En electromecànica, hi ha molts accionaments que funcionen amb càrregues constants sense canviar la velocitat de gir. S'utilitzen en equipaments industrials i domèstics com ventiladors, compressors i altres. Si es desconeixen les característiques nominals, per als càlculs s'utilitza la fórmula de la potència del motor elèctric. Els càlculs de paràmetres són especialment rellevants per a unitats noves i poc conegudes. El càlcul es realitza mitjançant coeficients especials, així com sobre la base de l'experiència acumulada amb mecanismes similars. Les dades són imprescindibles per al correcte funcionament de les instal·lacions elèctriques.
Què és un motor elèctric?
Un motor elèctric és un dispositiu que converteix l'energia elèctrica en energia mecànica. El funcionament de la majoria de les unitats depèn de la interacció del magnèticcamps amb el bobinatge del rotor, que s'expressa en la seva rotació. Funcionen amb fonts d'alimentació de CC o CA. La font d'alimentació pot ser una bateria, un inversor o una presa de corrent. En alguns casos, el motor funciona al revés, és a dir, converteix l'energia mecànica en energia elèctrica. Aquestes instal·lacions s'utilitzen àmpliament a les centrals elèctriques alimentades amb flux d'aire o aigua.
Els motors elèctrics es classifiquen segons el tipus de font d'alimentació, disseny intern, aplicació i potència. A més, les unitats de CA poden tenir raspalls especials. Funcionen amb tensió monofàsica, bifàsica o trifàsica, són refrigerats per aire o líquid. Fórmula de potència del motor de CA
P=U x I, on P és la potència, U és la tensió, I és el corrent.
Les unitats d'ús general amb la seva mida i característiques s'utilitzen a la indústria. Els motors més grans amb una capacitat de més de 100 megawatts s'utilitzen a les centrals elèctriques de vaixells, compressors i estacions de bombeig. Les mides més petites s'utilitzen en electrodomèstics com una aspiradora o un ventilador.
Disseny de motor elèctric
Drive inclou:
- Rotor.
- Estator.
- Coixinets.
- Eclat d'aire.
- Sinuosa.
- Canvia.
El rotor és l'única part mòbil de la unitat que gira al voltant del seu propi eix. Corrent que passa pels conductorsforma una pertorbació inductiva al bobinatge. El camp magnètic generat interacciona amb els imants permanents de l'estator, que posa l'eix en moviment. Es calculen segons la fórmula de la potència del motor elèctric per corrent, per a la qual es prenen l'eficiència i el factor de potència, incloses totes les característiques dinàmiques de l'eix.
Els coixinets es troben a l'eix del rotor i contribueixen a la seva rotació al voltant del seu eix. La part exterior estan connectades a la carcassa del motor. L'eix passa per ells i surt. Com que la càrrega va més enllà de l'àrea de treball dels coixinets, s'anomena volant.
L'estator és un element fix del circuit electromagnètic del motor. Pot incloure imants de bobina o permanents. El nucli de l'estator està fet de plaques metàl·liques primes, que s'anomenen paquet d'armadura. Està dissenyat per reduir la pèrdua d'energia, que sovint passa amb les barres sòlides.
L'entrefer és la distància entre el rotor i l'estator. Un petit espai és efectiu, ja que afecta el baix coeficient de funcionament del motor elèctric. El corrent de magnetització augmenta amb la mida del buit. Per tant, sempre intenten que sigui mínim, però fins a límits raonables. Una distància massa petita provoca la fricció i l'afluixament dels elements de bloqueig.
El bobinatge consta de filferro de coure muntat en una bobina. Normalment es col·loca al voltant d'un nucli tou magnetitzat, format per diverses capes de metall. La pertorbació del camp d'inducció es produeix en aquest momentcorrent que passa pels cables del bobinat. En aquest punt, la unitat entra en el mode de configuració de pols explícit i implícit. En el primer cas, el camp magnètic de la instal·lació crea un enrotllament al voltant de la peça polar. En el segon cas, les ranures de la peça polar del rotor es troben disperses en el camp distribuït. El motor del pol ombrejat té un bobinatge que suprimeix les pertorbacions magnètiques.
L'interruptor s'utilitza per canviar la tensió d'entrada. Consta d'anells de contacte situats a l'eix i aïllats els uns dels altres. El corrent de l'induït s'aplica als raspalls de contacte del commutador rotatiu, la qual cosa comporta un canvi de polaritat i fa que el rotor giri de pol a pol. Si no hi ha tensió, el motor deixa de girar. Les màquines modernes estan equipades amb electrònica addicional que controla el procés de rotació.
Principi de funcionament
Segons la llei d'Arquimedes, el corrent al conductor crea un camp magnètic en el qual actua la força F1. Si es fa un marc metàl·lic amb aquest conductor i es col·loca al camp amb un angle de 90 °, aleshores les vores experimentaran forces dirigides en la direcció oposada entre si. Creen un parell al voltant de l'eix, que comença a girar-lo. Les bobines de l'induït proporcionen una torsió constant. El camp és creat per imants elèctrics o permanents. La primera opció es fa en forma d'un enrotllament de bobina sobre un nucli d'acer. Així, el corrent de bucle genera un camp d'inducció al bobinat de l'electroimant, que genera un electromotriu.força.
Considerem amb més detall el funcionament dels motors asíncrons fent servir l'exemple d'instal·lacions amb rotor de fase. Aquestes màquines funcionen amb corrent altern amb una velocitat de l'armadura que no és igual a la pulsació del camp magnètic. Per tant, també s'anomenen inductius. El rotor és impulsat per la interacció del corrent elèctric de les bobines amb el camp magnètic.
Quan no hi ha tensió al bobinatge auxiliar, el dispositiu està en repòs. Tan bon punt apareix un corrent elèctric als contactes de l'estator, es forma un camp magnètic constant a l'espai amb una ondulació de + F i -F. Es pot representar amb la fórmula següent:
pr=nrev=f1 × 60 ÷ p=n1
on:
pr - el nombre de revolucions que fa el camp magnètic en la direcció cap endavant, rpm;
rev - nombre de voltes del camp en sentit contrari, rpm;
f1 - freqüència de ondulació del corrent elèctric, Hz;
p - nombre de pols;
1 - RPM total.
Experimentant pulsacions del camp magnètic, el rotor rep el moviment inicial. A causa de l'impacte no uniforme del flux, desenvoluparà un parell. Segons la llei de la inducció, en un bobinat en curtcircuit es forma una força electromotriu, que genera un corrent. La seva freqüència és proporcional al lliscament del rotor. A causa de la interacció del corrent elèctric amb un camp magnètic, es crea un parell d'eix.
Hi ha tres fórmules per calcular el rendimentpotència d'un motor elèctric asíncron. Per canvi de fase utilitza
S=P ÷ cos (alfa), on:
S és la potència aparent mesurada en voltios-ampers.
P - potència activa en watts.
alpha - canvi de fase.
La potència total fa referència a l'indicador real i la potència activa és la calculada.
Tipus de motors elèctrics
Segons la font d'alimentació, les unitats es divideixen en les que funcionen des de:
- DC.
- AC.
Segons el principi de funcionament, al seu torn, es divideixen en:
- Col·leccionista.
- Vàlvula.
- Asíncron.
- Síncron.
Els motors de ventilació no pertanyen a una classe separada, ja que el seu dispositiu és una variació de l'accionament del col·lector. El seu disseny inclou un convertidor electrònic i un sensor de posició del rotor. Normalment estan integrats juntament amb la placa de control. A costa seva, es produeix la commutació coordinada de l'armadura.
Els motors síncrons i asíncrons funcionen exclusivament amb corrent altern. La rotació està controlada per una electrònica sofisticada. Els asíncrons es divideixen en:
- Trifàsic.
- Bifàsica.
- Monofàsica.
Fórmula teòrica per a la potència d'un motor elèctric trifàsic quan es connecta a una estrella o un delta
P=3Uf If cos(alpha).
No obstant això, per a la tensió i el corrent lineals es veu així
P=1, 73 × Uf × If × cos(alfa).
Aquest serà un indicador real de quanta potènciael motor s'activa de la xarxa.
Síncrona subdividida en:
- Pas.
- Híbrid.
- Inductor.
- Histèresi.
- Reactiu.
Els motors pas a pas tenen imants permanents en el seu disseny, per la qual cosa no es classifiquen com una categoria separada. El funcionament dels mecanismes es controla mitjançant convertidors de freqüència. També hi ha motors universals que funcionen amb CA i CC.
Característiques generals dels motors
Tots els motors tenen paràmetres comuns que s'utilitzen en la fórmula per determinar la potència d'un motor elèctric. A partir d'ells, podeu calcular les propietats de la màquina. En literatura diferent, es poden anomenar de manera diferent, però volen dir el mateix. La llista d'aquests paràmetres inclou:
- Parell.
- Potència del motor.
- Eficiència.
- Nombre nominal de revolucions.
- Moment d'inèrcia del rotor.
- Tensió nominal.
- Constante de temps elèctrica.
Els paràmetres anteriors són necessaris, en primer lloc, per determinar l'eficiència de les instal·lacions elèctriques alimentades per la força mecànica dels motors. Els valors calculats només donen una idea aproximada de les característiques reals del producte. No obstant això, aquests indicadors s'utilitzen sovint en la fórmula de la potència del motor elèctric. És ella qui determina l'eficàcia de les màquines.
Parell
Aquest terme té diversos sinònims: moment de força, moment del motor, parell, parell. Tots ells s'utilitzen per indicar un indicador, tot i que des del punt de vista de la física, aquests conceptes no sempre són idèntics.
Per tal d'unificar la terminologia, s'han desenvolupat estàndards que ho reuneixen tot en un únic sistema. Per tant, a la documentació tècnica, sempre s'utilitza la frase "parell". És una magnitud física vectorial, que és igual al producte dels valors vectorials de força i radi. El vector radi es dibuixa des de l'eix de rotació fins al punt de força aplicada. Des del punt de vista de la física, la diferència entre parell i moment de rotació rau en el punt d'aplicació de la força. En el primer cas, es tracta d'un esforç intern, en el segon, extern. El valor es mesura en newton metres. Tanmateix, la fórmula de la potència del motor utilitza el parell com a valor base.
Es calcula com a
M=F × r on:
M - parell, Nm;
F - força aplicada, H;
r - radi, m.
Per calcular el parell nominal de l'actuador, utilitzeu la fórmula
Mnom=30Rnom ÷ pi × nnom, on:
Rnom - potència nominal del motor elèctric, W;
nnom - velocitat nominal, min-1.
En conseqüència, la fórmula per a la potència nominal del motor elèctric hauria de ser així:
Pnom=Mnom pinnom / 30.
En general, totes les característiques s'indiquen a l'especificació. Però passa que has de treballar amb instal·lacions completament noves,informació sobre la qual és molt difícil de trobar. Per calcular els paràmetres tècnics d'aquests dispositius, es prenen les dades dels seus anàlegs. Així mateix, sempre es coneixen només les característiques nominals, que es donen en el plec. Les dades reals les has de calcular tu mateix.
Potència del motor
En un sentit general, aquest paràmetre és una magnitud física escalar, que s'expressa en la taxa de consum o transformació de l'energia del sistema. Mostra quant de treball realitzarà el mecanisme en una determinada unitat de temps. En enginyeria elèctrica, la característica mostra la potència mecànica útil a l'eix central. Per indicar l'indicador s'utilitza la lletra P o W. La unitat de mesura principal és Watt. La fórmula general per calcular la potència d'un motor elèctric es pot representar com:
P=dA ÷ dt on:
A - treball mecànic (útil) (energia), J;
t - temps transcorregut, segons
El treball mecànic també és una magnitud física escalar, expressada per l'acció d'una força sobre un objecte, i en funció de la direcció i el desplaçament d'aquest objecte. És el producte del vector força i la trajectòria:
dA=F × ds on:
s - distància recorreguda, m.
Expressa la distància que superarà un punt de força aplicada. Per als moviments de rotació, s'expressa com:
ds=r × d(teta), on:
teta - angle de gir, rad.
D'aquesta manera podeu calcular la freqüència angular de gir del rotor:
omega=d(teta) ÷ dt.
A partir d'això se segueix la fórmula per a la potència del motor elèctric a l'eix: P \u003d M ×omega.
Eficiència del motor elèctric
L'eficiència és una característica que reflecteix l'eficiència del sistema a l'hora de convertir l'energia en energia mecànica. S'expressa com la relació entre l'energia útil i l'energia gastada. Segons el sistema unificat d'unitats de mesura, s'anomena "eta" i és un valor adimensional, calculat com a percentatge. La fórmula de l'eficiència d'un motor elèctric en termes de potència:
eta=P2 ÷ P1 on:
P1 - potència elèctrica (de subministrament), W;
P2 - potència útil (mecànica), W;
També es pot expressar com:
eta=A ÷ Q × 100%, on:
A - treball útil, J;
Q - energia gastada, J.
Més sovint, el coeficient es calcula mitjançant la fórmula del consum d'energia d'un motor elèctric, ja que aquests indicadors sempre són més fàcils de mesurar.
La disminució de l'eficiència del motor elèctric es deu a:
- Pèrdues elèctriques. Això es produeix com a conseqüència de l'escalfament dels conductors pel pas del corrent a través d'ells.
- Pèrdua magnètica. A causa de la magnetització excessiva del nucli, apareixen histèresi i corrents de Foucault, que és important tenir en compte en la fórmula de potència del motor.
- Pèrdua mecànica. Estan relacionats amb la fricció i la ventilació.
- Pèrdues addicionals. Apareixen a causa dels harmònics del camp magnètic, ja que l'estator i el rotor són dentats. També al bobinatge hi ha harmònics més alts de la força magnetomotriu.
Cal tenir en compte que l'eficiència és un dels components més importantsfórmules per calcular la potència d'un motor elèctric, ja que permet obtenir nombres més propers a la realitat. De mitjana, aquesta xifra varia del 10% al 99%. Depèn del disseny del mecanisme.
Nombre nominal de revolucions
Un altre indicador clau de les característiques electromecàniques del motor és la velocitat de l'eix. S'expressa en revolucions per minut. Sovint s'utilitza en la fórmula de potència del motor de la bomba per conèixer el seu rendiment. Però cal recordar que l'indicador sempre és diferent per al ralentí i per treballar amb càrrega. L'indicador representa un valor físic igual al nombre de revolucions completes durant un període de temps determinat.
Fórmula de càlcul de
RPM:
n=30 × omega ÷ pi on:
n - velocitat del motor, rpm.
Per trobar la potència del motor elèctric segons la fórmula de la velocitat de l'eix, cal portar-la al càlcul de la velocitat angular. Així, P=M × omega es veuria així:
P=M × (2pi × n ÷ 60)=M × (n ÷ 9, 55) on
t=60 segons.
Moment d'inèrcia
Aquest indicador és una magnitud física escalar que reflecteix una mesura de la inèrcia del moviment de rotació al voltant del seu propi eix. En aquest cas, la massa del cos és el valor de la seva inèrcia durant el moviment de translació. La característica principal del paràmetre s'expressa mitjançant la distribució de les masses corporals, que és igual a la suma dels productes del quadrat de la distància des de l'eix al punt base i les masses de l'objecte. En el Sistema Internacional d'Unitatsmesura es denota com a kg m2 i es calcula amb la fórmula:
J=∑ r2 × dm on
J - moment d'inèrcia, kg m2;
m - massa de l'objecte, kg.
Els moments d'inèrcia i les forces estan relacionats per la relació:
M - J × èpsilon, on
epsilon - acceleració angular, s-2.
L'indicador es calcula com:
epsilon=d(omega) × dt.
Així, coneixent la massa i el radi del rotor, podeu calcular els paràmetres de rendiment dels mecanismes. La fórmula de la potència del motor inclou totes aquestes característiques.
Tensió nominal
També s'anomena nominal. Representa la tensió base, representada per un conjunt estàndard de tensions, que està determinada pel grau d'aïllament dels equips elèctrics i de la xarxa. En realitat, pot diferir en diferents punts de l'equip, però no ha de superar les condicions de funcionament màximes permeses, dissenyades per al funcionament continu dels mecanismes.
Per a les instal·lacions convencionals, s'entén per tensió nominal els valors calculats per als quals els proporciona el promotor en funcionament normal. La llista de tensió de xarxa estàndard es proporciona a GOST. Aquests paràmetres sempre es descriuen a les especificacions tècniques dels mecanismes. Per calcular el rendiment, utilitzeu la fórmula de la potència del motor elèctric per corrent:
P=U × I.
Constante de temps elèctric
Representa el temps necessari per assolir el nivell actual fins al 63% després d'engegar elbobinatges d'accionament. El paràmetre es deu a processos transitoris de característiques electromecàniques, ja que són efímers per la gran resistència activa. La fórmula general per calcular la constant de temps és:
te=L ÷ R.
No obstant això, la constant de temps electromecànica tm és sempre més gran que la constant de temps electromagnètica te. el rotor accelera a velocitat zero a la velocitat màxima de ralentí. En aquest cas, l'equació pren la forma
M=Mst + J × (d(omega) ÷ dt), on
Mst=0.
A partir d'aquí obtenim la fórmula:
M=J × (d(omega) ÷ dt).
De fet, la constant de temps electromecànica es calcula a partir del parell d'arrencada - Mp. Un mecanisme que funcioni en condicions ideals amb característiques rectilínies tindrà la fórmula:
M=Mp × (1 - omega ÷ omega0), on
omega0 - velocitat de ralentí.
Aquests càlculs s'utilitzen a la fórmula de potència del motor de la bomba quan la carrera del pistó depèn directament de la velocitat de l'eix.
Fórmules bàsiques per calcular la potència del motor
Per calcular les característiques reals dels mecanismes, sempre cal tenir en compte molts paràmetres. En primer lloc, cal saber quin corrent es subministra als bobinatges del motor: directe o altern. El principi del seu treball és diferent, per tant, el mètode de càlcul és diferent. Si la vista simplificada del càlcul de la potència de la unitat té aquest aspecte:
Pel=U × I on
I - intensitat actual, A;
U - voltatge, V;
Pel - energia elèctrica subministrada. Dt.
A la fórmula de potència del motor de CA, també s'ha de tenir en compte el canvi de fase (alfa). En conseqüència, els càlculs per a una unitat asíncrona semblen:
Pel=U × I × cos(alfa).
A més de l'alimentació activa (subministrament), també hi ha:
- S - reactiu, VA. S=P ÷ cos(alfa).
- Q - complet, VA. Q=I × U × sin(alfa).
Els càlculs també han de tenir en compte les pèrdues tèrmiques i inductives, així com la fricció. Per tant, un model de fórmula simplificada per a un motor de corrent continu té aquest aspecte:
Pel=Pmech + Rtep + Rind + Rtr, on
Рmeh - potència generada útil, W;
Rtep - pèrdua de calor, W;
Rind - cost de càrrega a la bobina d'inducció, W;
RT - pèrdua per fricció, W.
Conclusió
Els motors elèctrics s'utilitzen en gairebé tots els àmbits de la vida humana: en la vida quotidiana, en la producció. Per a l'ús correcte de la unitat, cal conèixer no només les seves característiques nominals, sinó també les reals. Això augmentarà la seva eficiència i reduirà els costos.
