In elettromeccanica, ci sono molti azionamenti che funzionano con carichi costanti senza modificare la velocità di rotazione. Sono utilizzati in apparecchiature industriali e domestiche come ventilatori, compressori e altri. Se le caratteristiche nominali sono sconosciute, per i calcoli viene utilizzata la formula per la potenza del motore elettrico. I calcoli dei parametri sono particolarmente importanti per azionamenti nuovi e poco conosciuti. Il calcolo viene eseguito utilizzando coefficienti speciali, nonché sulla base dell'esperienza accumulata con meccanismi simili. I dati sono essenziali per il corretto funzionamento degli impianti elettrici.
Cos'è un motore elettrico?
Un motore elettrico è un dispositivo che converte l'energia elettrica in energia meccanica. Il funzionamento della maggior parte delle unità dipende dall'interazione del magneticocampi con l'avvolgimento del rotore, che si esprime nella sua rotazione. Funzionano da fonti di alimentazione CC o CA. L'alimentazione può essere una batteria, un inverter o una presa di corrente. In alcuni casi, il motore funziona al contrario, ovvero converte l'energia meccanica in energia elettrica. Tali installazioni sono ampiamente utilizzate nelle centrali elettriche alimentate da aria o flusso d'acqua.
I motori elettrici sono classificati in base al tipo di alimentazione, al design interno, all'applicazione e alla potenza. Inoltre, gli azionamenti CA possono avere spazzole speciali. Funzionano con tensione monofase, bifase o trifase, sono raffreddati ad aria o a liquido. Formula di potenza del motore CA
P=U x I, dove P è potenza, U è tensione, I è corrente.
Le unità per uso generico con le loro dimensioni e caratteristiche sono utilizzate nell'industria. I motori più grandi con una capacità di oltre 100 megawatt sono utilizzati nelle centrali elettriche di navi, compressori e stazioni di pompaggio. Dimensioni più piccole vengono utilizzate negli elettrodomestici come un aspirapolvere o un ventilatore.
Design motore elettrico
Il viaggio include:
- Rotore.
- Statore.
- Cuscinetti.
- Traferro.
- Avvolgimento.
- Cambia.
Il rotore è l'unica parte mobile dell'unità che ruota attorno al proprio asse. Corrente che passa attraverso i conduttoriforma un disturbo induttivo nell'avvolgimento. Il campo magnetico generato interagisce con i magneti permanenti dello statore, che mette in moto l'albero. Sono calcolati secondo la formula per la potenza del motore elettrico in corrente, di cui si prendono il rendimento e il fattore di potenza, comprensivo di tutte le caratteristiche dinamiche dell'albero.
I cuscinetti si trovano sull'albero del rotore e contribuiscono alla sua rotazione attorno al suo asse. La parte esterna sono fissate all'alloggiamento del motore. L'albero li attraversa ed esce. Poiché il carico va oltre l'area di lavoro dei cuscinetti, si parla di sbalzo.
Lo statore è un elemento fisso del circuito elettromagnetico del motore. Può includere avvolgimenti o magneti permanenti. Il nucleo dello statore è costituito da sottili piastre di metallo, chiamate pacchetto di armatura. È progettato per ridurre la perdita di energia, che spesso accade con le aste solide.
Il traferro è la distanza tra il rotore e lo statore. Un piccolo spazio è efficace, poiché influisce sul basso coefficiente di funzionamento del motore elettrico. La corrente di magnetizzazione aumenta con la dimensione del gap. Pertanto, cercano sempre di renderlo minimo, ma entro limiti ragionevoli. Una distanza troppo piccola provoca attrito e allentamento degli elementi di bloccaggio.
L'avvolgimento è costituito da filo di rame assemblato in una bobina. Solitamente adagiato attorno a un nucleo morbido magnetizzato, costituito da diversi strati di metallo. La perturbazione del campo di induzione si verifica in questo momentocorrente che passa attraverso i fili degli avvolgimenti. A questo punto l'unità entra in modalità di configurazione dei poli esplicita e implicita. Nel primo caso, il campo magnetico dell'installazione crea un avvolgimento attorno all'espansione polare. Nel secondo caso, le fessure dell'espansione polare del rotore sono disperse nel campo distribuito. Il motore a poli schermati ha un avvolgimento che sopprime i disturbi magnetici.
L'interruttore viene utilizzato per commutare la tensione di ingresso. È costituito da anelli di contatto situati sull'albero e isolati l'uno dall' altro. La corrente di armatura viene applicata alle spazzole di contatto del commutatore rotante, il che porta a un cambiamento di polarità e fa ruotare il rotore da polo a polo. Se non c'è tensione, il motore smette di girare. Le macchine moderne sono dotate di un'elettronica aggiuntiva che controlla il processo di rotazione.
Principio di funzionamento
Secondo la legge di Archimede, la corrente nel conduttore crea un campo magnetico in cui agisce la forza F1. Se un telaio metallico è costituito da questo conduttore e posizionato nel campo con un angolo di 90°, i bordi subiranno forze dirette nella direzione opposta l'una rispetto all' altra. Creano una coppia attorno all'asse, che inizia a ruotarlo. Le bobine dell'indotto forniscono una torsione costante. Il campo è creato da magneti elettrici o permanenti. La prima opzione è realizzata sotto forma di un avvolgimento di una bobina su un'anima d'acciaio. Pertanto, la corrente di anello genera un campo di induzione nell'avvolgimento dell'elettromagnete, che genera un elettromotriceforza.
Consideriamo più in dettaglio il funzionamento di motori asincroni usando l'esempio di installazioni con rotore di fase. Tali macchine funzionano a corrente alternata con una velocità dell'indotto che non è uguale alla pulsazione del campo magnetico. Pertanto, sono anche chiamati induttivi. Il rotore è azionato dall'interazione della corrente elettrica nelle bobine con il campo magnetico.
Quando non c'è tensione nell'avvolgimento ausiliario, il dispositivo è a riposo. Non appena una corrente elettrica appare sui contatti dello statore, si forma un campo magnetico costante nello spazio con un'ondulazione di + F e -F. Può essere rappresentato come la seguente formula:
pr=nrev=f1 × 60 ÷ p=n1
dove:
pr - il numero di giri che il campo magnetico compie in avanti, rpm;
rev - numero di giri del campo nella direzione opposta, rpm;
f1 - frequenza di ripple della corrente elettrica, Hz;
p - numero di poli;
1 - RPM totali.
Sperimentando pulsazioni del campo magnetico, il rotore riceve il movimento iniziale. A causa dell'impatto non uniforme del flusso, svilupperà una coppia. Secondo la legge dell'induzione, in un avvolgimento cortocircuitato si forma una forza elettromotrice, che genera una corrente. La sua frequenza è proporzionale allo scorrimento del rotore. A causa dell'interazione della corrente elettrica con un campo magnetico, viene creata una coppia sull'albero.
Ci sono tre formule per il calcolo delle prestazionipotenza di un motore elettrico asincrono. Per spostamento di fase usa
S=P ÷ cos (alfa), dove:
S è la potenza apparente misurata in Volt-Ampere.
P - potenza attiva in Watt.
alfa - sfasamento.
La piena potenza si riferisce all'indicatore reale e la potenza attiva è quella calcolata.
Tipi di motori elettrici
Secondo la fonte di alimentazione, gli azionamenti sono divisi in quelli che funzionano da:
- CC.
- AC.
Secondo il principio di funzionamento, a loro volta si dividono in:
- Collezionista.
- Valvola.
- Asincrono.
- Sincrono.
I motori di sfiato non appartengono a una classe separata, poiché il loro dispositivo è una variazione dell'azionamento del collettore. Il loro design include un convertitore elettronico e un sensore di posizione del rotore. Solitamente sono integrati insieme alla scheda di controllo. A loro spese, avviene la commutazione coordinata dell'armatura.
I motori sincroni e asincroni funzionano esclusivamente in corrente alternata. La rotazione è controllata da una sofisticata elettronica. Gli asincroni sono divisi in:
- Trifase.
- Bifase.
- Monofase.
Formula teorica per la potenza di un motore elettrico trifase collegato a una stella oa un triangolo
P=3Uf If cos(alfa).
Tuttavia, per tensione e corrente lineari appare così
P=1, 73 × Uf × If × cos(alpha).
Questo sarà un vero indicatore di quanta potenzail motore riprende dalla rete.
Sincrono suddiviso in:
- Step.
- Ibrido.
- Induttore.
- Isteresi.
- Reattivo.
I motori passo-passo hanno magneti permanenti nel loro design, quindi non sono classificati come una categoria separata. Il funzionamento dei meccanismi è controllato mediante convertitori di frequenza. Ci sono anche motori universali che funzionano in AC e DC.
Caratteristiche generali dei motori
Tutti i motori hanno parametri comuni utilizzati nella formula per determinare la potenza di un motore elettrico. Sulla base di essi, puoi calcolare le proprietà della macchina. In letteratura diversa, possono essere chiamati in modo diverso, ma significano la stessa cosa. L'elenco di tali parametri include:
- Coppia.
- Potenza del motore.
- Efficienza.
- Numero nominale di giri.
- Momento d'inerzia del rotore.
- Tensione nominale.
- Costante di tempo elettrica.
I parametri sopra indicati sono necessari innanzitutto per determinare l'efficienza degli impianti elettrici alimentati dalla forza meccanica dei motori. I valori calcolati danno solo un'idea approssimativa delle effettive caratteristiche del prodotto. Tuttavia, questi indicatori sono spesso utilizzati nella formula per la potenza del motore elettrico. È lei che determina l'efficacia delle macchine.
Coppia
Questo termine ha diversi sinonimi: momento di forza, momento motore, coppia, coppia. Tutti sono usati per denotare un indicatore, anche se dal punto di vista della fisica questi concetti non sono sempre identici.
Per unificare la terminologia, sono stati sviluppati standard che riuniscono tutto in un unico sistema. Pertanto, nella documentazione tecnica, viene sempre utilizzata la frase "coppia". È una quantità fisica vettoriale, che è uguale al prodotto dei valori vettoriali di forza e raggio. Il vettore raggio viene disegnato dall'asse di rotazione al punto di forza applicata. Da un punto di vista fisico, la differenza tra coppia e momento rotatorio risiede nel punto di applicazione della forza. Nel primo caso, questo è uno sforzo interno, nel secondo - uno esterno. Il valore è misurato in newton metri. Tuttavia, la formula della potenza del motore utilizza la coppia come valore di base.
Viene calcolato come
M=Fa × r dove:
M - coppia, Nm;
F - forza applicata, H;
r - raggio, m.
Per calcolare la coppia nominale dell'attuatore, utilizzare la formula
Mnom=30Rnom ÷ pi × nnom, dove:
Rnom - potenza nominale del motore elettrico, W;
nnom - velocità nominale, min-1.
Di conseguenza, la formula per la potenza nominale del motore elettrico dovrebbe assomigliare a questa:
Pnom=Mnom pinnom / 30.
Di solito, tutte le caratteristiche sono indicate nelle specifiche. Ma succede che devi lavorare con installazioni completamente nuove,informazioni su cui è molto difficile trovare. Per calcolare i parametri tecnici di tali dispositivi, vengono presi i dati dei loro analoghi. Inoltre, sono sempre note solo le caratteristiche nominali, che sono riportate nella specifica. I dati reali devono essere calcolati da soli.
Potenza del motore
In senso generale, questo parametro è una grandezza fisica scalare, che si esprime nel tasso di consumo o trasformazione dell'energia del sistema. Mostra quanto lavoro eseguirà il meccanismo in una determinata unità di tempo. In ingegneria elettrica, la caratteristica mostra la potenza meccanica utile sull'albero centrale. Per indicare l'indicatore viene utilizzata la lettera P o W. L'unità di misura principale è Watt. La formula generale per calcolare la potenza di un motore elettrico può essere rappresentata come:
P=dA ÷ dt dove:
A - lavoro meccanico (utile) (energia), J;
t - tempo trascorso, sec.
Il lavoro meccanico è anche una quantità fisica scalare, espressa dall'azione di una forza su un oggetto, e dipendente dalla direzione e dallo spostamento di questo oggetto. È il prodotto del vettore forza e del percorso:
dLA=FA × re dove:
s - distanza percorsa, m.
Esprime la distanza che un punto di forza applicata supererà. Per i movimenti di rotazione, è espresso come:
ds=r × d(teta), dove:
teta - angolo di rotazione, rad.
In questo modo puoi calcolare la frequenza angolare di rotazione del rotore:
omega=d(teta) ÷ dt.
Da esso segue la formula per la potenza del motore elettrico sull'albero: P \u003d M ×omega.
Efficienza del motore elettrico
L'efficienza è una caratteristica che riflette l'efficienza del sistema durante la conversione dell'energia in energia meccanica. È espresso come il rapporto tra energia utile e energia spesa. Secondo il sistema unificato delle unità di misura, è designato come "eta" ed è un valore adimensionale, calcolato in percentuale. La formula per l'efficienza di un motore elettrico in termini di potenza:
eta=P2 ÷ P1 dove:
P1 - potenza elettrica (alimentazione), W;
P2 - potenza utile (meccanica), W;
Può anche essere espresso come:
eta=LA ÷ Q × 100%, dove:
A - lavoro utile, J;
Q - energia consumata, J.
Più spesso il coefficiente viene calcolato utilizzando la formula per il consumo di energia di un motore elettrico, poiché questi indicatori sono sempre più facili da misurare.
La diminuzione dell'efficienza del motore elettrico è dovuta a:
- Perdite elettriche. Ciò si verifica a causa del riscaldamento dei conduttori dovuto al passaggio di corrente attraverso di essi.
- Perdita magnetica. A causa dell'eccessiva magnetizzazione del nucleo, compaiono isteresi e correnti parassite, che è importante tenere in considerazione nella formula della potenza del motore.
- Perdita meccanica. Sono legati all'attrito e alla ventilazione.
- Perdite aggiuntive. Appaiono a causa delle armoniche del campo magnetico, poiché lo statore e il rotore sono dentati. Anche nell'avvolgimento sono presenti armoniche maggiori della forza magnetomotrice.
Va notato che l'efficienza è una delle componenti più importantiformule per calcolare la potenza di un motore elettrico, in quanto permette di ottenere numeri più vicini alla re altà. In media, questa cifra varia dal 10% al 99%. Dipende dal design del meccanismo.
Numero nominale di giri
Un altro indicatore chiave delle caratteristiche elettromeccaniche del motore è la velocità dell'albero. Si esprime in giri al minuto. Spesso viene utilizzato nella formula della potenza del motore della pompa per scoprirne le prestazioni. Ma va ricordato che l'indicatore è sempre diverso per il minimo e il lavoro sotto carico. L'indicatore rappresenta un valore fisico pari al numero di giri completi per un certo periodo di tempo.
Formula di calcolo RPM:
n=30 × omega ÷ pi dove:
n - regime motore, giri/min.
Per trovare la potenza del motore elettrico secondo la formula della velocità dell'albero, è necessario portarla al calcolo della velocità angolare. Quindi P=M × omega sarebbe simile a questo:
P=M × (2pi × n ÷ 60)=M × (n ÷ 9, 55) dove
t=60 secondi.
Momento di inerzia
Questo indicatore è una quantità fisica scalare che riflette una misura dell'inerzia del movimento rotatorio attorno al proprio asse. In questo caso, la massa del corpo è il valore della sua inerzia durante il moto traslatorio. La caratteristica principale del parametro è espressa dalla distribuzione delle masse corporee, che è uguale alla somma dei prodotti del quadrato della distanza dall'asse al punto base e delle masse dell'oggetto.la misura è indicata come kg m2 ed è calcolata con la formula:
J=∑ r2 × rem dove
J - momento di inerzia, kg m2;
m - massa dell'oggetto, kg.
I momenti di inerzia e le forze sono legati dalla relazione:
M - J × epsilon, dove
epsilon - accelerazione angolare, s-2.
L'indicatore è calcolato come:
epsilon=d(omega) × dt.
Così, conoscendo la massa e il raggio del rotore, puoi calcolare i parametri di prestazione dei meccanismi. La formula della potenza del motore include tutte queste caratteristiche.
Tensione nominale
Si chiama anche nominale. Rappresenta la tensione di base, rappresentata da un insieme standard di tensioni, che è determinata dal grado di isolamento delle apparecchiature elettriche e della rete. In re altà può differire in diversi punti dell'apparecchiatura, ma non deve superare le condizioni operative massime consentite, previste per il funzionamento continuo dei meccanismi.
Per le installazioni convenzionali, la tensione nominale è intesa come i valori calcolati per i quali sono forniti dal committente durante il normale funzionamento. L'elenco della tensione di rete standard è fornito in GOST. Questi parametri sono sempre descritti nelle specifiche tecniche dei meccanismi. Per calcolare le prestazioni, utilizzare la formula per la potenza del motore elettrico in corrente:
P=U × I.
Costante di tempo elettrica
Rappresenta il tempo necessario per raggiungere il livello attuale fino al 63% dopo aver alimentato ilavvolgimenti di guida. Il parametro è dovuto a processi transitori di caratteristiche elettromeccaniche, poiché sono fugaci a causa della grande resistenza attiva. La formula generale per calcolare la costante di tempo è:
te=L ÷ R.
Tuttavia, la costante di tempo elettromeccanica tm è sempre maggiore della costante di tempo elettromeccanica te. il rotore accelera a velocità zero al regime minimo massimo. In questo caso, l'equazione assume la forma
M=Mst + J × (d(omega) ÷ dt), dove
Mst=0.
Da qui otteniamo la formula:
M=J × (d(omega) ÷ dt).
Infatti, la costante di tempo elettromeccanica viene calcolata dalla coppia di spunto - Mp. Un meccanismo funzionante in condizioni ideali con caratteristiche rettilinee avrà la formula:
M=Mp × (1 - omega ÷ omega0), dove
omega0 - regime minimo.
Tali calcoli vengono utilizzati nella formula della potenza del motore della pompa quando la corsa del pistone dipende direttamente dalla velocità dell'albero.
Formule di base per il calcolo della potenza del motore
Per calcolare le reali caratteristiche dei meccanismi, devi sempre tenere conto di molti parametri. prima di tutto, devi sapere quale corrente viene fornita agli avvolgimenti del motore: diretta o alternata. Il principio del loro lavoro è diverso, quindi il metodo di calcolo è diverso. Se la visualizzazione semplificata del calcolo della potenza dell'azionamento è simile a questa:
Pel=U × I dove
I - forza attuale, A;
U - voltaggio, V;
Pel - alimentazione elettrica fornita. mar
Nella formula della potenza del motore CA, deve essere preso in considerazione anche lo sfasamento (alfa). Di conseguenza, i calcoli per un'unità asincrona sono:
Pel=U × I × cos(alfa).
Oltre alla potenza attiva (fornita), c'è anche:
- S - reattivo, VA. S=P ÷ cos(alfa).
- Q - completo, VA. Q=I × U × sin(alfa).
I calcoli devono anche tenere conto delle perdite termiche e induttive, nonché dell'attrito. Pertanto, un modello di formula semplificata per un motore CC è simile al seguente:
Pel=Pmech + Rtep + Rind + Rtr, where
Рmeh - potenza utile generata, W;
Rtep - perdita di calore, W;
Rind - costo di addebito nella bobina di induzione, W;
RT - perdita per attrito, W.
Conclusione
I motori elettrici sono utilizzati in quasi tutti i settori della vita umana: nella vita di tutti i giorni, nella produzione. Per un corretto utilizzo dell'azionamento è necessario conoscerne non solo le caratteristiche nominali, ma anche quelle reali. Ciò aumenterà la sua efficienza e ridurrà i costi.
