Puterea motorului electric: formulă, reguli de calcul, tipuri și clasificarea motoarelor electrice

În ingineria electromecanică, există multe acționări care funcționează la sarcini constante, fără a-și varia viteza. Acestea sunt utilizate în aparate industriale și casnice, cum ar fi ventilatoare, compresoare și altele. În cazul în care nu se cunosc datele nominale, se utilizează formula puterii motorului pentru a calcula. Calculele parametrilor sunt deosebit de relevante pentru unitățile noi și obscure. Se efectuează un calcul folosind factori speciali, precum și pe baza experienței cu mecanisme similare. Aceste date sunt esențiale pentru Funcționarea corectă sisteme electrice.

Ce este un motor electric?

Un motor electric este un dispozitiv care transformă energia electrică în energie mecanică. Funcționarea majorității unităților se bazează pe interacțiunea unui câmp magnetic cu înfășurarea rotorului, care se exprimă prin rotația rotorului. Acestea funcționează cu surse de alimentare de curent continuu sau alternativ. Sursa de alimentare poate fi o baterie, un invertor sau o priză de rețea. În unele cazuri, motorul funcționează în sens invers, adică transformă energia mecanică în energie electrică. Aceste unități sunt utilizate pe scară largă în centralele electrice alimentate cu aer sau apă.

Motoarele electrice sunt clasificate în funcție de tipul de alimentare, construcția internă, aplicația și puterea de ieșire. Acționările cu curent alternativ pot fi echipate și cu perii speciale. Acestea funcționează la tensiuni monofazate, bifazate sau trifazate, sunt răcite cu aer sau cu lichid. Formula de putere a motorului AC

P = U x I,

Unde P este puterea, U este tensiunea, I este curentul.

Acționările de uz general, cu dimensiunile și caracteristicile lor, sunt utilizate în industrie. Cel mai mare motoarele de peste 100 de megawați sunt utilizate în sistemele de propulsie pentru nave, compresoare și stații de pompare. Cele mai mici sunt utilizate în aparatele de uz casnic, cum ar fi aspiratoarele sau ventilatoarele.

Construcția unui motor electric

Unitatea include:

• Rotor.
• Stator.
• Rulmenți.
• Spațiu de aer.
• Înfășurare.
• Comutator.

Rotorul este singura parte mobilă a dispozitivului de acționare care se rotește în jurul axei sale. Curentul care circulă prin conductoare formează o perturbație inductivă în înfășurări. Câmpul magnetic generat interacționează cu magneții permanenți ai statorului, antrenând astfel arborele. Se calculează cu ajutorul formulei pentru puterea de curent a motorului electric, pentru care se iau randamentul și factorul de putere, inclusiv toate caracteristicile dinamice ale arborelui.

Rulmenții sunt situați pe arborele rotorului și ajută la rotirea acestuia în jurul axei sale. Acestea sunt atașate la carcasa motorului în exterior. Arborele trece prin ele și iese în exterior. Deoarece sarcina se extinde dincolo de zona de lucru a rulmenților, aceasta se numește supraîncărcare.

Statorul este elementul fix din circuitul electromagnetic al motorului. Poate include înfășurări sau magneți permanenți. Miezul statorului este format din plăci metalice subțiri, numite pachet de armătură. Acesta este conceput pentru a reduce pierderile de energie care apar adesea în cazul tijelor solide.

Întrefierul - distanța dintre rotor și stator. Decalajul mic este eficient deoarece afectează coeficientul scăzut de performanță al motorului electric. Curentul de magnetizare crește odată cu mărimea întrefierii. Prin urmare, se încearcă întotdeauna să fie menținută la un nivel minim, dar în limite rezonabile. O distanță prea mică între ele provoacă frecare și duce la slăbirea elementelor de fixare.

Înfășurarea este formată din sârmă de cupru, asamblată într-o singură bobină. Acesta este în general dispus în jurul unui miez moale magnetizat format din mai multe straturi de metal. Perturbarea câmpului de inducție apare în momentul în care curentul trece prin firele înfășurării. În acest moment, mașina intră în modul de configurare cu poli expliciți și impliciți. În primul caz, înfășurarea din jurul vârfului polului este cea care produce câmpul magnetic al mașinii. În cel de-al doilea caz, câmpul distribuit dispersează fantele din vârful polului rotorului. Motorul cu poli ecranați are o înfășurare care absoarbe perturbațiile magnetice.

Un comutator este utilizat pentru a comuta tensiunea de intrare. Constă din inele de contact dispuse pe un arbore și izolate între ele. Curentul de armătură este aplicat la periile contactelor comutatorului rotativ, care inversează polaritatea și determină rotorul să se rotească de la un pol la altul. În absența Motorul se oprește din rotație. Mașinile moderne au mijloace electronice suplimentare de control al procesului de rotație.

Principiul de funcționare

Conform legii lui Arhimede, curentul într-un conductor produce un câmp magnetic în care există o forță F1. Dacă acest conductor este transformat într-un cadru metalic și plasat în câmp la un unghi de 90°, atunci marginile vor fi supuse unor forțe care se află în direcții opuse una față de cealaltă. Acestea creează un cuplu pe axa care începe să se rotească. Înfășurările armăturii produc o torsiune constantă. Câmpul este creat de magneți electrici sau permanenți. Primul este sub forma unei bobine înfășurate pe un miez de oțel. Astfel, curentul din cadru generează un câmp de inducție în bobina electromagnetului, care generează o forță electromotoare.

Să luăm ca exemplu mașinile asincrone. Aceste mașini funcționează pe curent alternativ cu o frecvență a armăturii care nu este egală cu pulsația câmpului magnetic. Prin urmare, ele se mai numesc și inductive. Rotorul este antrenat de interacțiunea curentului electric din bobine cu câmpul magnetic.

atunci când nu există tensiune în bobina auxiliară, dispozitivul se află într-o stare de repaus. De îndată ce un curent electric este indus în contactele statorului, se generează un câmp magnetic cu pulsații +F și -F. Aceasta poate fi reprezentată prin următoarea formulă:

n_pr = n_ob = f₁ × 60 ÷ p = n₁

unde:

n_pr - este numărul de rotații pe care le face câmpul magnetic în direcția înainte, rpm;

n_ob - este numărul de rotații ale câmpului în sens opus, rpm;

f₁ - este frecvența curentului de ondulație, Hz;

p este numărul de poli;

n₁ - numărul total de rotații pe minut.

Prin experimentarea unui câmp magnetic pulsatoriu, rotorul va primi un câmp magnetic inițial. Datorită efectului eterogen al curentului, acesta va dezvolta un cuplu. Conform legii inducției, în înfășurarea scurtcircuitată se creează o forță electromotoare care generează un curent. Frecvența sa este proporțională cu alunecarea rotorului. Interacțiunea curentului electric cu câmpul magnetic generează un cuplu.

Există trei formule pentru calcularea capacității de ieșire a unui motor electric asincron. În termeni de defazaj

S = P ÷ cos (alfa), unde:

S - Puterea totală, măsurată în Volt-amperi.

P - puterea activă, indicată în wați.

Defazajul este defazajul motorului.

Puterea aparentă este valoarea reală, în timp ce puterea activă este valoarea calculată.

Tipuri de motoare

În funcție de sursa de alimentare, unitățile sunt împărțite în

• curent continuu.
• AC.

De către principiul de funcționare Acestea sunt la rândul lor împărțite în:

• Colector.
• Tipul de supapă.
• Asincronă.
• Sincronă.

Motoarele cu supapă nu se încadrează într-o clasă separată, deoarece construcția lor este o variație a acționării colectorului. Acestea sunt construite cu un invertor electronic și un senzor de poziție a rotorului. Acestea sunt de obicei integrate cu o placă de control. Acestea realizează o comutație fină a armăturii.

Motoarele sincrone și asincrone funcționează exclusiv pe curent alternativ. Controlul vitezei se realizează cu ajutorul unor sisteme electronice sofisticate. Cele asincrone se împart în:

• Trifazat.
• Cu două faze.
• Cu o singură fază.

Formula teoretică pentru puterea motorului trifazat în conexiune stea sau triunghiulară

P = 3 * U_ф * I_ф * cos(alfa).

Cu toate acestea, pentru valori liniare de tensiune și curent se pare că

P = 1,73 × U_ф × I_ф × cos(alfa).

Aceasta va fi o măsură reală a puterii pe care motorul o consumă de la rețeaua electrică.

Motoarele sincrone sunt subdivizate în:

• Stepper.
• Hibrid.
• Inductor.
• Histerezis .
• Reactiv.

Motoarele pas cu pas sunt construite cu magneți permanenți, deci nu se încadrează într-o categorie separată. Acționările cu frecvență variabilă controlează funcționarea mașinilor. Există, de asemenea, motoare universale care funcționează cu curent alternativ și curent continuu.

Caracteristici generale ale motorului

Toate motoarele au parametri comuni care sunt utilizați în formule pentru a determina puterea motorului. Din acestea se pot calcula proprietățile mașinii. Ele pot fi numite diferit în diferite literaturi, dar înseamnă același lucru. Lista acestor parametri include:

• Cuplu de torsiune.
• Puterea motorului.
• Eficiență.
• Numărul nominal de rotații.
• Momentul de inerție al rotorului.
• Tensiunea de calcul.
• Constanta de timp electrică.

Parametrii menționați mai sus sunt necesari în primul rând pentru a determina eficiența instalațiilor electrice alimentate de forțele mecanice ale motoarelor. Valorile calculate oferă doar o idee aproximativă a performanței reale a produsului. Cu toate acestea, acești termeni sunt adesea utilizați în formula pentru puterea motorului. Este ceea ce determină performanța mașinilor.

Cuplu de rotație

Acest termen are mai multe sinonime: cuplu, cuplu motor, cuplu de rotație, cuplu de răsucire. Toate acestea sunt folosite pentru a desemna o singură cantitate, deși în termeni de fizică termenii nu au întotdeauna același înțeles.

Pentru a unifica terminologia, au fost elaborate standarde care reduc totul la un singur sistem. De aceea, în documentația tehnică se folosește întotdeauna expresia colocvială "cuplu" "cuplu". Este o mărime fizică vectorială care este egală cu produsul dintre valorile vectoriale ale forței și ale razei. Se trasează un vector de rază de la axa de rotație la punctul de aplicare a forței. În termeni de fizică, diferența dintre cuplu și cuplu de rotație este punctul în care se aplică forța. În primul caz, este vorba de forța internă, iar în al doilea de forța externă. Valoare măsurată în newtoni metri. Cu toate acestea, în formula de putere a motorului, cuplul este utilizat ca valoare de bază.

Acesta se calculează după cum urmează

M = F × r, unde:

M - cuplu, Nm;

F - forța care trebuie aplicată, H;

r - raza, m.

Formula de calcul a cuplului nominal al motorului este următoarea

Nom = 30P_nom ÷ pi × n_nom, unde:

Р_nom - este puterea nominală a motorului electric, în wați;

н_nom - viteza nominală, min^-1.

În consecință, formula pentru puterea nominală a motorului va fi următoarea:

Rnom = M_nom * pi*n_nom / 30.

În general, toate specificațiile sunt prezentate pe fișa tehnică. Dar sunt momente în care trebuie să lucrăm cu cu instalații complet noi, despre care este dificil de găsit informații. Pentru a calcula parametrii tehnici ai acestor dispozitive, luăm date de la omologii lor. De asemenea, se cunosc întotdeauna doar caracteristicile nominale, care sunt prezentate în specificații. Datele reale trebuie să fie calculate de către utilizator.

Puterea motorului

În sens general, acest parametru este o mărime fizică scalară care se exprimă ca rată de consum sau de conversie a energiei sistemului. Aceasta indică cât de multă muncă face mașina într-o anumită unitate de timp. În electrotehnică, caracteristica reprezintă puterea mecanică utilă pe arborele central. Pentru unitate se utilizează P sau W. Unitatea de măsură de bază este watt-ul. Formula generală de calcul a puterii unui motor electric poate fi reprezentată prin formula următoare

P = dA ÷ dt, unde:

A - lucrul (energia) mecanic (util), J;

t = timpul scurs, sec.

Lucrul mecanic este, de asemenea, o mărime fizică scalară, exprimată prin acțiunea unei forțe asupra unui obiect, și depinde de direcția și mișcarea acestui obiect. Este produsul dintre vectorul forță și traiectoria:

dA = F × ds, unde:

s este distanța parcursă, m.

Exprimă distanța care trebuie parcursă de punctul de aplicare a forței. Pentru mișcările de rotație, se exprimă astfel

ds = r × d(teta), unde:

teta - unghiul de rotație, rad.

În acest fel, este posibilă calcularea frecvenței unghiulare a rotorului:

omega = d(teta) ÷ dt.

De aici se poate obține formula pentru puterea arborelui motorului: P = M × omega.

Eficiența unui motor electric

eficiența este o caracteristică care reflectă eficiență a sistemului la transformarea energiei în energie mecanică. Exprimat prin raportul dintre energia utilă și energia consumată. În conformitate cu sistemul unificat de unități de măsură, se notează ca fiind "eta" și este o valoare adimensională calculată în procente. Formula de calcul a randamentului motorului electric prin putere:

eta = P₂ ÷ P₁, Unde:

P₁ - este puterea electrică (furnizată), W;

P₂ - puterea utilă (mecanică), W;

De asemenea, se poate exprima astfel:

eta = A ÷ Q × 100 %, unde:

A este lucrarea utilă, J;

Q - energia consumată, J.

Adesea, factorul este calculat folosind formula pentru puterea de intrare a motorului, deoarece este întotdeauna mai ușor de măsurat.

Din această cauză, se produce o reducere a eficienței unui motor electric:

• Pierderi electrice. Acestea rezultă din încălzirea conductorilor din cauza curentului care trece prin ei.
• Pierderi magnetice. Magnetizarea excesivă a miezului cauzează histerezis și curenți turbionari, ceea ce este important de luat în considerare în formula de calcul a puterii motorului.
• Pierderi mecanice. Acestea sunt asociate cu frecare și ventilație.
• Pierdere auxiliară. Acestea se datorează armonicilor câmpului magnetic, deoarece statorul și rotorul sunt zimțate. Există, de asemenea, armonici mai mari de forță magnetomotoare în înfășurări.

Trebuie remarcat faptul că randamentul este una dintre cele mai importante componente ale formulei de calcul al puterii motoarelor electrice, deoarece produce cifre cât mai apropiate de realitate. În medie, această valoare variază între 10% și 99. Acest lucru depinde de construcția mecanismului.

Viteza nominală

Un alt parametru cheie în caracteristicile electromecanice ale unui motor este viteza de rotație a arborelui. Se exprimă în rotații pe minut. Este adesea utilizat în formula pentru puterea de ieșire a unui motor de pompă pentru a afla capacitatea acestuia. Dar nu uitați că valoarea este întotdeauna diferită pentru funcționarea în gol și în sarcină. Indicele este o mărime fizică, egală cu numărul de rotații complete într-o anumită perioadă de timp.

Formula de calcul pentru viteză:

n = 30 × omega ÷ pi, unde:

n este turația motorului, în rotații pe minut.

Pentru a găsi capacitatea motorului folosind formula pentru viteza arborelui, aceasta trebuie dedusă din calculul vitezei unghiulare. Prin urmare, P = M × omega se va prezenta astfel:

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

t = 60 de secunde.

Moment de inerție

este o mărime fizică scalară care dă o măsură a inerției mișcării de rotație în jurul propriei axe. Masa unui corp este valoarea inerției sale în mișcare de translație. Caracteristica principală a parametrului este exprimată prin distribuția maselor corpului, care este egală cu suma produselor pătratului distanței de la axă la punctul de bază și a maselor obiectului.În Sistemul Internațional de Unități de măsură, aceasta se numește kg-m² și se calculează prin formula:

J = ∑ r² × dm, unde

J - momentul de inerție, kg-m² ;

m - masa obiectului, kg.

Momentele de inerție și forțele sunt legate între ele prin raport:

M - J × epsilon, unde

Accelerația unghiulară, s^-2.

Indicele se calculează astfel:

epsilon = d(omega) × dt.

Astfel, cunoscând masa și raza rotorului putem calcula parametrii de performanță ai mecanismelor. Formula de putere a motorului include toate aceste caracteristici.

Tensiunea de proiectare

De asemenea, se numește tensiune nominală. Este o tensiune de referință, reprezentată de un set standard de tensiuni, care este determinată de gradul de izolare a echipamentului electric și de rețeaua electrică. Acesta poate varia efectiv în diferite puncte ale echipamentului, dar nu trebuie să depășească Limita standardelor admise Mod de funcționare, conceput pentru funcționarea continuă a mașinilor.

Pentru instalațiile normale, tensiunile nominale sunt valorile de proiectare pentru care au fost proiectate de către proiectant în condiții normale de funcționare. Lista de tensiuni de rețea standard este prevăzută în GOST. Acești parametri sunt întotdeauna descrise în date tehnice de mașini. Pentru a calcula capacitatea, se utilizează formula pentru capacitatea de curent a motorului electric:

P = U × I.

Constanta de timp electrică

Reprezintă timpul, necesare pentru atingerea unui nivel de curent de până la 63% după aplicarea tensiunii la înfășurările de acționare. Parametrul se datorează tranziențelor electromecanice, deoarece acestea sunt trecătoare din cauza rezistivității ridicate. Formula generală de calcul a constantei de timp:

t_e = L ÷ R.

Cu toate acestea, constanta de timp electromecanică t_m este întotdeauna mai mare decât t electromagnetic t_e. Primul parametru se obține din ecuația caracteristică dinamică a motorului în condițiile în care rotorul accelerează de la turația zero până la turația maximă de ralanti. În acest caz, ecuația ia forma

M = M_st + J × (d(omega) ÷ dt), unde

M_st = 0.

De aici derivă formula:

M = J × (d(omega) ÷ dt).

De fapt, constanta de timp electromecanică este calculată din cuplul de pornire, M_п. Un mecanism care funcționează în condiții ideale, cu caracteristici rectilinii, va avea formula:

M = M_п × (1 - omega ÷ omega₀), unde

omega₀ - viteza de ralanti.

Astfel de calcule sunt utilizate în formula de putere a motorului pompei atunci când cursa pistonului este direct legată de viteza arborelui.

Formule de bază pentru calcularea puterii motorului

Întotdeauna există mulți parametri de luat în considerare atunci când se calculează performanța reală a unei mașini. mai presus de toate trebuie să fie cunoscută, dacă înfășurările motorului sunt alimentate cu curent continuu sau alternativ. principiul lor de lucru este diferit, prin urmare metoda de calcul este diferită. Dacă o imagine simplificată a calculului puterii de acționare arată astfel:

P_el = U × I, unde

I - intensitatea curentului, A;

U - tensiune, V

P_el - alimentarea cu energie electrică. W.

În formula de calcul a puterii motorului de curent alternativ, trebuie să se ia în considerare și defazajul (alfa). Respectiv, calcule pentru a unității asincrone arată după cum urmează:

P_el = U × I × cos(alfa).

În plus față de puterea activă (de intrare), există și o ieșire:

• S - putere reactivă, VA. S = P ÷ cos(alfa).
• Q - total, VA. Q = I × U × sin(alfa).

Pierderile de căldură și de inducție, precum și frecarea trebuie, de asemenea, să fie luate în considerare în calcul. Prin urmare, o formulă de model simplificată pentru un motor de curent continuu arată astfel:

P_el = Pmeh + Ptep + Rind + Ptr_, unde

Rmeh este puterea utilă generată, W;

Ptep - pierderi de generare a căldurii, Wt;

Rind - Costul sarcinii în bobina de inducție, W;

Pt - pierderea prin frecare, W.

Concluzie

Motoarele electrice sunt utilizate în aproape toate domeniile vieții umane: acasă, în industrie. Pentru a utiliza corect acționarea este necesar să se cunoască nu numai caracteristicile nominale ale acesteia, ci și caracteristicile reale. Acest lucru le va crește eficiența și va reduce costurile.