Основные параметры электродвигателя
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 Pном – номинальная мощность двигателя, Вт,
- nном – номинальная частота вращения, мин-1
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.
Мощность электродвигателя постоянного тока
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 .
,
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.
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∙м2,
- m – масса, кг
Справка:
В английской системе мер момент инерции измеряется в унция-сила-дюйм (oz∙in∙s
2
1 oz∙in∙s2 = 0,007062 kg∙m2 (кг∙м2)
Момент инерции связан с моментом силы следующим соотношением
,
где – угловое ускорение, с-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 .
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 двигателя представляет собой графически выраженную зависимость частоты вращения вала от электромагнитного момента при неизменном напряжении питания.
Общие сведения
Кода на тело действует сила в определенном направлении — тело поворачивается. Это стремление силы поворачивать тело описывается физической величиной — вращающим моментом или моментом силы. Сама сила, которая вызывает поворот или кручение, а также расстояние между точкой ее приложения и точкой вращения тела влияют на момент силы
В данном случае сила — векторная величина, поэтому важно также и направление силы, то есть угол между направлением силы и отрезком, соединяющим точку приложения силы и центр вращения тела. Если этот угол прямой, то есть сила приложена перпендикулярно отрезку, то момент силы — максимальный
По мере того, как сила становится параллельной отрезку, момент силы уменьшается. То есть, чем ближе угол к 0° или 180°, тем слабее момент силы, пока он не становится равным нулю, когда направление силы параллельно отрезку. Удобно представить момент силы, как комбинацию расстояния, на которое удалена сила от точки вращения, и силы, которая необходима, чтобы заставить тело вращаться с определенной интенсивностью.
Момент силы имеет наибольшую величину, если сила, действующая на тело, перпендикулярна отрезку, соединяющему точку вращения и точку приложения силы. На рисунке силы F2, F3, и F5 создают наибольший момент силы.
Давайте посмотрим на эту взаимосвязь на иллюстрации. Здесь силы F2, F3 и F5 перпендикулярны отрезку между осью вращения, обозначенной голубым цветом в центре штурвала, и точкой приложения силы. Создаваемый ими момент силы — максимален. С другой стороны, силы F1 и F4 приложены под углом, отличным от 90°, и создаваемый ими момент силы не максимален. То есть, момент силы этих двух сил отличается от момента силы других трех сил, хотя величина всех сил на рисунке — одинакова.
Чтобы повернуть тело под воздействием силы с заданными условиями, необходимо создать момент силы. Так как эта величина зависит и от расстояния, и от силы, то для получения заданного момента можно изменять либо силу, либо расстояние от точки приложения до точки вращения. Люди используют эту зависимость испокон веков.
Виды электромеханических устройств
Статор — понятие и принцип действия
Используют ротор в таких электромеханических устройствах, как двигатели, работающие на постоянном и переменном электрическом токе, генераторы.
Агрегаты, работающие на переменном токе
К таким агрегатам относятся различные электродвигатели. Наиболее распространенная модель данного устройства состоит из следующих частей:
- Алюминиевый или чугунный ребристый корпус с монтажной коробкой для подключения обмоток статора и ротора;
- Статор – неподвижная часть в виде полого цилиндра, расположенная внутри корпуса. Обмотка статора состоит из 3 пар расположенных друг напротив друга намотанных в пазы корпуса катушек из медного изолированного провода
- Цельнометаллический цилиндрический ротор с валом и пазами, в которые впаяны обладающие высокой токопроводящей способностью алюминиевые стержни.
Двигатель, запитываемый от переменного тока
Вращается ротор на двух опорных подшипниках, запрессованных на его валу. Охлаждение работающего на больших оборотах электродвигателя происходит, благодаря крыльчатке – небольшому вентилятору, состоящему из множества лопастей и расположенному на одном из концов вала ротора. Также эффективному охлаждению работающего агрегата способствует ребристая структура алюминиевого корпуса.
Принцип работы подобного двигателя заключается в следующем:
- При подключении тока к агрегату он попеременно проходит через одну из трех пар катушек статора.
- При протекании по парам статорных катушек электрического тока они создают магнитное поле, силовые линии которого пересекают ротор.
- Попеременно запитываемые пары катушек создают подвижное магнитное поле, которое по закону электромагнитной индукции провоцирует появление в неподвижных металлических стержнях ротора электрического тока.
- Индуцированный ток в роторе приводит к появлению силы, выталкивающей его из магнитного поля статора. Так как частота подачи тока на катушки статора в среднем составляет порядка 30 импульсов в секунду, появившаяся в роторе выталкивающая сила приводит к его вращению с большой скоростью.
Важно! В зависимости от одновременности вращения ротора и порождающего это движение магнитного поля электрический двигатель переменного тока может быть синхронный (ротор агрегата вращается синхронно с магнитным полем статора) и асинхронный (вращение якоря не синхронизировано с движением магнитного поля статора). Первый вид отличается высокой мощностью и надежностью, в то время как второй характеризуется большим разнообразием конструкций и областей применения
Машины постоянного тока
Наиболее распространенный электродвигатель постоянного тока щеточного вида представляет собой электрический агрегат, состоящий из:
- Чугунного корпуса с ребрами охлаждения и специальным монтажным коробом для подключения обмоток агрегата;
- Вала из прочной инструментальной стали с двумя подшипниками;
- Якоря, состоящего из сердечника (набора пластин из специальной электротехнической стали), якорной обмотки (размещенных в пазах сердечника катушек из медного провода);
- Индуктора, состоящего из полюсов возбуждения с намотанными на них катушками из медного провода;
- Коллектора – расположенных на валу медных пластин, к которым подключаются выводы катушек якорной обмотки;
- Подпружиненных графитовых или металлографитовых щеток (щеточной группы).
Охлаждается такой двигатель, как и аналог, работающий от переменного тока, – расположенной на валу крыльчаткой.
Двигатель, работающий от постоянного тока
Важно! В отличие от электродвигателя переменного тока частотой вращения ротора в таком силовом агрегате управляет специальный блок, который при помощи установленного на валу датчика Холла определяет положение ротора и его скорость. Работает подобный агрегат следующим образом:
Работает подобный агрегат следующим образом:
- На обмотку возбуждения подается напряжение, создавая тем самым постоянное магнитное поле;
- Через щетки и коллектор напряжение подается на катушки сердечника якоря – возникающее при этом магнитное поле отталкивается от такого же, образованного индуктором, вследствие чего двигатель начинает вращаться («запускается»);
- Впоследствии при вращении через щетки запитываются остальные катушки якорной обмотки, что приводит к равномерному вращению якоря с определённой скоростью.
Останавливают вращение такого агрегата прекращением подачи напряжения на щеточную группу.
Помимо описанных выше электромоторов, к машинам, работающим на постоянном токе, относится также роторный стартер – устройство, необходимое для запуска бензиновых и дизельных автомобильных двигателей внутреннего сгорания.
Как увеличить крутящий момент
Увеличение рабочего объема. Чтобы повышать КМ используются разные методы: замена установленного коленвала на вал с увеличенным эксцентриситетом (редко встречающаяся запчасть, которую трудно находить) или расточка цилиндров под больший диаметр поршней. Оба способа имеют свои плюсы и минусы. Первый требует много времени на подбор деталей и снижает долговечность двигателя. Второй, увеличение диаметра цилиндров с помощью расточки, более популярен. Это может сделать практически любой автосервис. Там же можно настроить карбюратор для повышения КМ.
Изменение величины наддува. Турбированные двигатели позволяют достичь более высокого показателя КМ благодаря особенностям конструкции – возможности отключить ограничения в блоке управления компрессором, который отвечает за наддув. Манипуляции с блоком позволят повысить объем давления выше максимума, указанного производителем при сборке автомобиля. Способ можно назвать опасным, поскольку у каждого двигателя есть лимитированный запас нагрузок. Кроме того, часто требуются дополнительные усовершенствования: увеличение камеры сгорания, приведение охлаждения в соответствие повышенной мощности. Иногда требуется отрегулировать впускной клапан, иногда – сменить распредвал. Может потребоваться замена чугунного коленвала на стальной, замена поршней.
Нагрузка насосов и типы нагрузки электродвигателя
Выделяют следующие типы нагрузок:
Постоянная мощность
Термин «постоянная мощность» используется для определённых типов нагрузки, в которых требуется меньший вращающий момент при увеличении скорости вращения, и наоборот. Нагрузки при постоянной мощности обычно применяются в металлообработке, например, сверлении, прокатке и т.п.
Постоянный вращающий момент
Как видно из названия — «постоянный вращающий момент» — подразумевается, что величина вращающего момента, необходимого для приведения в действие какого- либо механизма, постоянна, независимо от скорости вращения. Примером такого режима работы могут служить конвейеры.
Переменный вращающий момент и мощность
«Переменный вращающий момент» — эта категория представляет для нас наибольший интерес. Этот момент имеет отношение к нагрузкам, для которых требуется низкий вращающий момент при низкой частоте вращения, а при увеличении скорости вращения требуется более высокий вращающий момент. Типичным примером являются центробежные насосы.
Вся остальная часть данного раздела будет посвящена исключительно переменному вращающему моменту и мощности.
Определив, что для центробежных насосов типичным является переменный вращающий момент, мы должны проанализировать и оценить некоторые характеристики центробежного насоса. Использование приводов с переменной частотой вращения обусловлено особыми законами физики. В данном случае это законы подобия, которые описывают соотношение между разностями давления и расходами.
Во-первых, подача насоса прямо пропорциональна частоте вращения. Это означает, что если насос будет работать с частотой вращения на 25% больше, подача увеличится на 25%.
Во-вторых, напор насоса будет меняться пропорционально квадрату изменения скорости вращения. Если частота вращения увеличивается на 25%, напор возрастает на 56%.
В-третьих, что особенно интересно, мощность пропорциональна кубу изменения скорости вращения. Это означает, что если требуемая частота вращения уменьшается на 50%, это равняется 87,5%-ному уменьшению потребляемой мощности.
Итак, законы подобия объясняют, почему использование приводов с переменной частотой вращения более целесообразно в тех областях применения, где требуются переменные значения расхода и давления. Grundfos предлагает ряд электродвигателей со встроенным частотным преобразователем, который регулирует частоту вращения для достижения именно этой цели.
Так же как подача, давление и мощность, потребная величина вращающего момента зависит от скорости вращения.
На рисунке показан центробежный насос в разрезе. Требования к вращающему моменту для такого типа нагрузки почти противоположны требованиям при «постоянной мощности». Для нагрузок при переменном вращающем моменте потребный вращающий момент при низкой частоте вращения — мал, а потребный вращающий момент при высокой частоте вращения — велик. В математическом выражении вращающий момент пропорционален квадрату скорости вращения, а мощность — кубу скорости вращения.
Это можно проиллюстрировать на примере характеристики вращающий момент/частота вращения, которую мы использовали ранее, когда рассказывали о вращающем моменте электродвигателя:
Когда электродвигатель набирает скорость от нуля до номинальной скорости, вращающий момент может значительно меняться. Величина вращающего момента, необходимая при определённой нагрузке, также изменяется с частотой вращения. Чтобы электродвигатель подходил для определённой нагрузки, необходимо чтобы величина вращающего момента электродвигателя всегда превышала вращающий момент, необходимый для данной нагрузки.
В примере, центробежный насос при номинальной нагрузке имеет вращающий момент, равный 70 Нм, что соответствует 22 кВт при номинальной частоте вращения 3000 мин-1. В данном случае насосу при пуске требуется 20% вращающего момента при номинальной нагрузке, т.е. приблизительно 14 Нм. После пуска вращающий момент немного падает, а затем, по мере того, как насос набирает скорость, увеличивается до величины полной нагрузки.
Очевидно, что нам необходим насос, который будет обеспечивать требуемые значения расход/напор (Q/H). Это значит, что нельзя допускать остановок электродвигателя, кроме того, электродвигатель должен постоянно ускоряться до тех пор, пока не достигнет номинальной скорости. Следовательно, необходимо, чтобы характеристика вращающего момента совпадала или превышала характеристику нагрузки на всём диапазоне от 0% до 100% скорости вращения. Любой «избыточный» момент, т.е. разница между кривой нагрузки и кривой электродвигателя, используется как ускорение вращения.
Пусковые режимы электрических моторов
Существуют и применяются на практике разные пусковые режимы асинхронных электродвигателей. Каждый имеет свои плюсы и минусы в зависимости от технических характеристик моторов и нагрузки.
Выбор конкретного режима пуска определяется электрическими, механическими, экономическими факторами. Вид управляемой нагрузки, также является важным фактором выбора режима запуска. Рассмотрим наиболее часто практикуемые варианты пусков.
Пусковые режимы свободно вращающегося мотора
Этот режим пуска асинхронного электродвигателя видится самым простым из всех существующих схем. Здесь статор мотора напрямую подключается к источнику питания. Электродвигатель стартует в соответствии с определённой для него характеристикой.
Схема на прямые пусковые режимы электродвигателя: 1 — колодка предохранителей; 2 — контактор; 3 — биметаллическое реле; 4 — мотор; 5, 6 — кривые состояния в момент старта
Когда имеет место момент включения, электрический мотор, в данном случае, работает подобно вторичной обмотке трансформатора. Пусковые режимы здесь характеризуются короткозамкнутым ротором, имеющим крайне малое сопротивление.
На роторе формируется высокий индуцированный ток, превышающий в 5-8 раз номинальный параметр, за счёт чего возрастает пиковый ток в сети питания. Среднее значение пускового момента при этом составляет 0,5-1,5 от номинала.
Несмотря на явные преимущества (простая схема, высокий пусковой момент, быстрый старт, экономия), режим прямого пуска асинхронных моторов видится разумным лишь в следующих обстоятельствах:
- мощность электродвигателя низка по сравнению с мощностью сети и не создаёт помехи от пускового тока;
- привод не нуждается в плавном разгоне или имеет демпфирующее устройство, ограничивающее удар при запуске,
- пусковой момент не влияет на работу ведомой машины или нагрузку, приводимую в движение.
Пусковые режимы переключением «звезда-треугольник»
Вариант с переключением схемы обмоток применим только на электродвигателях, где начальные и конечные проводники всех трёх обмоток статора выведены на клеммы БРНО. Кроме того, обмотка мотора должна иметь исполнение, когда соединение треугольником соответствует сетевому напряжению.
Схема старта «звезда-треугольник»: 1 — предохранители; 2 — контактор 1; 3 — контактор 2; 4 — контактор 3; 5 — биметаллическое реле защиты; 6 — мотор
Например, для 3-фазной линейной сети 380В подойдёт электродвигатель с параметрами обмотки 380В – «треугольник» и 660В — «звезда». Принцип на пусковые режимы асинхронного электродвигателя для этого варианта — старт мотора звездообразным подключением обмотки к сетевому трёхфазному напряжению. Здесь теоретически номинальное напряжение «звезды» электродвигателя делится на корень квадратный из 3 (380В = 660В / √3). Пик пускового тока также делится на 3 и составит:
ПТ = 1,5 — 2,6 НТ (номинальный ток)
Электродвигатель с обмоткой под напряжения 380В / 660В, под номинальное напряжение 660В, потребляет меньше тока в 3,3 раза, чем на соединении «треугольник» при напряжении 380В. В режиме соединения «звездой» при напряжении 380В, ток вновь делится на √3, учитывая наличие 3 фаз. Поскольку пусковой момент (ПМ) пропорционален квадратуре значения питающего напряжения, значение ПМ также делится на 3 и составит:
ПМ = 0.2 — 0.5 НПМ (номинальный пусковой момент)
Скорость электродвигателя стабилизируется при балансировке и резистивных крутящих моментах, как правило, на уровне 75-85% от номинальной скорости. Затем обмотки соединяются «треугольником», после чего электродвигатель восстанавливает рабочие характеристики.
Переход от соединения «звезда» на соединение «треугольник», как правило, контролируется таймером. Контактор «треугольника» закрывается спустя 30-50 миллисекунд после открытия контактора «звезды». Этой последовательностью предотвращается короткое замыкание между фазами.
Течение тока через обмотки нарушается, когда контактор «звезды» открывается и восстанавливается вновь, когда закрывается контактор «треугольника». В этот момент (сдвиг на «треугольник») формируется короткий, но сильный переходный пик тока по причине противоэлектродвижущей силы электродвигателя.
Каким моторам нужен пуск «звезда – треугольник»?
Пусковые режимы «звезда – треугольник» подходят для машин с низким резистивным крутящим моментом или когда старт выполняется без подключенной нагрузки. Для ограничения переходных явлений выше определенного уровня мощности, могут потребоваться дополнительные меры. Например, 1-2-секундная задержка на сдвиг от «звезды» к «треугольнику».
Токи высокой частоты
ТВЧ – такова их аббревиатура, используются для плавки металлов, закалки поверхности металлических изделий. ТВЧ – это токи, имеющие частоту более 10 кГц. В индукционных печах используют ТВЧ, помещая проводник внутрь обмотки, через которую пропускают ТВЧ. Под их воздействием возникающие в проводнике вихревые токи разогревают его. Регулируя силу ТВЧ, контролируют температуру и скорость нагрева.
Интересно. Расплавляемый металл может быть подвешен в вакууме с помощью магнитного поля. Для него не нужен тигель (специальный ковш для нагрева). Так получают очень чистые вещества.
Плюсы использования ТВЧ в разных случаях:
- быстрый нагрев при ковке и прокате металла;
- оптимальный температурный режим для пайки или сварки деталей;
- расплав даже очень тугоплавких сплавов;
- приготовление пищи в микроволновых печах;
- дарсонвализация в медицине.
Получают ТВЧ с помощью установок, включающих в свой состав колебательный контур, или электромашинных генераторов. У статора и ротора генераторов на сторонах, обращённых друг другу, нанесены зубцы. Их взаимное движение порождает пульсацию магнитного поля. Частота на выходе тем больше, чем больше произведение числа зубцов ротора на частоту его вращения.
Как определить скорость вращения электродвигателя
Под скоростью вращения асинхронного электродвигателя обычно понимают угловую частоту вращения его ротора, которая приведена на шильдике (на паспортной табличке двигателя) в виде количества оборотов в минуту. Трехфазный двигатель можно питать и от однофазной сети, для этого достаточно добавить конденсатор параллельно одной или двум его обмоткам, в зависимости от напряжения сети, но конструкция двигателя от этого не изменится.
Так, если ротор под нагрузкой совершает 2760 оборотов в минуту, то угловая частота данного двигателя будет равна 2760*2пи/60 радиан в секунду, то есть 289 рад/с, что не удобно для восприятия, поэтому на табличке пишут просто «2760 об/мин». Применительно к асинхронному электродвигателю, это обороты с учетом скольжения s.
Синхронная же скорость данного двигателя (без учета скольжения) будет равна 3000 оборотов в минуту, поскольку при питании обмоток статора сетевым током с частотой 50 Гц, каждую секунду магнитный поток будет совершать по 50 полных циклических изменений, а 50*60 = 3000, вот и получается 3000 оборотов в минуту — синхронная скорость асинхронного электродвигателя.
В рамках данной статьи мы поговорим о том, как определить синхронную скорость вращения неизвестного асинхронного трехфазного двигателя, просто взглянув на его статор. По внешнему виду статора, по расположению обмоток, по количеству пазов, — можно легко определить синхронные обороты электродвигателя если у вас нет под рукой тахометра. Итак, начнем по порядку и разберем данный вопрос с примерами.
3000 оборотов в минуту
Про асинхронные электродвигатели (смотрите — Виды электродвигателей) принято говорить, что тот или иной двигатель имеет одну, две, три или четыре пары полюсов. Минимум — одна пара полюсов, то есть минимум — два полюса. Взгляните на рисунок. Здесь вы видите, что в статор уложено по две последовательно соединенные катушки на каждую фазу — в каждой паре катушек одна расположена напротив другой. Эти катушки и образуют по паре полюсов на статоре.
Одна из фаз показана для ясности красным цветом, вторая — зеленым, третья — черным. Обмотки всех трех фаз устроены одинаково. Поскольку три эти обмотки питаются по очереди (ток трехфазный), то за 1 колебание из 50 в каждой из фаз — магнитный поток статора один раз обернется на полные 360 градусов, то есть совершит один оборот за 1/50 секунды, значит 50 оборотов получится за секунду. Так и выходит 3000 оборотов в минуту.
Таким образом становится ясно, что для определения синхронных оборотов асинхронного электродвигателя достаточно определить количество пар его полюсов, что легко сделать, сняв крышку и взглянув на статор.
Общее число пазов статора разделите на число пазов, приходящихся на одну секцию обмотки одной из фаз. Если получится 2, то перед вами двигатель с двумя полюсами — с одной парой полюсов. Следовательно синхронная частота составляет 3000 оборотов в минуту или примерно 2910 с учетом скольжения. В простейшем случае 12 пазов, по 6 пазов на катушку, и таких катушек 6 — по две на каждую из трех фаз.
Обратите внимание, количество катушек в одной группе для одной пары полюсов может быть не обязательно 1, но и 2 и 3, однако для примера мы рассмотрели вариант с одиночными группами на пару катушек (не будем в рамках данной статьи заострять внимание на способах намотки). 1500 оборотов в минуту
1500 оборотов в минуту
Для получения синхронной скорости в 1500 оборотов в минуту, количество полюсов статора увеличивают вдвое, чтобы за 1 колебание из 50 магнитный поток совершил бы только пол оборота — 180 градусов.
Для этого на каждую фазу делают по 4 секции обмотки. Таким образом, если одна катушка занимает четверть всех пазов, то перед вами двигатель с двумя парами полюсов, образованными четырьмя катушками на фазу.
Например, 6 пазов из 24 занимает одна катушка или 12 из 48, значит перед вами двигатель с синхронной частотой 1500 оборотов в минуту, или с учетом скольжения примерно 1350 оборотов в минуту. На приведенном фото каждая секция обмотки выполнена в виде двойной катушечной группы.
1000 оборотов в минуту
Как вы уже поняли, для получения синхронной частоты в 1000 оборотов в минуту, каждая фаза образует уже три пары полюсов, чтобы за одно колебание из 50 (герц) магнитный поток обернулся бы всего на 120 градусов, и соответствующим образом повернул бы за собой ротор.
Методы увеличения Мпуск
Из формулы видно, от чего зависит пусковой момент асинхронного двигателя и как увеличить его, изменяя параметры. Он зависит от мощности трехфазного двигателя и величины скольжения.
Мощность определяется по формуле, корень из 3 умноженный на напряжение и ток. Скольжение изменяет свое значение в зависимости от оборотов вала механизма. При оборотах двигателя равных нулю, скольжение принимает значение равное 1.
При разгоне электродвигателя оно уменьшается и стремится к нулю при достижении номинальных оборотов ротора. Для того чтобы увеличить пусковой момент, достаточно увеличить пусковой ток или питающее напряжение. Величину скольжения изменить нельзя.
Для примера приведем расчет пускового момента, используя паспортные данные некоторых двигателей. Результат сведен в нижеприведенную таблицу:
При этом следует помнить, что использование электродвигателя в механизмах с пусковым моментом, превышающим усилие двигателя на валу – недопустимо. В этом случае электродвигатель не сможет преодолеть потери в двигателе и тормозной момент механизма. Он просто выйдет из строя. Т.е. усилие электродвигателя недостаточно для нормальной работы устройства.
Основные параметры электродвигателя
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 Мном, Нм, определяют по формуле
,
- где Pном – номинальная мощность двигателя, Вт,
- nном — номинальная частота вращения, мин-1
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.
Мощность электродвигателя постоянного тока
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 .
,
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 (), 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.
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∙м2,
- m — масса, кг
Справка: В английской системе мер момент инерции измеряется в унция-сила-дюйм (oz∙in∙s2)
1 oz∙in∙s2 = 0,007062 kg∙m2 (кг∙м2)
Момент инерции связан с моментом силы следующим соотношением
,
где – угловое ускорение, с-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 .
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 двигателя представляет собой графически выраженную зависимость частоты вращения вала от электромагнитного момента при неизменном напряжении питания.
