=Mp × (1 - omega ÷ omega0), där
omega0 - tomgång.
Sådana beräkningar används i pumpmotorns effektformel när kolvens slaglängd direkt beror på axelhastigheten.
Grundformler för att beräkna motoreffekt
För att beräkna de verkliga egenskaperna hos mekanismer måste du alltid ta hänsyn till många parametrar. först och främst måste du veta vilken ström som tillförs motorlindningarna: direkt eller alternerande. Principen för deras arbete är annorlunda, därför är beräkningsmetoden annorlunda. Om den förenklade vyn av drivkraftsberäkningen ser ut så här:
Pel=U × I where
I - strömstyrka, A;
U - spänning, V;
Pel - levereras med el. ti.
I växelströmsmotorns effektformel måste även fasförskjutning (alfa) beaktas. Följaktligen ser beräkningarna för en asynkronenhet ut så här:
Pel=U × I × cos(alpha).
Förutom aktiv (matnings)ström finns det också:
- S - reaktiv, VA. S=P ÷ cos(alfa).
- Q - full, VA. Q=I × U × sin(alfa).
Beräkningarna måste också ta hänsyn till termiska och induktiva förluster samt friktion. Därför ser en förenklad formelmodell för en DC-motor ut så här:
Pel=Pmech + Rtep + Rind + Rtr, där
Рmeh - användbar genererad kraft, W;
Rtep - värmeförlust, W;
Rind - kostnad för avgift i induktionsspolen, W;
RT - förlust på grund av friktion, W.
Slutsats
Elektriska motorer används i nästan alla områden av mänskligt liv: i vardagen, i produktionen. För korrekt användning av enheten är det nödvändigt att känna till inte bara dess nominella egenskaper, utan också de verkliga. Detta kommer att öka dess effektivitet och minska kostnaderna.
