Двигатели на среднее напряжение

Электродвигатели

Электрический двигатель, сокращенно электродвигатель — электрическая машина, с помощью которой электрическая энергия преобразуется в механическую, для приведения в движение различных механизмов. Электродвигатель является основным элементом электропривода.

В некоторых режимах работы электропривода электродвигатель осуществляет обратное преобразование энергии, то есть работает в режиме электрического генератора.

По виду создаваемого механического движения электродвигатели бывают вращающиеся, линейные и др. Под электродвигателем чаще всего подразумевается вращающий электродвигатель, так как он получил наибольшее применение.

Областью науки и техники изучающей электрические машины является — электромеханика. Принято считать, что ее история начинается с 1821 года, когда был создан первый электродвигатель М.Фарадея.

Конструкция электродвигателя

Основными компонентами вращающегося электродвигателя являются статор и ротор. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть.

Стандартная конструкция вращающегося электродвигателя

У большей части электродвигателей ротор располагается внутри статора. Электродвигатели у которых ротор находится снаружи статора называются электродвигателями обращенного типа.

Принцип работы электродвигателя

1. Согласно закону Ампера на проводник с током I в магнитном поле будет действовать сила F.

2. Если проводник с током I согнуть в рамку и поместить в магнитное поле, то две стороны рамки, находящиеся под прямым углом к магнитному полю, будут испытывать противоположно направленные силы F

3. Силы, действующие на рамку, создают крутящий момент или момент силы, вращающий ее.

4. Производимые электродвигатели имеют несколько витков на якоре, чтобы обеспечить больший постоянный момент.

5. Магнитное поле может создаваться как магнитами, так и электромагнитами. Электромагнит обычно представляет из себя провод намотанный на сердечник. Таким образом, по закону электромагнитной индукции ток протекающий в рамки будет индуцировать ток в обмотки электромагнита, который в свою очередь будет создавать магнитное поле.

Подробное описание принципа работы электродвигателей разных типов:
• Принцип работы однофазного асинхронного электродвигателя
• Принцип работы трехфазного асинхронного электродвигателя
• Принцип работы синхронного электродвигателя

Классификация электродвигателей

• Универсальный
• Репульсионный

• КДПТ с обмоткой возбуждения
  Включение обмотки
  • Независимое
  • Последовательное возбуждения
  • Параллельное
  • Комбинированное
  • БДПТ
    (Бесколлекторный двигатель + ЭП |+ ДПР)
  • ВРД
    (Реактивный двигатель с ротором с явновыраженными полюсами и сосредоточенной обмоткой статора + ЭП |+ ДПР)
  • Трехфазный
    (многофазный)
    • АДКР
    • АДФР
    • с пусковой обмоткой
    • с экранированными полюсами
    • с асимметричным магнитопроводом
    • СДОВ
      (с контактными кольцами и щетками) —>
    • СДПМ 5 —>
      • СДПМВ
      • СДПМП
      • Гибридный
      1. Указанная категория не представляет отдельный класс электродвигателей, так как устройства, входящие в рассматриваемую категорию (БДПТ, ВРД), являются комбинацией бесколлекторного двигателя, электрического преобразователя (инвертора) и, в некоторых случаях, — датчика положения ротора. В данных устройствах электрический преобразователь, в виду его невысокой сложности и небольших габаритов, обычно интегрирован в электродвигатель.
      2. Вентильный двигатель может быть определен как электрический двигатель, имеющий датчик положения ротора, управляющий полупроводниковым преобразователем, осуществляющим согласованную коммутацию обмотки якоря [5].
      3. Вентильный электродвигатель постоянного тока — электродвигатель постоянного тока, вентильное коммутирующее устройство которого представляет собой инвертор, управляемый либо по положению ротора, либо по фазе напряжения на обмотки якоря, либо по положению магнитного поля [1].
      4. Электродвигатели используемые в БДПТ и ВРД являются двигателями переменного тока, при этом за счет наличия в данных устройствах электрического преобразователя они подключаются к сети постоянного тока.
      5. Шаговый двигатель не является отдельным классом двигателя. Конструктивно он представляет из себя СДПМ, СРД или гибридный СРД-ПМ.
      • КДПТ — коллекторный двигатель постоянного тока
      • БДПТ — бесколлекторный двигатель постоянного тока
      • ЭП — электрический преобразователь
      • ДПР — датчик положения ротора
      • ВРД — вентильный реактивный двигатель
      • АДКР — асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором
      • АДФР — асинхронный двигатель с фазным ротором
      • СДОВ — синхронный двигатель с обмоткой возбуждения

      Типы электродвигателей

      Коллекторные электродвигатели

      Коллекторная машина — вращающаяся электрическая машина, у которой хотя бы одна из обмоток, участвующих в основном процессе преобразования энергии, соединена с коллектором [1]. В коллекторном двигателе щеточно-коллекторный узел выполняет функцию датчика положения ротора и переключателя тока в обмотках.

      

      Универсальный электродвигатель

      Может работать на переменном и постоянном токе. Широко используется в ручном электроинструменте и в некоторых бытовых приборах (в пылесосах, стиральных машинах и др.). В США и Европе использовался как тяговый электродвигатель. Получил большое распространение благодаря небольшим размерам, относительно низкой цены и легкости управления.

      

      Коллекторный электродвигатель постоянного тока

      Электрическая машина, преобразующая электрическую энергию постоянного тока в механическую. Преимуществами электродвигателя постоянного тока являются: высокий пусковой момент, быстродействие, возможность плавного управления частотой вращения, простота устройства и управления. Недостатком двигателя является необходимость обслуживания коллекторно-щеточных узлов и ограниченный срок службы из-за износа коллектора.

      Бесколлекторные электродвигатели

      У бесколлекторных электродвигателей могут быть контактные кольца с щетками, таким образом не надо путать бесколлекторные и бесщеточные электродвигатели.

      Бесщеточная машина — вращающаяся электрическая машина, в которой все электрические связи обмоток, участвующих в основном процессе преобразования энергии, осуществляются без скользящих электрических контактов [1].

      Асинхронный электродвигатель

      Наиболее распространенный электродвигатель в промышленности. Достоинствами электродвигателя являются: простота конструкции, надежность, низкая себестоимость, высокий срок службы, высокий пусковой момент и перегрузочная способность. Недостатком асинхронного электродвигателя является сложность регулирования частоты вращения.

      Cинхронный электродвигатель

      Синхронные двигатели обычно используются в задачах, где требуется точное управление скоростью вращения, либо где требуется максимальное значение таких параметров как мощность/объем, КПД и др.

      • Реактивный
      • Гистерезисный
      • Реактивно-гистерезисный
      • Шаговый

      Специальные электродвигатели

      Серводвигатель

      Серводвигатели не являются отдельным классом двигателей. В качестве серводвигателя могут использоваться электродвигатели постоянного и переменного тока с датчиком положения ротора. Серводвигатель используется в составе сервомеханизма для точного управления угловым положением, скоростью и ускорением исполнительного механизма. Для работы серводвигатель требует относительно сложную систему управления, которая обычно разрабатывается специально для сервопривода.

      Основные параметры электродвигателя

      • Момент электродвигателя
      • Мощность электродвигателя
      • Коэффициент полезного действия
      • Номинальная частота вращения
      • Момент инерции ротора
      • Номинальное напряжение
      • Электрическая постоянная времени
      • Механическая характеристика

      Момент электродвигателя

      Вращающий момент (синонимы: вращательный момент, крутящий момент, момент силы) — векторная физическая величина, равная произведению радиус вектора, проведенного от оси вращения к точке приложения силы, на вектор этой силы.

      

      ,

      • где M – вращающий момент, Нм,
      • F – сила, Н,
      • r – радиус-вектор, м

      Справка: Номинальный вращающий момент М_ном, Нм, определяют по формуле

      

      ,

      • где P_ном – номинальная мощность двигателя, Вт,
      • n_ном — номинальная частота вращения, мин -1 [4]

      Начальный пусковой момент — момент электродвигателя при пуске.

      Справка: В английской системе мер сила измеряется в унция-сила (oz, ozf, ounce-force) или фунт-сила (lb, lbf, pound-force)

      1 oz = 1/16 lb = 0,2780139 N (Н)
      1 lb = 4,448222 N (Н)

      момент измеряется в унция-сила на дюйм (oz∙in) или фунт-сила на дюйм (lb∙in)

      1 oz∙in = 0,007062 Nm (Нм)
      1 lb∙in = 0,112985 Nm (Нм)

      Мощность электродвигателя

      Мощность электродвигателя — это полезная механическая мощность на валу электродвигателя.

      Механическая мощность

      Мощность — физическая величина, показывающая какую работу механизм совершает в единицу времени.

      

      ,

      • где P – мощность, Вт,
      • A – работа, Дж,
      • t — время, с

      Работа — скалярная физическая величина, равная произведению проекции силы на направление F и пути s, проходимого точкой приложения силы [2].

      

      ,

      • где s – расстояние, м

      Для вращательного движения

      

      ,

      

      • где – угол, рад,

      

      ,

      

      • где – углавая скорость, рад/с,

      Таким образом можно вычислить значение механической мощности на валу вращающегося электродвигателя

      

      Справка: Номинальное значение — значение параметра электротехнического изделия (устройства), указанное изготовителем, при котором оно должно работать, являющееся исходным для отсчета отклонений.

      Коэффициент полезного действия электродвигателя

      Коэффициент полезного действия (КПД) электродвигателя — характеристика эффективности машины в отношении преобразования электрической энергии в механическую.

      

      ,

      

      • где – коэффициент полезного действия электродвигателя,
      • P₁ — подведенная мощность (электрическая), Вт,
      • P₂ — полезная мощность (механическая), Вт
      При этом потери в электродвигатели обусловлены:
      • электрическими потерями — в виде тепла в результате нагрева проводников с током;
      • магнитными потерями — потери на перемагничивание сердечника: потери на вихревые токи, на гистерезис и на магнитное последействие;
      • механическими потерями — потери на трение в подшипниках, на вентиляцию, на щетках (при их наличии);
      • дополнительными потерями — потери вызванные высшими гармониками магнитных полей, возникающих из-за зубчатого строения статора, ротора и наличия высших гармоник магнитодвижущей силы обмоток.

      КПД электродвигателя может варьироваться от 10 до 99% в зависимости от типа и конструкции.

      Международная электротехническая комиссия (International Electrotechnical Commission) определяет требования к эффективности электродвигателей. Согласно стандарту IEC 60034-31:2010 определено четыре класса эффективности для синхронных и асинхронных электродвигателей: IE1, IE2, IE3 и IE4.

      

      Частота вращения

      

      • где n — частота вращения электродвигателя, об/мин

      Момент инерции ротора

      Момент инерции — скалярная физическая величина, являющаяся мерой инертности тела во вращательном движении вокруг оси, равна сумме произведений масс материальных точек на квадраты их расстояний от оси

      

      ,

      • где J – момент инерции, кг∙м 2 ,
      • m — масса, кг

      Справка: В английской системе мер момент инерции измеряется в унция-сила-дюйм (oz∙in∙s 2 )

      1 oz∙in∙s 2 = 0,007062 kg∙m 2 (кг∙м 2 )

      Момент инерции связан с моментом силы следующим соотношением

      

      ,

      

      • где – угловое ускорение, с -2 [2]

      

      ,

      Справка: Определение момента инерции вращающейся части электродвигателя описано в ГОСТ 11828-86

      Номинальное напряжение

      Номинальное напряжение (англ. rated voltage) — напряжение на которое спроектирована сеть или оборудование и к которому относят их рабочие характеристики [3].

      Электрическая постоянная времени

      Электрическая постоянная времени — это время, отсчитываемое с момента подачи постоянного напряжения на электродвигатель, за которое ток достигает уровня в 63,21% (1-1/e) от своего конечного значения.

      

      ,

      

      • где – постоянная времени, с

      Механическая характеристика

      Механическая характеристика двигателя представляет собой графически выраженную зависимость частоты вращения вала от электромагнитного момента при неизменном напряжении питания.

      Сравнение характеристик внешне коммутируемых электрических двигателей

      Ниже представлены сравнительные характеристики внешне коммутируемых электродвигателей, в ракурсе применения в качестве тяговых электродвигателей в транспортных средствах.

      

      Сравнение механических характеристик электродвигателей разных типов при ограниченном токе статора

      

      Зависимость мощности от скорости вращения вала для двигателей разных типов при ограниченном токе статора

      Мощность электродвигателя: формула, правила расчета, виды и классификация электродвигателей

      

      В электромеханике существует много приводов, которые работают с постоянными нагрузками без изменения скорости вращения. Их используют в промышленном и бытовом оборудовании как, например, вентиляторы, компрессоры и другие. Если номинальные характеристики неизвестны, то для расчетов используют формулу мощности электродвигателя. Вычисления параметров особенно актуальны для новых и малоизвестных приводов. Калькуляция выполняется с использованием специальных коэффициентов, а также на основе накопленного опыта работы с подобными механизмами. Данные необходимы для правильной эксплуатации электрических установок.

      

      Что такое электродвигатель?

      Электрический двигатель представляет собой устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую. Работа большинства агрегатов зависит от взаимодействия магнитного поля с обмоткой ротора, которая выражается в его вращении. Функционируют они от источников питания постоянного или переменного тока. В качестве питающего элемента может выступать аккумулятор, инвертор или розетка электросети. В некоторых случаях двигатель работает в обратном порядке, то есть преобразует механическую энергию в электрическую. Такие установки находят широкое применение на электростанциях, работающие от потока воздуха или воды.

      

      Электродвигатели классифицируют по типу источника питания, внутренней конструкции, применению и мощности. Также приводы переменного тока могут иметь специальные щетки. Они функционируют от однофазного, двухфазного или трехфазного напряжения, имеют воздушное или жидкостное охлаждение. Формула мощности электродвигателя переменного тока

      где P — мощность, U — напряжение, I — сила тока.

      Приводы общего назначения со своими размерами и характеристиками находят применение в промышленности. Самые большие двигатели мощностью более 100 Мегаватт используют на силовых установках кораблей, компрессорных и насосных станций. Меньшего размера используют в бытовых приборах, как пылесос или вентилятор.

      Конструкция электрического двигателя

      Привод включает в себя:

      • Ротор.
      • Статор.
      • Подшипники.
      • Воздушный зазор.
      • Обмотку.
      • Коммутатор.

      Ротор — единственная подвижная деталь привода, которая вращается вокруг своей оси. Ток, проходя через проводники, образует индукционное возмущение в обмотке. Формируемое магнитное поле взаимодействует с постоянными магнитами статора, что приводит в движение вал. Их рассчитывают по формуле мощности электродвигателя по току, для которой берется КПД и коэффициент мощности, в том числе все динамические характеристики вала.

      

      Подшипники расположены на валу ротора и способствуют его вращению вокруг своей оси. Внешней частью они крепятся к корпусу двигателя. Вал проходит через них и выходит наружу. Поскольку нагрузка выходит за пределы рабочей зоны подшипников, ее называют нависающей.

      Статор является неподвижным элементом электромагнитной цепи двигателя. Может включать в себя обмотку или постоянные магниты. Сердечник статора выполнен из тонких металлических пластин, которые называют пакетом якоря. Он призван снижать потери энергии, что часто происходит с твердыми стержнями.

      

      Воздушный зазор — расстояние между ротором и статором. Эффективным является небольшой промежуток, так как он влияет на низкий коэффициент работы электродвигателя. Ток намагничивания растет с увеличением размера зазора. Поэтому его всегда стараются делать минимальным, но до разумных пределов. Слишком маленькое расстояние приводит к трению и ослаблению фиксирующих элементов.

      Обмотка состоит из медной проволоки, собранной в одну катушку. Обычно укладывается вокруг мягкого намагниченного сердечника, состоящего из нескольких слоев металла. Возмущение индукционного поля происходит в момент прохождения тока через провода обмотки. В этот момент установка переходит в режим конфигурации с явными и неявными полюсами. В первом случае магнитное поле установки создает обмотка вокруг полюсного наконечника. Во втором случае, в распределенном поле рассредотачивается слотов полюсного наконечника ротора. Двигатель с экранированными полюсами имеет обмотку, которое сдерживает магнитное возмущение.

      Коммутатор используют для переключения входного напряжения. Состоит из контактных колец, расположенных на валу и изолированных друг от друга. Ток якоря подается на щетки контактов ротационного коммутатора, который приводит к изменению полярности и заставляет вращаться ротор от полюса к полюсу. При отсутствии напряжения мотор прекращает крутиться. Современные установки оборудованы дополнительными электронным средствами, которые контролируют процесс вращения.

      

      Принцип действия

      По закону Архимеда ток в проводнике создает магнитное поле, в котором действует сила F1. Если из этого проводника изготовить металлическую рамку и поместить ее в поле под углом 90°, то края будут испытывать силы, направленные в противоположную сторону относительно друг друга. Они создают крутящий момент относительно оси, который начинает ее вращать. Витки якоря обеспечивают постоянное кручение. Поле создается электрическими или постоянными магнитами. Первый вариант выполнен в виде обмотки катушки на стальном сердечнике. Таким образом, ток рамки генерирует индукционное поле в обмотке электромагнита, которое порождает электродвижущую силу.

      

      Рассмотрим более подробно работу асинхронных двигателей на примере установок с фазным ротором. Такие машины работают от переменного тока с частотой вращения якоря, не равной пульсации магнитного поля. Поэтому их еще называют индукционными. Ротор приводится в движение за счет взаимодействия электрического тока в катушках с магнитным полем.

      Когда во вспомогательной обмотке отсутствует напряжение, устройство находится в состоянии покоя. Как только на контактах статора появляется электрический ток, образуется постоянное в пространстве магнитное поле с пульсацией +Ф и -Ф. Его можно представить в виде следующей формулы:

      n_пр — количество оборотов, которое совершает магнитное поле в прямом направлении, об/мин;

      n_обр — число оборотов поля в обратном направлении, об/мин;

      f₁ — частота пульсации электрического тока, Гц;

      p — количество полюсов;

      n₁ — общее число оборотов в минуту.

      Испытывая пульсации магнитного поля, ротор получает начальное движение. По причине неоднородности воздействия потока, он будет развиваться крутящий момент. По закону индукции, в короткозамкнутой обмотке образуется электродвижущая сила, которая генерирует ток. Его частота пропорциональна скольжению ротора. Благодаря взаимодействию электрического тока с магнитным полем создается крутящий момент вала.

      Для расчетов производительности существуют три формулы мощности асинхронного электродвигателя. По сдвигу фаз используют

      S = P ÷ cos (alpha), где:

      S — полная мощность, измеряемая в Вольт-Амперах.

      P — активная мощность, указываемая в Ваттах.

      alpha — сдвиг фаз.

      Под полной мощностью понимаются реальный показатель, а под активной — расчетный.

      Виды электродвигателей

      По источнику питания приводы разделяют на работающие от:

      • Постоянного тока.
      • Переменного тока.

      По принципу работы их, в свою очередь, делят на:

      • Коллекторные.
      • Вентильные.
      • Асинхронные.
      • Синхронные.

      Вентильные двигатели не относят к отдельному классу, так как их устройство является вариацией коллекторного привода. В их конструкцию входит электронный преобразователь и датчик положения ротора. Обычно их интегрируют вместе с платой управления. За их счет происходит согласованная коммутация якоря.

      Синхронные и асинхронные двигатели работают исключительно от переменного тока. Управление оборотами происходит с помощью сложной электроники. Асинхронные делятся на:

      • Трехфазные.
      • Двухфазные.
      • Однофазные.

      Теоретическая формула мощности трехфазного электродвигателя при соединении в звезду или треугольником

      Однако для линейных значений напряжения и тока она выглядит как

      Это будет реальный показатель, сколько мощности двигатель забирает из сети.

      Синхронные подразделяются на:

      • Шаговые.
      • Гибридные.
      • Индукторные.
      • Гистерезисные.
      • Реактивные.

      В своей конструкции шаговые двигатели имеют постоянные магниты, поэтому их не относят к отдельной категории. Управление работой механизмов производится с помощью частотных преобразователей. Существуют также универсальные двигатели, которые функционируют от постоянного и переменного тока.

      Общие характеристики двигателей

      Все моторы имеют общие параметры, которые используются в формуле определения мощности электродвигателя. На их основе можно рассчитать свойства машины. В разной литературе они могут называться по-разному, но означают они одно и то же. В список таких параметров входит:

      • Крутящий момент.
      • Мощность двигателя.
      • Коэффициент полезного действия.
      • Номинальное количество оборотов.
      • Момент инерции ротора.
      • Расчетное напряжение.
      • Электрическая константа времени.

      Вышеуказанные параметры необходимы, прежде всего, для определения эффективности электрических установок, работающих за счет механической силы двигателей. Расчетные величины дают лишь приблизительное представление о реальных характеристиках изделия. Однако эти показатели часто используют в формуле мощность электродвигателя. Именно она определяет результативность машин.

      Вращательный момент

      Этот термин имеет несколько синонимов: момент силы, момент двигателя, Вращательный момент, вертящий момент. Все они используются для обозначения одного показателя, хотя с точки зрения физики эти понятия не всегда тождественны.

      

      В целях унификации терминологии были разработаны стандарты, которые приводят все к единой системе. Поэтому в технической документации всегда используются словосочетание «крутящий момент». Он представляет собой векторную физическую величину, которая равна произведению векторных значений силы и радиуса. Вектор радиуса проводится от оси вращения к точке приложенной силы. С точки зрения физики разница между крутящим и вращательным моментом заключается в точке прикладывания силы. В первом случае это внутреннее усилие, во втором — внешнее. Измеряется величина в ньютон-метрах. Однако в формуле мощности электродвигателя крутящий момент используется как основное значение.

      Рассчитывается он как

      M — крутящий момент, Нм;

      F — прикладываемая сила, H;

      Для расчета номинального вращающего момента привода используют формулу

      Р_ном — номинальная мощность электрического двигателя, Вт;

      н_ном — номинальное число оборотов, мин -1 .

      Соответственно, формула номинальной мощности электродвигателя бедует выглядеть следующим образом:

      Обычно все характеристики указаны в спецификации. Но бывает, что приходится работать с совершенно новыми установками, информацию о которых найти очень сложно. Для расчета технических параметров таких устройств берут данные их аналогов. Также всегда известны только номинальные характеристики, которые даются в спецификации. Реальные данные необходимо рассчитывать самостоятельно.

      Мощность двигателя

      В общем смысле данный параметр представляет собой скалярную физическую величину, которая выражена в скорости потребления или преобразования энергии системы. Он показывает, какую работу механизм выполнит за определенную единицу времени. В электротехнике характеристика отображает полезную механическую мощность на центральном вале. Для обозначения показателя используют литеру P или W. Основной единицей измерения является Ватт. Общая формула расчета мощности электродвигателя может быть представлена как:

      A — механическая (полезная) работа (энергия), Дж;

      t — затраченное время, сек.

      Механическая работа также является скалярной физической величиной, выражаемой действием силы на объект, и зависящей от направления и перемещения этого объекта. Она представляет собой произведение вектора силы на путь:

      s — пройденное расстояние, м.

      Она выражает дистанцию, которую преодолеет точка приложенной силы. Для вращательных движений она выражается как:

      ds = r × d(teta), где:

      teta — угол оборота, рад.

      Таким образом можно вычислить угловую частоту вращения ротора:

      omega = d(teta) ÷ dt.

      Из нее следует формула мощности электродвигателя на валу: P = M × omega.

      Коэффициент полезного действия электромотора

      КПД — это характеристика, которая отражает эффективность работы системы при преобразовании энергии в механическую. Выражается отношением полезной энергии к потраченной. По единой системе единиц измерений он обозначается как «eta» и является безразмерным значением, исчисляемым в процентах. Формула КПД электродвигателя через мощность:

      P₁ — электрическая (подаваемая) мощность, Вт;

      P₂ — полезная (механическая) мощность, Вт;

      Также он может быть выражен как:

      eta = A ÷ Q × 100 %, где:

      A — полезная работа, Дж;

      Q — затраченная энергия, Дж.

      Чаще коэффициент вычисляют по формуле потребляемой мощности электродвигателя, так как эти показатели всегда легче измерить.

      Снижение эффективности работы электродвигателя происходит по причине:

      • Электрических потерь. Это происходит в результате нагрева проводников от прохождения по ним тока.
      • Магнитных потерь. Вследствие излишнего намагничивания сердечника появляется гистерезис и вихревые токи, что важно учитывать в формуле мощности электродвигателя.
      • Механических потерь. Они связаны с трением и вентиляцией.
      • Дополнительных потерь. Они появляются из-за гармоник магнитного поля, так как статор и ротор имеют зубчатую форму. Также в обмотке присутствуют высшие гармоники магнитодвижущей силы.

      Следует отметить, что КПД является одним из самых важных компонентов формулы расчета мощности электродвигателя, так как позволяет получить цифры, наиболее приближенные к действительности. В среднем этот показатель варьирует от 10% до 99%. Она зависит от конструктивного устройства механизма.

      Номинальное количество оборотов

      Еще одним ключевым показателем электромеханических характеристик двигателя является частота вращения вала. Он выражается в числе оборотов в минуту. Часто его используют в формуле мощности электродвигателя насоса, чтобы узнать его производительность. Но необходимо помнить, что показатель всегда разный для холостого хода и работы под нагрузкой. Показатель представляет физическую величину, равной количеству полных оборотов за некий промежуток времени.

      Расчетная формула частоты оборотов:

      n = 30 × omega ÷ pi, где:

      n — частота вращения двигателя, об/мин.

      Для того, чтобы найти мощность электродвигателя по формуле оборотистости вала, необходимо привести ее к расчету угловой скорости. Поэтому P = M × omega будет выглядеть следующим образом:

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

      Момент инерции

      Этот показатель представляет собой скалярную физическую величину, которая отражает меру инертности вращательного движения вокруг собственной оси. При этом масса тела является величиной его инертности при поступательном движении. Основная характеристика параметра выражена распределением масс тела, которая равна сумме произведений квадрата расстояния от оси до базовой точки на массы объекта.В Международной системе единиц измерения он обозначается как кг·м 2 и имеет рассчитывается по формуле:

      J = ∑ r 2 × dm, где

      J — момент инерции, кг·м 2 ;

      m — масса объекта, кг.

      Моменты инерции и силы связаны между собой соотношением:

      M — J × epsilon, где

      epsilon — угловое ускорение, с -2 .

      Показатель рассчитывается как:

      epsilon = d(omega) × dt.

      Таким образом, зная массу и радиус ротора, можно рассчитать параметры производительности механизмов. Формула мощности электродвигателя включает в себя все эти характеристики.

      Расчетное напряжение

      Его еще называют номинальным. Оно представляет собой базовое напряжение, представленное стандартным набором вольтажа, которые определяется степенью изоляции электрического оборудования и сети. В действительности оно может отличаться в разных точках оборудования, но не должно превышать предельно допустимых норм рабочих режим, рассчитанных на продолжительное функционирование механизмов.

      Для обычных установок под номинальным напряжением понимают расчетные величины, для которых они предусмотрены разработчиком в нормальном режиме работы. Перечень стандартного вольтажа сети предусмотрен в ГОСТ. Эти параметры всегда описаны в технических характеристиках механизмов. Для расчета производительности используют формулу мощности электродвигателя по току:

      Электрическая константа времени

      Представляет собой время, необходимое для достижения уровня тока до 63 % после подачи напряжения на обмотки привода. Параметр обусловлен переходными процессами электромеханических характеристик, так как они быстротечны ввиду большого активного сопротивления. Общая формула расчета постоянной времени:

      Однако электромеханическая константа времени t_m всегда больше электромагнитной t_e. Первый параметр получается из уравнения динамических характеристики двигателя при сохранении условии, когда ротор разгоняется с нулевой скоростью до максимальных оборотов холостого хода. В этом случае уравнение принимает вид

      M = M_ст + J × (d(omega) ÷ dt), где

      Отсюда получаем формулу:

      M = J × (d(omega) ÷ dt).

      По факту электромеханическую константу времени рассчитывают по пусковому момент — M_п. Механизм, работающий в идеальных условиях, с прямолинейными характеристиками будем иметь формулу:

      M = M_п × (1 — omega ÷ omega₀), где

      omega₀ — скорость на холостом ходу.

      Такие расчеты используют в формуле мощности электродвигателя насоса, когда ход поршня напрямую зависит от оборотистости вала.

      Основные формулы расчета мощности двигателей

      Для вычисления реальных характеристик механизмов всегда нужно учитывать много параметров. в первую очередь нужно знать, какой ток подается на обмотки электродвигателя: постоянный или переменный. Принцип их работы отличается, следовательно, отличаются метод вычислений. Если упрощенный вид расчета мощности привода выглядит как:

      U — напряжение, В;

      P_эл — подведенная электрическая мощность. Вт.

      В формуле мощности электродвигателя переменного тока необходимо также учитывать сдвиг фаз (alpha). Соответственно, расчеты для асинхронного привода выглядят как:

      P_эл = U × I × cos(alpha).

      Кроме активной (подведенной) мощности существует также:

      • S — реактивная, ВА. S = P ÷ cos(alpha).
      • Q — полная, ВА. Q = I × U × sin(alpha).

      В расчетах также необходимо учитывать тепловые и индукционные потери, а также трение. Поэтому упрощенная модель формулы для электродвигателя постоянного тока выглядит как:

      P_эл = P мех + Ртеп +Ринд + Ртр_, где

      Рмех — полезная вырабатываемая мощность, Вт;

      Ртеп — потери на образование тепла, ВТ;

      Ринд — затраты на заряд в индукционной катушке, Вт;

      Рт — потери в результате трения, Вт.

      Заключение

      Электродвигатели находят применение практически во всех областях жизни человека: в быту, в производстве. Для правильного использования привода необходимо знать не только его номинальные характеристики, но и реальные. Это позволит повысить его эффективность и снизить затраты.

      Однофазные электродвигатели напряжения 220В

      

      Наша жизнь стала уже просто немыслима без различных электромоторов. Пылесосы, стиральные машины, холодильники вентиляторы, кондиционеры, даже часы — все эти приборы снабжены электродвигателями. Если прибор подключается к домашней электрической сети, то, вероятнее всего, в нем стоит однофазный асинхронный двигатель 220В.

      Принцип действия

      Всем нам на школьных уроках физики демонстрировали опыты с проволочной рамкой, помещенной в поле постоянного магнита. Если через рамку пропустить ток, то на проводники в правой и левой части рамки будет действовать силы Ампера, создающие вращающий момент, и рамка с током будет поворачиваться до тех пор, пока она не займет положение, в котором действующие силы уравновешивают друг друга.

      Если заставить поле вращаться, рамка с током будет вращаться вместе с ним. На этом принципе основана работа синхронного электродвигателя. Рамка с магнитами — аналог электрического двигателя. Вращающаяся рамка с током — ротор. Неподвижные магниты — статор.

      Трехфазный синхронный двигатель

      Теперь надо заставить неподвижный статор создать вращающееся магнитное поле.

      

      Для начала заменим постоянные магниты катушками с током обмотками статора. Катушка с током создает такое же магнитное поле, как и магнит. Разместим на статоре не одну катушку-магнит, а три, повернув их на 120 градусов относительно друг друга. Подадим на эти обмотки переменный ток со сдвигом фаз на 120 градусов. Именно так сдвинуты фазы в трехфазной сети.

      Результирующее магнитное поле есть результат векторного сложения трех полей. Суммарный вектор магнитной индукции будет вращаться с частотой переменного тока. За один период магнитное поле, создаваемое статором трехфазного двигателя, совершает полный оборот. Ротор, который аналогичен катушке с током, поворачивается вместе с магнитным полем статора с той же скоростью. Таким образом ротор синхронного двигателя вращается частотой питающего переменного тока.

      Синхронные двигатели обладают самыми лучшими характеристиками, развивают максимальную мощность и обеспечивают высокий КПД. Однако там тяжелый ротор с обмотками, который сложно балансировать. К обмоткам ротора надо подводить ток, а это требует применения крайне ненадежного щеточного узла. В общем, синхронный двигатель — это хорошо, но сложно, дорого и не очень надежно.

      Трехфазный асинхронный двигатель

      Замкнем концы рамки накоротко. Получим один короткозамкнутый виток. Наш трехфазный статор создает вращающееся магнитное поле. Пусть это поле и создает ток в короткозамкнутом роторе.

      

      Когда поле статора вращается относительно неподвижной рамки, оно создает в ее контуре переменный магнитный поток. По закону электромагнитной индукции переменное поле наводит в рамке электрический ток. Ток создает вращающий момент, и рамка поворачивается вслед за магнитным полем, как и в синхронном двигателе.

      Но есть одно принципиальное отличие. В синхронном двигателе ротор вращается одновременно, то есть синхронно с полем статора. Ротор относительно поля статора неподвижен.

      В асинхронном двигателе ротор пытается догнать вращающееся поле, но всегда немного отстает, как бы скользит относительно него. Если вдруг скорость вращения ротора точно сравняется со скоростью поля, то в роторе перестанет наводиться ток индукции.

      Разность частот вращения магнитного поля и ротора асинхронного двигателя называется скольжением. Именно оно обеспечивает наличие тока в роторе.

      Асинхронные электродвигатели уступают синхронным по всем характеристикам, но значительно проще, легче, надежнее и дешевле. Практически все электрические двигатели, применяемые сегодня в промышленности — это асинхронные трехфазные двигатели.

      Механическая характеристика

      

      Механическая характеристика двигателя — это зависимость момента на валу от скорости вращения.

      Как уже было сказано, скорость вращения ротора в асинхронном двигателе всегда отличается от скорости вращения поля статора на величину скольжения.

      Скольжение S = (n1- n2)/n1, где n1 — это скорость вращения поля, а n2 — скорость вращения ротора.

      Характеристика показывает, что двигатель может работать в пяти режимах:

      1. Холостой ход.
      2. Пуск.
      3. Двигательный режим.
      4. Режим рекуперации.
      5. Генераторный режим.

      В режиме холостого хода скольжение S равно 0. Ротор вращается синхронно с магнитным полем, как в синхронном двигателе, а момент вращения равен 0. Режим холостого хода — чисто гипотетический и никогда не реализуется на практике.

      В момент пуска ротор еще неподвижен и S=1. Момент вращения при S=1 называется пусковым моментом.

      После пуска ротор входит в двигательный режим и начинает раскручиваться, постепенно догоняя магнитное поле. В двигательном режиме 1 > S > 0.

      Если ротор вдруг каким-то образом обгонит поле, то наступит режим рекуперации. При этом двигатель отдает энергию в сеть. В режиме рекуперации S < 0.

      S > 1 соответствует генераторному режиму. В генераторном режиме ротор движется навстречу потоку и генерирует электрический ток.

      S = Sn соответствует номинальному режиму. Номинальное значение скольжения составляет обычно 2−8%.

      Однофазный асинхронный двигатель

      

      Можно еще упросить трехфазный асинхронный двигатель .

      Оставим на статоре всего одну обмотку и подадим туда однофазный электрический ток. У нас получился однофазный асинхронный двигатель. В этом двигателе поле статора неподвижно — в этом принципиальное отличие однофазного двигателя от многофазного. Тем не менее такой двигатель работает.

      Однофазный двигатель не может стартовать самостоятельно. Ничего особенного в этом нет. Привычный нам двигатель внутреннего сгорания тоже надо сначала раскрутить. В автомобиле мы пользуемся дополнительным электродвигателем — стартером, а в бензопиле делаем это вручную, дергая пусковой шнур.

      Если однофазный двигатель подтолкнуть, причем в любую сторону, он разгонится и будет поддерживать вращение в заданном направлении.

      Ели ротору придать вращение в определенном направлении, он будет двигаться попутно с одним полем и навстречу другому.

      Двигатель можно представить как два трехфазных мотора, насаженных на один вал, но включенных во встречном направлении. При запуске вал неподвижен и моторы уравновешивают друг друга.

      Если вал раскрутить внешней силой в каком-то направлении, то один мотор, запущенный в попутном направлении, окажется в двигательном режиме, а другой — в генераторном. Механическая характеристика показывает, что крутящий момент в двигательном режиме больше, чем в генераторном, поэтому попутный мотор перетягивает.

      Пуск

      

      Для запуска однофазного электромотора на его статоре наматывают дополнительную пусковую обмотку перпендикулярно основной и подают в нее ток со сдвигом по фазе. Для сдвига фазы последовательно с обмоткой включают фазосдвигающий элемент. В качестве фазосдвигающего элемента можно использовать резистор, дроссель или конденсатор. В любом случае полное комплексное сопротивление в цепях основной и пусковой обмоток будет разным, и токи получат фазовый сдвиг.

      Чаще всего для сдвига фаз используют конденсатор.

      Скорость вращения

      В сетях наших энергоснабжающих компаний используется переменное напряжение 220/380 с частотой 50 Гц. Причем частота переменного тока 50 Гц поддерживается с точностью до 2 процентов. Как нам уже известно, ротор синхронного электромотора вращается с частотой переменного тока. То есть при частоте питающей сети 50 Гц ротор совершает 50 оборотов в секунду или 3000 оборотов в минуту. Обмотку статора можно разделить на секции и сделать мотор многополюсным. В многополюсном моторе скорость понижается с ростом числа полюсов и в общем случае равна 3000/ p оборотов, где p — это число полюсов.

      Таким образом скорость вращения сетевого электромотора в нашей стране не может быть выше 3000 оборотов в минуту. В странах, где принята частота сети в 60 Гц, например, в США, электромоторы крутятся с максимальной скоростью в 3600 оборотов в минуту. И здесь мы снова отстаем от Америки.

      В синхронном электромоторе обороты не зависят от нагрузки. При росте нагрузки ротор синхронной машины отстает от поля на больший угол, но частота вращения не меняется.

      В асинхронном режиме величина скольжения зависит от нагрузки. Таким образом, при увеличении нагрузки скорость асинхронного электромотора падает.

      Схемы подключения

      Пусковая обмотка, включенная со сдвигом по фазе, поворачивает магнитное поле и превращает на время запуска однофазный электродвигатель в двухфазный.

      Дополнительная обмотка не рассчитана на длительную работу и после выхода на рабочий режим должна быть отключена. Отключение производится либо вручную кнопкой, либо центробежным выключателем, либо тепловым реле по нагреву пусковой обмотки.

      В однофазном двигателе в рабочем режиме магнитное поле статора неподвижно. В этом его главное отличие от многофазного.

      Иногда ошибочно называют однофазными электромоторы, дополнительная обмотка которых подключена через конденсатор постоянно.

      В однофазную сеть можно подключить и трехфазный мотор, если одну из фазных обмоток подключить через конденсатор. Так что, если в вашем распоряжении вдруг оказался промышленный трехфазный электромотор, вы можете использовать его в однофазной домашней сети, хотя и с потерей мощности и более низким КПД.

      Сравнение двигателей

      Синхронный

      1. На роторе есть обмотка, в которую подается ток.
      2. Частота вращения вала совпадает или кратна частоте питающей сети.
      3. Скорость стабильна и не меняется под нагрузкой.

      Асинхронный

      1. Ротор не подключен к источнику тока.
      2. Частота вращения вала ниже частоты сети на величину скольжения.
      3. Скорость снижается с ростом нагрузки.

      Однофазный асинхронный

      1. Единственная обмотка на статоре.
      2. Вращается в любом направлении.
      3. Не запускается самостоятельно.

      
      

      источники:

      https://engineering-solutions.ru/motorcontrol/motor/

      https://fb.ru/article/465015/moschnost-elektrodvigatelya-formula-pravila-rascheta-vidyi-i-klassifikatsiya-elektrodvigateley

      https://tokar.guru/stanki-i-oborudovanie/dvigateli/odnofaznye-elektrodvigateli-napryazheniya-220v.html