V elektromechanice existuje mnoho pohonů, které pracují s konstantním zatížením bez změny rychlosti otáčení. Používají se v průmyslových a domácích zařízeních jako jsou ventilátory, kompresory a další. Pokud nejsou nominální charakteristiky neznámé, pak se pro výpočty použije vzorec pro výkon elektromotoru. Výpočty parametrů jsou zvláště důležité pro nové a málo známé pohony. Výpočet se provádí pomocí speciálních koeficientů a také na základě nashromážděných zkušeností s podobnými mechanismy. Údaje jsou nezbytné pro správný provoz elektrických instalací.
Co je to elektromotor?
Elektromotor je zařízení, které přeměňuje elektrickou energii na mechanickou energii. Činnost většiny jednotek závisí na interakci magnetickýchpole s vinutím rotoru, což se projevuje jeho rotací. Pracují ze zdrojů stejnosměrného nebo střídavého proudu. Zdrojem energie může být baterie, invertor nebo elektrická zásuvka. V některých případech motor pracuje obráceně, to znamená, že přeměňuje mechanickou energii na elektrickou energii. Takové instalace jsou široce používány v elektrárnách poháněných proudem vzduchu nebo vody.
Elektromotory jsou klasifikovány podle typu zdroje energie, vnitřní konstrukce, aplikace a výkonu. Střídavé pohony mohou mít také speciální kartáče. Pracují na jednofázovém, dvoufázovém nebo třífázovém napětí, jsou chlazené vzduchem nebo kapalinou. Vzorec výkonu střídavého motoru
P=U x I, kde P je výkon, U je napětí, I je proud.
Pohony pro všeobecné použití se svými rozměry a charakteristikami se používají v průmyslu. Největší motory o výkonu více než 100 megawattů se používají v elektrárnách lodí, kompresorových a čerpacích stanicích. Menší velikosti se používají v domácích spotřebičích, jako je vysavač nebo ventilátor.
Design elektrického motoru
Pohon zahrnuje:
- Rotor.
- Stator.
- Ložiska.
- Vzduchová mezera.
- Navíjení.
- Přepnout.
Rotor je jediná pohyblivá část pohonu, která se otáčí kolem své vlastní osy. Proud procházející vodičivytváří indukční poruchu ve vinutí. Generované magnetické pole interaguje s permanentními magnety statoru, což uvádí hřídel do pohybu. Vypočítávají se podle vzorce pro výkon elektromotoru proudem, pro který se bere účinnost a účiník včetně všech dynamických charakteristik hřídele.
Ložiska jsou umístěna na hřídeli rotoru a přispívají k jeho otáčení kolem jeho osy. Vnější částí jsou připevněny ke skříni motoru. Hřídel jimi prochází a ven. Protože zatížení přesahuje pracovní oblast ložisek, nazývá se převislá.
Stator je pevným prvkem elektromagnetického obvodu motoru. Může obsahovat vinutí nebo permanentní magnety. Jádro statoru je vyrobeno z tenkých kovových desek, které se nazývají obal kotvy. Je navržen tak, aby snižoval energetické ztráty, ke kterým často dochází u pevných tyčí.
Vzduchová mezera je vzdálenost mezi rotorem a statorem. Malá mezera je účinná, protože ovlivňuje nízký koeficient provozu elektromotoru. Magnetizační proud se zvyšuje s velikostí mezery. Proto se vždy snaží, aby to bylo minimální, ale do rozumných mezí. Příliš malá vzdálenost způsobuje tření a uvolnění uzamykacích prvků.
Vinutí se skládá z měděného drátu sestaveného do jedné cívky. Obvykle se pokládá kolem měkkého magnetizovaného jádra, sestávajícího z několika vrstev kovu. V tuto chvíli dochází k poruchám indukčního poleproud procházející dráty vinutí. V tomto okamžiku jednotka vstoupí do režimu explicitní a implicitní konfigurace pólů. V prvním případě magnetické pole instalace vytváří vinutí kolem pólového nástavce. Ve druhém případě jsou štěrbiny pólového nástavce rotoru rozptýleny v distribuovaném poli. Motor se stíněným pólem má vinutí, které potlačuje magnetické rušení.
Přepínač se používá k přepínání vstupního napětí. Skládá se z kontaktních kroužků umístěných na hřídeli a vzájemně izolovaných. Proud kotvy je přiváděn na kontaktní kartáče rotačního komutátoru, což vede ke změně polarity a způsobuje rotaci rotoru od pólu k pólu. Pokud není žádné napětí, motor se přestane točit. Moderní stroje jsou vybaveny další elektronikou, která řídí proces otáčení.
Princip fungování
Podle Archimedova zákona vytváří proud ve vodiči magnetické pole, ve kterém působí síla F1. Pokud je z tohoto vodiče vyroben kovový rám a umístěn v poli pod úhlem 90°, pak na hrany budou působit síly nasměrované navzájem opačným směrem. Vytvářejí točivý moment kolem osy, která ji začne otáčet. Cívky kotvy zajišťují konstantní kroucení. Pole je vytvářeno elektrickými nebo permanentními magnety. První možnost je vyrobena ve formě vinutí cívky na ocelovém jádru. Proud smyčky tedy generuje ve vinutí elektromagnetu indukční pole, které generuje elektromotorsíla.
Podívejme se podrobněji na provoz asynchronních motorů na příkladu instalací s fázovým rotorem. Takové stroje pracují na střídavý proud s rychlostí kotvy, která se nerovná pulsaci magnetického pole. Proto se jim také říká induktivní. Rotor je poháněn interakcí elektrického proudu v cívkách s magnetickým polem.
Pokud v pomocném vinutí není žádné napětí, zařízení je v klidu. Jakmile se na kontaktech statoru objeví elektrický proud, vytvoří se magnetické pole konstantní v prostoru se zvlněním + F a -F. Může být reprezentován následujícím vzorcem:
pr=nrev=f1 × 60 ÷ p=n1
kde:
pr - počet otáček, které magnetické pole udělá v dopředném směru, ot./min;
rev - počet otáček pole v opačném směru, otáčky za minutu;
f1 - frekvence zvlnění elektrického proudu, Hz;
p - počet pólů;
1 – celkové RPM.
Rotor zažívá pulsace magnetického pole a přijímá počáteční pohyb. V důsledku nerovnoměrného dopadu proudění vyvine točivý moment. Ve zkratovaném vinutí vzniká podle indukčního zákona elektromotorická síla, která generuje proud. Jeho frekvence je úměrná prokluzu rotoru. V důsledku interakce elektrického proudu s magnetickým polem vzniká točivý moment hřídele.
Existují tři vzorce pro výpočty výkonuvýkon asynchronního elektromotoru. Použití fázového posunu
S=P ÷ cos (alfa), kde:
S je zdánlivý výkon měřený ve voltampérech.
P – činný výkon ve wattech.
alfa - fázový posun.
Plný výkon se vztahuje ke skutečnému indikátoru a činný výkon je vypočtený.
Typy elektromotorů
Podle zdroje napájení se pohony dělí na ty, které fungují od:
- DC.
- AC.
Podle principu fungování se dělí na:
- Sběratel.
- Ventil.
- Asynchronní.
- Synchronní.
Vent motory nepatří do samostatné třídy, protože jejich zařízení je variantou pohonu kolektoru. Jejich konstrukce zahrnuje elektronický převodník a snímač polohy rotoru. Obvykle jsou integrovány společně s řídicí deskou. Na jejich náklady dochází ke koordinovanému spínání armatury.
Synchronní a asynchronní motory běží výhradně na střídavý proud. Otáčení řídí sofistikovaná elektronika. Asynchronní se dělí na:
- Třífázový.
- Dvoufázové.
- Jednofázové.
Teoretický vzorec pro výkon třífázového elektromotoru při připojení do hvězdy nebo trojúhelníku
P=3Uf If cos(alpha).
U lineárního napětí a proudu to však vypadá takto
P=1, 73 × Uf × If × cos(alpha).
Toto bude skutečný ukazatel výkonumotor se stáhne ze sítě.
Synchronní dále rozdělené na:
- Krok.
- Hybridní.
- Induktor.
- Hystereze.
- Reaktivní.
Krokové motory mají ve své konstrukci permanentní magnety, takže nejsou klasifikovány jako samostatná kategorie. Činnost mechanismů je řízena pomocí frekvenčních měničů. Existují také univerzální motory, které pracují na střídavý a stejnosměrný proud.
Obecné vlastnosti motorů
Všechny motory mají společné parametry, které se používají ve vzorci pro určení výkonu elektromotoru. Na jejich základě můžete vypočítat vlastnosti stroje. V různé literatuře se mohou nazývat různě, ale znamenají totéž. Seznam těchto parametrů obsahuje:
- Točivý moment.
- Výkon motoru.
- Efektivita.
- Jmenovitý počet otáček.
- Moment setrvačnosti rotoru.
- Jmenovité napětí.
- Elektrická časová konstanta.
Výše uvedené parametry jsou nezbytné především pro stanovení účinnosti elektrických instalací poháněných mechanickou silou motorů. Vypočítané hodnoty dávají pouze přibližnou představu o skutečných vlastnostech produktu. Tyto ukazatele se však často používají ve vzorci pro výkon elektromotoru. Je to ona, kdo určuje efektivitu strojů.
Točivý moment
Tento termín má několik synonym: moment síly, moment motoru, točivý moment, točivý moment. Všechny se používají k označení jednoho ukazatele, i když z hlediska fyziky nejsou tyto pojmy vždy totožné.
Za účelem sjednocení terminologie byly vyvinuty standardy, které vše spojují do jediného systému. Proto se v technické dokumentaci vždy používá slovní spojení "točivý moment". Je to vektorová fyzikální veličina, která se rovná součinu vektorových hodnot síly a poloměru. Vektor poloměru se kreslí od osy otáčení k bodu působící síly. Z fyzikálního hlediska spočívá rozdíl mezi kroutícím momentem a rotačním momentem v místě působení síly. V prvním případě je to vnitřní úsilí, ve druhém - vnější. Hodnota se měří v newtonmetrech. Vzorec výkonu motoru však používá jako základní hodnotu točivý moment.
Počítá se jako
M=F × r kde:
M - točivý moment, Nm;
F - použitá síla, H;
r – poloměr, m.
Pro výpočet jmenovitého točivého momentu pohonu použijte vzorec
Mnom=30Rnom ÷ pi × nnom, kde:
Rnom - jmenovitý výkon elektromotoru, W;
nnom – jmenovitá rychlost, min-1.
V souladu s tím by vzorec pro jmenovitý výkon elektromotoru měl vypadat takto:
Pnom=Mnom pinnom / 30.
Všechny charakteristiky jsou obvykle uvedeny ve specifikaci. Stává se však, že musíte pracovat se zcela novými instalacemi,informace, které je velmi obtížné najít. Pro výpočet technických parametrů takových zařízení se berou data jejich analogů. Také jsou vždy známy pouze jmenovité charakteristiky, které jsou uvedeny ve specifikaci. Skutečná data musíte vypočítat sami.
Výkon motoru
V obecném smyslu je tento parametr skalární fyzikální veličinou, která je vyjádřena rychlostí spotřeby nebo transformace energie systému. Ukazuje, kolik práce mechanismus vykoná za určitou časovou jednotku. V elektrotechnice charakteristika zobrazuje užitečný mechanický výkon na centrální hřídeli. Pro označení indikátoru se používá písmeno P nebo W. Hlavní jednotkou měření je Watt. Obecný vzorec pro výpočet výkonu elektromotoru může být reprezentován jako:
P=dA ÷ dt kde:
A - mechanická (užitečná) práce (energie), J;
t – uplynulý čas, sec.
Mechanická práce je také skalární fyzikální veličina, vyjádřená působením síly na předmět a v závislosti na směru a posunutí tohoto předmětu. Je to součin vektoru síly a cesty:
dA=F × ds kde:
s – ujetá vzdálenost, m.
Vyjadřuje vzdálenost, kterou překoná bod aplikované síly. Pro rotační pohyby je vyjádřen jako:
ds=r × d(teta), kde:
teta - úhel natočení, rad.
Tímto způsobem můžete vypočítat úhlovou frekvenci otáčení rotoru:
omega=d(teta) ÷ dt.
Z toho vyplývá vzorec pro výkon elektromotoru na hřídeli: P \u003d M ×omega.
Účinnost elektromotoru
Účinnost je charakteristika, která odráží účinnost systému při přeměně energie na mechanickou energii. Vyjadřuje se jako poměr užitečné energie k vynaložené energii. Podle jednotného systému měrných jednotek se označuje jako "eta" a jde o bezrozměrnou hodnotu počítanou v procentech. Vzorec pro účinnost elektromotoru z hlediska výkonu:
eta=P2 ÷ P1 kde:
P1 - elektrický (napájecí) výkon, W;
P2 - užitečný (mechanický) výkon, W;
Může být také vyjádřen jako:
eta=A ÷ Q × 100 %, kde:
A – užitečná práce, J;
Q – vynaložená energie, J.
Častěji se koeficient vypočítává pomocí vzorce pro spotřebu energie elektromotoru, protože tyto ukazatele se vždy snáze měří.
Snížení účinnosti elektromotoru je způsobeno:
- Elektrické ztráty. K tomu dochází v důsledku zahřívání vodičů při průchodu proudu jimi.
- Magnetická ztráta. V důsledku nadměrné magnetizace jádra se objevují hystereze a vířivé proudy, což je důležité vzít v úvahu ve vzorci výkonu motoru.
- Mechanická ztráta. Souvisí s třením a ventilací.
- Další ztráty. Objevují se v důsledku harmonických složek magnetického pole, protože stator a rotor jsou ozubené. Také ve vinutí jsou vyšší harmonické magnetomotorické síly.
Je třeba poznamenat, že účinnost je jednou z nejdůležitějších složekvzorce pro výpočet výkonu elektromotoru, protože umožňuje získat čísla, která se nejvíce blíží realitě. V průměru se toto číslo pohybuje od 10 % do 99 %. Záleží na konstrukci mechanismu.
Jmenovitý počet otáček
Dalším klíčovým ukazatelem elektromechanických charakteristik motoru jsou otáčky hřídele. Vyjadřuje se v otáčkách za minutu. Často se používá ve vzorci výkonu motoru čerpadla ke zjištění jeho výkonu. Je však třeba pamatovat na to, že ukazatel je vždy jiný pro volnoběh a práci pod zatížením. Indikátor představuje fyzickou hodnotu rovnající se počtu plných otáček za určité časové období.
Vzorec pro výpočet RPM:
n=30 × omega ÷ pi kde:
n – otáčky motoru, ot./min.
Abychom zjistili výkon elektromotoru podle vzorce pro otáčky hřídele, je nutné jej přivést k výpočtu úhlové rychlosti. Takže P=M × omega by vypadalo takto:
P=M × (2pi × n ÷ 60)=M × (n ÷ 9, 55) kde
t=60 sekund.
Moment setrvačnosti
Tento indikátor je skalární fyzikální veličina, která odráží míru setrvačnosti rotačního pohybu kolem vlastní osy. V tomto případě je hmotnost tělesa hodnotou jeho setrvačnosti při translačním pohybu. Hlavní charakteristika parametru je vyjádřena rozložením tělesných hmotností, které se rovná součtu součinů druhé mocniny vzdálenosti od osy k základnímu bodu a hmotností předmětu V Mezinárodní soustavě jednotekměření je označeno jako kg m2 a má se vypočítá podle vzorce:
J=∑ r2 × dm kde
J - moment setrvačnosti, kg m2;
m - hmotnost předmětu, kg.
Momenty setrvačnosti a síly souvisí se vztahem:
M – J × epsilon, kde
epsilon - úhlové zrychlení, s-2.
Ukazatel se vypočítá takto:
epsilon=d(omega) × dt.
Znáte-li tedy hmotnost a poloměr rotoru, můžete vypočítat výkonnostní parametry mechanismů. Vzorec výkonu motoru zahrnuje všechny tyto charakteristiky.
Jmenovité napětí
Nazývá se také nominální. Představuje základní napětí, reprezentované standardní sadou napětí, které je určeno stupněm izolace elektrického zařízení a sítě. Ve skutečnosti se může lišit na různých místech zařízení, ale nemělo by překročit maximální přípustné provozní podmínky určené pro nepřetržitý provoz mechanismů.
U konvenčních instalací se jmenovitým napětím rozumí vypočtené hodnoty, pro které jsou poskytovány vývojářem v běžném provozu. Seznam standardního síťového napětí je uveden v GOST. Tyto parametry jsou vždy popsány v technických specifikacích mechanismů. Pro výpočet výkonu použijte vzorec pro výkon elektromotoru podle proudu:
P=U × I.
Elektrická časová konstanta
Představuje čas potřebný k dosažení aktuální úrovně až 63 % po zapnutí napájeníhnací vinutí. Parametr je způsoben přechodnými procesy elektromechanických charakteristik, protože jsou pomíjivé kvůli velkému aktivnímu odporu. Obecný vzorec pro výpočet časové konstanty je:
te=L ÷ R.
Elektromechanická časová konstanta tm je však vždy větší než elektromagnetická časová konstanta te. rotor zrychluje nulovou rychlostí na maximální volnoběžné otáčky. V tomto případě má rovnice tvar
M=Mst + J × (d(omega) ÷ dt), kde
Mst=0.
Odtud dostaneme vzorec:
M=J × (d(omega) ÷ dt).
Ve skutečnosti je elektromechanická časová konstanta vypočítána ze startovacího momentu - Mp. Mechanismus pracující za ideálních podmínek s přímočarými charakteristikami bude mít vzorec:
M=Mp × (1 - omega ÷ omega0), kde
omega0 - volnoběh.
Takové výpočty se používají ve vzorci výkonu motoru čerpadla, když zdvih pístu přímo závisí na rychlosti hřídele.
Základní vzorce pro výpočet výkonu motoru
Pro výpočet skutečných charakteristik mechanismů musíte vždy vzít v úvahu mnoho parametrů. nejprve musíte vědět, jaký proud je přiváděn do vinutí motoru: stejnosměrný nebo střídavý. Princip jejich práce je odlišný, proto je jiný způsob výpočtu. Pokud zjednodušený pohled na výpočet výkonu pohonu vypadá takto:
Pel=U × I kde
I - síla proudu, A;
U - napětí, V;
Pel - dodávaná elektrická energie. Út.
Ve vzorci pro výkon střídavého motoru je třeba vzít v úvahu také fázový posun (alfa). Podle toho výpočty pro asynchronní pohon vypadají takto:
Pel=U × I × cos(alfa).
Kromě aktivního (napájecího) napájení je zde také:
- S - reaktivní, VA. S=P ÷ cos(alfa).
- Q – plná, VA. Q=I × U × sin(alfa).
Výpočty musí také brát v úvahu tepelné a indukční ztráty a také tření. Proto zjednodušený model vzorce pro stejnosměrný motor vypadá takto:
Pel=Pmech + Rtep + Rind + Rtr, kde
Рmeh – užitečná generovaná energie, W;
Rtep - tepelné ztráty, W;
Rind – náklady na nabíjení v indukční cívce, W;
RT – ztráta v důsledku tření, W.
Závěr
Elektromotory se používají téměř ve všech oblastech lidského života: v každodenním životě, ve výrobě. Pro správné používání pohonu je nutné znát nejen jeho jmenovité charakteristiky, ale i ty skutečné. To zvýší jeho efektivitu a sníží náklady.
