Как выбрать двигатель по моменту

Выбор электродвигателя, как подобрать электродвигатель, советы.

Выбор электродвигателя и расчет его рабочих параметров

Как правильно подобрать электродвигатель для оптимального и безаварийного функционирования системы «двигатель – нагрузка»? Как повысить надежность системы в целом? Какие условия должны быть учтены в первую очередь? Как уменьшить пусковой ток, увеличить пусковой момент или обеспечить плавность пуска? Это далеко неполный список вопросов, которые задают покупатели, обращаясь в нашу компанию. В данной статье мы постараемся максимально полно ответить на эти вопросы. Мы надеемся, что статья будет полезна Вам и поможет решить ряд проблем, возникающих как при эксплуатации старых, так и выборе новых электродвигателей.

Правильность подбора электродвигателя, учитывающая специфику приводного механизма, условия работы и окружающей среды, определяет длительность безаварийной работы и надежность системы «двигатель – нагрузка».

Далее приведены рекомендации по выбору электродвигателя (последовательность, в которой они представлены, не является обязательной).

На первом этапе необходимо определиться с типом электрического двигателя. Ниже даны краткое описание, преимущества и недостатки, сферы предпочтительного применения основных типов двигателей.

Типы электрических двигателей

1. Двигатели постоянного тока.

Основным преимуществом данных двигателей, которое определяло повсеместное их использование на этапе развития электрических приводов, является легкость плавного регулирования скорости в широких пределах. Поэтому с развитием полупроводниковой промышленности и появлением относительно недорогих преобразователей частоты процент их использования постоянно уменьшается. Там, где это возможно двигатели постоянного тока заменяются приводами на основе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Основные недостатки двигателя постоянного тока (невысокая надежность, сложность обслуживания и эксплуатации) обусловлены наличием коллекторного узла. Кроме того, для питания двигателя необходим источник постоянного тока или тиристорный преобразователь переменного напряжения в постоянное. При всех своих недостатках двигатели постоянного тока обладают высоким пусковым моментом и большой перегрузочной способностью. Что определило их использование в металлургической промышленности, станкостроении и на электротранспорте.

2. Синхронные двигатели.

Основным преимуществом данных двигателей является то, что они могут работать с коэффициентом мощности cosφ=1, а в режиме перевозбуждения даже отдавать реактивную мощность в сеть, что благоприятно сказывается на характеристиках сети: увеличивается ее коэффициент мощности, уменьшаются потери и падение напряжения. Кроме того, синхронные двигатели устойчивы к колебаниям сети. Максимальный момент синхронного двигателя пропорционален напряжению, при этом момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения. Следовательно, при снижении напряжения синхронный двигатель сохраняет большую перегрузочную способность, а возможность форсировки возбуждения увеличивает надежность их работы при аварийных понижениях напряжения. Больший воздушный зазор по сравнению с асинхронным двигателем и применение постоянных магнитов делает КПД синхронных двигателей выше. Их особенностью также является постоянство скорости вращения при изменении момента нагрузки на валу.

При всех достоинствах синхронного двигателя основными недостатками, ограничивающими их применение являются сложность конструкции, наличие возбудителя, высокая цена, сложность пуска.

Поэтому синхронные двигатели преимущественно используются при мощностях свыше 100 кВт.

Основное применение – насосы, компрессоры, вентиляторы, двигатель-генераторные установки.

3. Асинхронные двигатели.

По конструктивному принципу асинхронные двигатели подразделяются на двигатели с короткозамкнутым и фазным ротором. При этом большинство используемых электродвигателей являются асинхронными с короткозамкнутым ротором. Столь широкое применение обусловлено простотой их конструкции, обслуживания и эксплуатации, высокой надежностью, относительно низкой стоимостью. Недостатками таких двигателей являются большой пусковой ток, относительно малый пусковой момент, чувствительность к изменениям параметров сети, а для плавного регулирования скорости необходим преобразователь частоты. Кроме того, асинхронные двигатели потребляют реактивную мощность из сети. Предел применения асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором определяется мощностью системы электроснабжения конкретного предприятия, так как большие пусковые токи при малой мощности системы создают большие понижения напряжения.

Использование асинхронных двигателей с фазным ротором помогает снизить пусковой ток и существенно увеличить пусковой момент, благодаря введению в цепь ротора пусковых реостатов. Однако, ввиду усложнения их конструкции, и как следствие, увеличения стоимости их применение ограничено. Основное применение – приводы механизмов с особо тяжелыми условиями пуска. Для уменьшения пусковых токов асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором может быть использовано устройство плавного пуска или преобразователь частоты.

В системах, где необходимо ступенчатое изменение скорости (например, лифты) используют многоскоростные асинхронные двигатели. В механизмах, требующих остановки за определенное время и фиксации вала при исчезновении напряжения питания, применяются асинхронные двигатели с электромагнитным тормозом (металлообрабатывающие станки, лебедки). Существуют также асинхронные двигатели с повышенным скольжением, которые предназначены для работы в повторно-кратковременных режимах, а также режимах с пульсирующей нагрузкой.

После того, как определен тип электродвигателя, полностью учитывающий специфику рабочего механизма и условия работы, необходимо определиться с рабочими параметрами двигателя: мощностью, номинальным и пусковым моментами, номинальными напряжением и током, режимом работы, коэффициентом мощности, классом энергоэффективности.

Мощность и моменты

В общем случае для квалифицированного подбора электродвигателя должна быть известна нагрузочная диаграмма механизма. Однако, в случае постоянной или слабо меняющейся нагрузки без регулирования скорости достаточно рассчитать требуемую мощность по теоретическим или эмпирическим формулам, зная рабочие параметры нагрузки. Ниже приведены формулы для расчета мощности двигателя P₂ [кВт] некоторых механизмов.

1. Вентилятор.

,

где Q [м³/с] – производительность вентилятора, Н [Па] – давление на выходе вентилятора, η_вент, η_пер – КПД вентилятора и передаточного механизма соответственно, k_з – коэффициент запаса.

2. Насос

,

где Q [м³/с] – производительность насоса, g=9,8 м/с² – ускорение свободного падения, H [м] – расчетная высота подъема, ρ [кг/м³] – плотность перекачиваемой жидкости, η_нас, η_пер – КПД насоса и передаточного механизма соответственно, k_з – коэффициент запаса.

3. Поршневой компрессор

,

где Q [м³/с] – производительность компрессора, А [Дж/м³] – работа изотермического и адиабатического сжатия атмосферного воздуха объемом 1 м³ давлением 1,1·10⁵ Па до требуемого давления, η_компр, η_пер – КПД компрессора и передаточного механизма соответственно, k_з – коэффициент запаса.

Кроме того, необходимо сопоставить пусковой момент двигателя (особенно в случае асинхронного с короткозамкнутым ротором) и рабочего механизма, так как некоторые механизмы имеют повышенное сопротивление в момент трогания. Следует иметь в виду и то обстоятельство, что при замене трехфазного асинхронного двигателя на однофазный пусковой момент последнего почти в три раза меньше и механизм, успешно функционировавший ранее, может не тронуться с места.

Развиваемый электродвигателем момент M [Нм] и полезная мощность на валу Р₂ [кВт] связаны следующим соотношением

Полная мощность, потребляемая из сети:

1. для двигателей постоянного тока (она же активная)

2. для двигателей переменного тока

при этом потребляемые активная и реактивная мощности соответственно

В случае синхронного двигателя значение Q₁ может получиться отрицательным, это означает, что двигатель отдает реактивную мощность в сеть.

Важно отметить следующее. Не следует выбирать двигатель с большим запасом по мощности, так как это приведет к снижению его КПД, а в случае двигателя переменного тока также к снижению коэффициента мощности.

Напряжение и ток

При выборе напряжения электродвигателя необходимо учитывать возможности системы энергоснабжения предприятия. При этом нецелесообразно при больших мощностях выбирать двигатель с низким напряжением, так как это приведет к неоправданному удорожанию не только двигателя, но и питающих проводов и коммутационной аппаратуры вследствие увеличения расхода меди.

Если при трогании момент сопротивления нагрузки невелик и для уменьшения пусковых токов асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором может быть применен способ пуска с переключением со «звезды» на «треугольник», необходимо предусмотреть вывод в клеммную коробку всех шести зажимов обмотки статора. В общем случае применение схемы соединения «звезда» является предпочтительным, так как в схеме «треугольник» имеется контур для протекания токов нулевой последовательности, которые приводят к нагреву обмотки и снижению КПД двигателя, в соединении «звезда» такой контур отсутствует.

Режим работы

Нагрузка электродвигателя в процессе работы может изменяться различным образом. ГОСТом предусмотрены восемь режимов работы.

1. Продолжительный S1 – режим работы при постоянной нагрузке в течение времени, за которое температура двигателя достигает установившегося значения. Мощность двигателя, работающего в данном режиме, рассчитывается исходя из потребляемой механизмом мощности. Формулы расчета мощности некоторых механизмов (насос, вентилятор, компрессор) приведены выше.

2. Кратковременный S2 – режим, при котором за время включения на постоянную нагрузку температура двигателя не успевает достичь установившегося значения, а за время отключения двигатель охлаждается до температуры окружающей среды. В случае использования двигателя S1 для работы в режиме S2 необходимо проверить его только по перегрузочной способности, так как температура не успевает достичь допустимого значения.

3. Повторно-кратковременный S3 – режим с периодическим отключением двигателя, при котором за время включения температура не успевает достичь установившегося значения, а за время отключения – температуры окружающей среды. Расчет мощности электродвигателя обычного исполнения для работы в режиме S3 производится по методам эквивалентных величин с учетом пауз и потерь в переходных режимах. Кроме того, двигатель необходимо проверить на допустимое число включений в час. В случае большого числа включений в час рекомендуется использовать двигатели с повышенным скольжением. Данные электродвигатели обладают повышенным сопротивлением обмотки ротора, а, следовательно, меньшими пусковыми и тормозными потерями.

4. Повторно-кратковременный с частыми пусками S4 и повторно-кратковременный с частыми пусками и электрическим торможением S5. Данные режимы рассматриваются аналогично режиму S3.

5. Перемежающийся S6 – режим, при котором работа двигателя под нагрузкой, периодически заменяется работой на холостом ходу. Большинство двигателей, работающих в продолжительном режиме, имеют меняющийся график нагрузки.

При этом для обоснованного выбора двигателя с целью оптимального его использования рекомендуется применять методы эквивалентных величин.

Класс энергоэффективности

В настоящее время вопросам энергоэффективности уделяется огромное внимание. При этом под энергоэффективностью понимается рациональное использование энергетических ресурсов, с помощью которого достигается уменьшение потребления энергии при том же уровне мощности нагрузки. Основным показателем энергоэффективности двигателя является его коэффициент полезного действия

,

где Р₂ – полезная мощность на валу, Р₁ – потребляемая активная мощность из сети.

Стандартом IEC 60034-30 для асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором были установлены три класса энергоэффективности: IE1, IE2, IE3.

Рис. 1. Классы энергоэффективности

Так, например, использование двигателя мощностью 55 кВт повышенного класса энергоэффективности позволяет сэкономить около 8000 кВт в год от одного двигателя.

Степень защиты IP, виды климатических условий и категорий размещения

ГОСТ Р МЭК 60034-5 – 2007 устанавливает классификацию степеней защиты, обеспечиваемых оболочками машин.

Обозначение степени защиты состоит из букв латинского алфавита IP и последующих двух цифр (например, IP55).

Большинство электродвигателей, выпускаемых в настоящее время, имеют степени защиты IP54 и IP55.

Категория размещения обозначается цифрой: 1 – на открытом воздухе; 2 – под навесом при отсутствии прямого солнечного воздействия и атмосферных осадков; 3 – в закрытых помещениях без искусственного регулирования климатических условий; 4 – в закрытых помещениях с искусственно регулируемыми климатическими условиями.

Климатические условия: У – умеренный климат; УХЛ – умеренно холодный климат; ХЛ – холодный климат; Т – тропический климат.

Таким образом, при выборе электродвигателя необходимо учитывать условия окружающей среды (температура, влажность), а также необходимость защиты двигателя от воздействия инородных предметов и воды.

Например, использование электродвигателя с типом климатического исполнения и категорией размещения У3 на открытом воздухе является недопустимым.

Усилия, действующие на вал двигателя со стороны нагрузки

Наиболее нагруженными в двигателе являются подшипниковые узлы. Поэтому при выборе двигателя должны быть учтены радиальные и осевые усилия, действующие на рабочий конец вала двигателя со стороны нагрузки. Превышения допустимых значений сил приводит к ускоренному выходу из строя не только подшипников, но и всего двигателя (например, задевание ротора о статор).

Обычно допустимые значения сил для каждого подшипника приведены в каталогах. Рекомендуется в случае повышенных радиальных усилий (ременная передача) на рабочий конец вала установить роликовый подшипник, при этом предпочтительным является двигатель с чугунными подшипниковыми щитами.

Особенности конструкции двигателя при работе от преобразователя частоты

В настоящее время все большее распространение приобретает использование частотно-регулируемого привода (ЧРП), выполненного на основе асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.

При использовании частотно-регулируемого привода достигается:

• 1. экономия электроэнергии;
• 2. плавность пуска и снижение пусковых токов;
• 3. увеличение срока службы двигателя.

В общем случае стандартный электродвигатель нельзя использовать в составе частотно-регулируемого привода, так как при уменьшении скорости вращения снижается эффективность охлаждения. При регулировании скорости вверх от номинальной резко увеличивается нагрузка от собственного вентилятора. В обоих случаях уменьшается нагрузочная способность двигателя. Кроме того, в случае использования двигателя в системах точного регулирования необходим датчик положения ротора двигателя.

При работе электродвигателя от преобразователя частоты в контуре вал – фундаментная плита могут протекать токи. При этом возникает точечная эрозия на шариках и роликах, на беговых кольцах подшипников качения, а также на баббитовой поверхности подшипников скольжения. От электролиза смазка чернеет, подшипники греются. Для разрыва контура прохождения подшипниковых токов на неприводной конец вала устанавливается изолированный подшипник. При этом по условиям безопасности установка изолированных подшипников с двух сторон двигателя не допустима.

Величина подшипниковых токов становится опасной для безаварийной работы двигателя при напряжении между противоположными концами вала более 0,5 В. Поэтому установка изолированного подшипника обычно требуется для электродвигателей с высотой оси вращения более 280 мм.

Примечание

Необходимо отметить, что в случае отклонения условий эксплуатации двигателя (например, температуры окружающей среды или высоты над уровнем моря), мощность нагрузки должна быть изменена. Кроме того, при снижении мощности нагрузки в определенные моменты времени для рационального использования двигателя может быть изменена схема соединения обмотки, а, следовательно, и фазное напряжение.

В случае возникновения вопросов, а также необходимости расчета параметров двигателя для Вашего нагрузочного механизма обращайтесь в наш технический отдел по координатам, приведенным на сайте в разделе «Контакты».

www.szemo.ru

Крутящий момент или мощность – развеиваем мифы — Eurocode Tuning Russia на DRIVE2

Крутящий момент или мощность – развеиваем мифы.

Приветствуем всех автолюбителей! Ни раз многие из нас сталкивались со спорами что же важнее мощность или крутящий момент. Кто то даже приводит высказывание якобы Генри Форда: "Лошадиные силы продают автомобиль, а крутящий момент выигрывает гонки" Кто то говорит, что крутящий момент влияет на разгон, а мощность на максимальную скорость, а некоторые наоборот считают, что исключительно мощность важна.
В этой статье мы максимально подробно и досконально разберем все аспекты, раз и на всегда закроем десятки мифов и домыслов.

Что такое крутящий момент?
Это произведение силы на плечо рычага, к которому она приложена. Сила измеряется в Ньютонах, а плечо рычага в метрах – Нм. 1 Нм равняется силе в 1 Ньютон, которая приложена к рычагу в 1 метр. 1 килограмм силы (1кгс) равен 9.8 Н.

Нужно понимать, что крутящий момент развивает все, что крутится и к нему прикладывается сила: Вы закручиваете гайки на колесе – наступая на гаечный ключ длинной 40 см (0.4 метра) всем телом 80 кг — создаете крутящий момент 0.4*80=32кг*м или 313.6 Нм.

Велосипедист весом 90кг, давящий всем весом на педаль с рычагом 35 см, развивает 0.35*90 = 31,5 кг*м = 308,7 Нм – Да да, крутящий момент велосипедиста – 300Нм! Как у трехлитрового атмосферного мотора!

Но, прежде чем дать понятие мощности, нужно еще ввести одну переменную – обороты в минуту.
Вернемся к велосипедисту и его 300Нм крутящего момента. Нам нужно понять на каких оборотах он может поддерживать этот момент. Как правило это около 1 вращения педалей в секунду. То есть 60 об/мин. Значит 300Нм при 60 об/мин.

Так же и многие производители указывают характеристики своих ДВС – например 250Нм при 4000об/мин. Но теперь становится не понятно — какой двигатель будет быстрее разгонять автомобиль: у которого 250Нм при 4000 об/мин или у которого 200Нм при 6000 об/мин. Как сравнить?

Очень просто — достаточно привести обороты коленчатого вала к одному знаменателю с помощью редуктора:

250Нм при 4000 об/мин, ставим понижающий вдвое редуктор и получаем 500Нм при 2000 об/мин (обороты понижаются вдвое, крутящий момент возрастает вдвоем, потерей на редукторе пренебрегаем)

200Нм при 6000 об/мин, ставим понижающий втрое редуктор и получаем 600Нм при 2000 Об/мин. Теперь четко можно сравнить эти два мотора:

250Нм при 4000 об/мин — > 500Нм при 2000 об/мин
200Нм при 6000 об/мин — > 600Нм при 2000 об/мин

то есть второй мотор на 20% «мощнее» первого, что на первый взгляд далеко не очевидно. Но не дело же каждый раз заниматься подбором "редукторов", чтобы честно сравнить крутящий момент моторов. Чтобы этим не заниматься и придумали понятие мощности для ДВС.

Итак, мощность для ДВС — это крутящий момент, умноженный на обороты, на которых он достигается, деленный на константу 9550. Результат мы получаем в киловаттах. Для того чтобы сразу получать результат в лошадиных силах нужно 9550 разделить на 1.36 – 7022. Или P(л.с.)=M(Нм)*N(об/мин)/7022.

Посчитаем сразу мощность велосипедиста:
(300Нм*60об/мин)/7022 = 2,56 лошадиные силы при 60 об/мин. Не густо. На деле еще меньше, потому что давить педали полным весом с частотой 1 об/мин не так просто)

Вернемся к нашим ДВС:
250Нм при 4000 об/мин – (250*4000)/7022 = 142.2 л.с.
200Нм при 6000 об/ мин – (200*6000)/7022 = 170.8 лс.

Это означает, что двигатель с бОльшей максимальной мощностью будет иметь и бОльший крутящий момент, при уравнивании частоты вращения выходного вала. Это аксиома.

Для закрепления приведем пример дизельного двигателя трактора (700Нм при 1300об/мин) и мотоцикла (110Нм при 13000об/мин):
(700Нм*1300 об/мин)/7022 = 129.5 л.с. — трактор
(110Нм*13000 об/мин)/7022 = 203 л.с. — мотоцикл.

На всякий случай проверим с помощью старой схемы с редукторами — поставим понижающий в 10 раз редуктор на мотоцикл — 110Нм при 13000об/мин превратятся в 1100Нм при 1300об/мин — крутящий будет гораздо больше чем у трактора. И да двигатель мотоцикла будет тянуть бОльший груз и быстрее разгонять трактор если его туда поставить.

На этом можно было бы заканчивать статью, если бы было все так просто. Дело в том, что мы рассчитали мощность и момент лишь в одной конкретной точке – а именно 60 об/мин, 4000 и 6000 об/мин соответственно.

У современных бензиновых моторов рабочий диапазон как правило от 800 до 6500 об/мин и в каждой точке двигатель будет обладать уникальной парой мощность/крутящий момент.

Можно наглядно посмотреть на график с диностенда – взять любую точку мощности при об/мин и посчитать крутящий момент, или наоборот с помощью формулы указанной выше. Так собственно и работает диностенд.

Тут возникает вопрос – если у ДВС максимальный крутящий момент скажем 200Нм при 5000об/мин, почему тогда максимальная мощность аж на 6400 об/мин, а не при тех же 4500 об/мин?

Дело в том, что:

На первый взгляд многим будет не понятно, для этого приведем пример все того же ДВС 200Нм при 5000об/мин. Посчитаем мощность — (200*5000)/7022 = 142.4 л.с.
А теперь двинемся дальше по оборотам на 20% — до 6000 об/мин. Допустим у нас крутящий момент упал с 200Нм до 190Нм, итого получаем 190Нм при 6000об/мин – вырастит ли мощность – давай посчитаем – 190*6000/7022= 162.3 л.с. Выросла!

А все потому, что обороты выросли на 20%, а крутящий момент упал на 5%, как итог мощность выросла на 14%.

А если мы пойдем еще дальше: например сдвинемся еще на 10% оборотов – 6600, а крутящий момент упадет на 12% — до 167 Нм, тогда получим – 167*6600/7022 = 157.1 л.с Именно поэтому повторимся: максимальная мощность растет до тех пор, пока крутящий момент падает медленнее чем растут обороты.

Отсюда следует, что точку максимальной мощности можно так же назвать точкой максимального приведенного крутящего момента, именно в этой точке будет максимальный крутящий момент у мотора на выходном валу.

А это означает:

Так же отсюда следует, что крутящий момент – величина относительная, и не подлежит сравнению между собой на прямую, в то время как мощность – абсолютная и 150 л.с. при 6000 об/мин, это тоже самое что 150 лс при 3500 об/мин.

Сразу же можно дать ответ на вопрос – почему вариаторные коробки передач в режиме максимального разгона всегда держат обороты в районе максимальной мощности, а не, например максимального крутящего момента. Ответ прост и написан выше – потому, что именно в этой точке, на колесах будет

www.drive2.ru

мощность или крутящий момент? — журнал За рулем

25 октября 2019 года

В технических характеристиках автомобиля присутствуют и максимальная мощность, и максимальный крутящий момент. Рассказываем, какой из показателей «для красоты», а какой — для удобства управления.

Материалы по теме

Конечно, на мощности зациклены все. От знакомых девушек, на которых магия цифр оказывает убийственное влияние, до налоговиков, которые очень радуются каждой ступени повышения мощности после 100 л.с, но особо предпочитают машины с цифрой свыше 250 л.с.

Максимальная мощность определяет возможность транспортного средства достигать максимальной скорости. Здесь зависимость далеко не прямая, но более мощные автомобили при сравнимой массе имеют большую максималку.

А вот на то, как быстро удастся достигнуть максимальной скорости, оказывает влияние характеристика крутящего момента двигателя. Возьмем два мотора с одинаковой максимальной мощностью, но у одного кривая момента имеет форму обычного горба, а другой очень быстро (при небольших оборотах) достигает максимального значения и далее держит полку этого момента вплоть до почти максимальных оборотов. С каким мотором разгон будет лучше? Конечно, со вторым, ведь обычно разгон на каждой передаче происходит в диапазоне оборотов коленвала от 2000 до 4000, ну, возможно, 5000 в минуту. А двигатель все время будет выдавать в этом диапазоне максимальный крутящий момент.

Мощность и крутящий момент атмосферных двигателей ВАЗ (слева) и китайского турбомотора JLE-4G18TD.

Мощность и крутящий момент атмосферных двигателей ВАЗ (слева) и китайского турбомотора JLE-4G18TD.

Материалы по теме

www.zr.ru

Мощность и вращающий момент электродвигателя. Что это такое?

Мощность и вращающий момент электродвигателя

Данная глава посвящена вращающему моменту: что это такое, для чего он нужен и др. Мы также разберём типы нагрузок в зависимости от моделей насосов и соответствие между электродвигателем и нагрузкой насоса.

Вы когда-нибудь пробовали провернуть вал пустого насоса руками? Теперь представьте, что вы поворачиваете его, когда насос заполнен водой. Вы почувствуете, что в этом случае, чтобы создать вращающий момент, требуется гораздо большее усилие.

А теперь представьте, что вам надо крутить вал насоса несколько часов подряд. Вы бы устали быстрее, если бы насос был заполнен водой, и почувствовали бы, что потратили намного больше сил за тот же период времени, чем при выполнении тех же манипуляций с пустым насосом. Ваши наблюдения абсолютно верны: требуется большая мощность, которая является мерой работы (потраченной энергии) в единицу времени. Как правило, мощность стандартного электродвигателя выражается в кВт.

Вращающий момент (T) - это произведение силы на плечо силы. В Европе он измеряется в Ньютонах на метр (Нм).

Как видно из формулы, вращающий момент увеличивается, если возрастает сила или плечо силы - или и то и другое. Например, если мы приложим к валу силу в 10 Н, эквивалентную 1 кг, при длине рычага (плече силы) 1 м, в результате, вращающий момент будет 10 Нм. При увеличении силы до 20 Н или 2 кг, вращающий момент будет 20 Нм. Таким же образом, вращающий момент был бы 20 Нм, если бы рычаг увеличился до 2 м, а сила составляла 10 Н. Или при вращающем моменте в 10 Нм с плечом силы 0,5 м сила должна быть 20 Н.

Работа и мощность

Теперь остановимся на таком понятии как «работа», которое в данном контексте имеет особое значение. Работа совершается всякий раз, когда сила - любая сила - вызывает движение. Работа равна силе, умноженной на расстояние. Для линейного движения мощность выражается как работа в определённый момент времени.

Если мы говорим о вращении, мощность выражается как вращающий момент (T), умноженный на частоту вращения (w).

Частота вращения объекта определяется измерением времени, за которое определённая точка вращающегося объекта совершит полный оборот. Обычно эта величина выражается в оборотах в минуту, т.е. мин-1 или об/мин. Например, если объект совершает 10 полных оборотов в минуту, это означает, что его частота вращения: 10 мин-1 или 10 об/мин.

Итак, частота вращения измеряется в оборотах в минуту, т.е. мин-1.

Приведем единицы измерения к общему виду.

Для наглядности возьмём разные электродвигатели, чтобы более подробно проанализировать соотношение между мощностью, вращающим моментом и частотой вращения. Несмотря на то, что вращающий момент и частота вращения электродвигателей сильно различаются, они могут иметь одинаковую мощность.

Например, предположим, что у нас 2-полюсный электродвигатель (с частотой вращения 3000 мин-1) и 4-полюсной электродвигатель (с частотой вращения 1500 мин-1). Мощность обоих электродвигателей 3,0 кВт, но их вращающие моменты отличаются.

Таким образом, вращающий момент 4-полюсного электродвигателя в два раза больше вращающего момента двухполюсного электродвигателя с той же мощностью.

Как образуется вращающий момент и частота вращения?

Теперь, после того, как мы изучили основы вращающего момента и скорости вращения, следует остановиться на том, как они создаются.

В электродвигателях переменного тока вращающий момент и частота вращения создаются в результате взаимодействия между ротором и вращающимся магнитным полем. Магнитное поле вокруг обмоток ротора будет стремиться к магнитному полю статора. В реальных рабочих условиях частота вращения ротора всегда отстаёт от магнитного поля. Таким образом, магнитное поле ротора пересекает магнитное поле статора и отстает от него и создаёт вращающий момент. Разницу в частоте вращения ротора и статора, которая измеряется в %, называют скоростью скольжения.

Скольжение является основным параметром электродвигателя, характеризующий его режим работы и нагрузку. Чем больше нагрузка, с которой должен работать электродвигатель, тем больше скольжение.

Помня о том, что было сказано выше, разберём ещё несколько формул. Вращающий момент индукционного электродвигателя зависит от силы магнитных полей ротора и статора, а также от фазового соотношения между этими полями. Это соотношение показано в следующей формуле:

Сила магнитного поля, в первую очередь, зависит от конструкции статора и материалов, из которых статор изготовлен. Однако напряжение и частота тока также играют важную роль. Отношение вращающих моментов пропорционально квадрату отношения напряжений, т.е. если подаваемое напряжение падает на 2%, вращающий момент, следовательно, уменьшается на 4%.

Потребляемая мощность электродвигателя

Ток ротора индуцируется через источник питания, к которому подсоединён электродвигатель, а магнитное поле частично создаётся напряжением. Входную мощность можно вычислить, если нам известны данные источника питания электродвигателя, т.е. напряжение, коэффициент мощности, потребляемый ток и КПД.

В Европе мощность на валу обычно измеряется в киловаттах. В США мощность на валу измеряется в лошадиных силах (л.с.).

Если вам необходимо перевести лошадиные силы в киловатты, просто умножьте соответствующую величину (в лошадиных силах) на 0,746. Например, 20 л.с. равняется (20 • 0,746) = 14,92 кВт.

И наоборот, киловатты можно перевести в лошадиные силы умножением величины в киловаттах на 1,341. Это значит, что 15 кВт равняется 20,11 л.с.

Момент электродвигателя

Мощность [кВт или л.с.] связывает вращающий момент с частотой вращения, чтобы определить общий объём работы, который должен быть выполнен за определённый промежуток времени.

Рассмотрим взаимодействие между вращающим моментом, мощностью и частотой вращения, а также их связь с электрическим напряжением на примере электродвигателей Grundfos. Электродвигатели имеют одну и ту же номинальную мощность как при 50 Гц, так и при 60 Гц.

Это влечёт за собой резкое снижение вращающего момента при 60 Гц: частота 60 Гц вызывает 20%-ное увеличение числа оборотов, что приводит к 20%-ному уменьшению вращающего момента. Большинство производителей предпочитают указывать мощность электродвигателя при 60 Гц, таким образом, при снижении частоты тока в сети до 50 Гц электродвигатели будут обеспечивать меньшую мощность на валу и вращающий момент. Электродвигатели обеспечивают одинаковую мощность при 50 и 60 Гц.

Графическое представление вращающего момента электродвигателя изображено на рисунке.

Иллюстрация представляет типичную характеристику вращающий момент/частота вращения. Ниже приведены термины, используемые для характеристики вращающего момента электродвигателя переменного тока.

Пусковой момент (Мп): Механический вращающий момент, развиваемый электродвигателем на валу при пуске, т.е. когда через электродвигатель пропускается ток при полном напряжении, при этом вал застопорен.

Минимальный пусковой момент (Ммин): Этот термин используется для обозначения самой низкой точки на кривой вращающий момент/частота вращения электродвигателя, нагрузка которого увеличивается до полной скорости вращения. Для большинства электродвигателей Grundfos величина минимального пускового момента отдельно не указывается, так как самая низкая точка находится в точке заторможенного ротора. В результате для большинства электродвигателей Grundfos минимальный пусковой момент такой же, как пусковой момент.

Блокировочный момент (Мблок): Максимальный вращающий момент - момент, который создаёт электродвигатель переменного тока с номинальным напряжением, подаваемым при номинальной частоте, без резких скачков скорости вращения. Его называют предельным перегрузочным моментом или максимальным вращающим моментом.

Вращающий момент при полной нагрузке (Мп.н.): Вращающий момент, необходимый для создания номинальной мощности при полной нагрузке.

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.

Соответствие электродвигателя нагрузке

Если нужно определить, отвечает ли вращающий момент определённого электродвигателя требованиям нагрузки, Вы можете сравнить характеристики скорости вращения/вращающего момента электродвигателя с характеристикой скорости вращения/ вращающего момента нагрузки. Вращающий момент, создаваемый электродвигателем, должен превышать потребный для нагрузки вращающий момент, включая периоды ускорения и полной скорости вращения.

Характеристика зависимости вращающего момента от скорости вращения стандартного электродвигателя и центробежного насоса.

Если мы посмотрим на характеристику , то увидим, что при ускорении электродвигателя его пуск производится при токе, соответствующем 550% тока полной нагрузки.

Когда двигатель приближается к своему номинальному значению скорости вращения, ток снижается. Как и следовало ожидать, во время начального периода пуска потери на электродвигателе высоки, поэтому этот период не должен быть продолжительным, чтобы не допустить перегрева.

Очень важно, чтобы максимальная скорость вращения достигалась как можно точнее. Это связано с потребляемой мощностью: например, увеличение скорости вращения на 1% по сравнению со стандартным максимумом приводит к 3%-ному увеличению потребляемой мощности.

Потребляемая мощность пропорциональна диаметру рабочего колеса насоса в четвертой степени.

Уменьшение диаметра рабочего колеса насоса на 10% приводит к уменьшению потребляемой мощности на (1- (0.9 * 0.9 * 0.9 * 0.9)) * 100 = 34%, что равно 66% номинальной мощности. Эта зависимость определяется исключительно на практике, так как зависит от типа насоса, конструкции рабочего колеса и от того, насколько вы уменьшаете диаметр рабочего колеса.

Время пуска электрдвигателя

Если нам необходимо подобрать типоразмер электродвигателя для определённой нагрузки, например для центробежных насосов, основная наша задача состоит в том, чтобы обеспечить соответствующий вращающий момент и мощность в номинальной рабочей точке, потому что пусковой момент для центробежных насосов довольно низкий. Время пуска достаточно ограниченно, так как вращающий момент довольно высокий.

Нередко для сложных систем защиты и контроля электродвигателей требуется некоторое время для их пуска, чтобы они могли замерить пусковой ток электродвигателя. Время пуска электродвигателя и насоса рассчитывается с помощью следующей формулы:

tпуск = время, необходимое электродвигателю насоса, чтобы достичь частоты вращения при полной нагрузке

n = частота вращения электродвигателя при полной нагрузке

Iобщ = инерция, которая требует ускорения, т.е. инерция вала электродвигателя, ротора, вала насоса и рабочих колёс.

Момент инерции для насосов и электродвигателей можно найти в соответствующих технических данных.

Мизб = избыточный момент, ускоряющий вращение. Избыточный момент равен вращающему моменту электродвигателя минус вращающий момент насоса при различных частотах вращения.

Мизб можно рассчитать по следующим формулам:

Как видно из приведённых вычислений, выполненных для данного примера с электродвигателем мощностью 4 кВт насоса CR, время пуска составляет 0,11 секунды.

Число пусков электродвигателя в час

Современные сложные системы управления электродвигателями могут контролировать число пусков в час каждого конкретного насоса и электродвигателя. Необходимость контроля этого параметра состоит в том, что каждый раз, когда осуществляется пуск электродвигателя с последующим ускорением, отмечается высокое потребление пускового тока. Пусковой ток нагревает электродвигатель. Если электродвигатель не остывает, продолжительная нагрузка от пускового тока значительно нагревает обмотки статора электродвигателя, что приводит к выходу из строя электродвигателя или сокращению срока службы изоляции.

Обычно за количество пусков, которое может выполнить электродвигатель в час, отвечает поставщик электродвигателя. Например, Grundfos указывает максимальное число пусков в час в технических данных на насос, так как максимальное количество пусков зависит от момента инерции насоса.

Мощность и КПД (eta) электродвигателя

Существует прямая связь между мощностью, потребляемой электродвигателем от сети, мощностью на валу электродвигателя и гидравлической мощностью, развиваемой насосом.

При производстве насосов используются следующие обозначения этих трёх различных типов мощности.

P1 (кВт) Входная электрическая мощность насосов - это мощность, которую электродвигатель насоса получает от источника электрического питания. Мощность P! равна мощности P2, разделённой на КПД электродвигателя.

P2 (кВт) Мощность на валу электродвигателя - это мощность, которую электродвигатель передает на вал насоса.

Р3 (кВт) Входная мощность насоса = P2, при условии, что соединительная муфта между валами насоса и электродвигателя не рассеивает энергию.

Р4 (кВт) Гидравлическая мощность насоса.

eti.su

Что такое крутящий момент электродвигателя

Одним из важных параметров электродвигателя, который так же важен при его выборе, является крутящий момент. Эта величина определяется произведением приложенной к плечу рычага силы и зависит исключительно от степени нагрузки. Если в двигателях внутреннего сгорания данную нагрузку задаётся коленчатым валом, то асинхронные электродвигатели получают величину крутящего момента от токов возбуждения. При этом величина этого момента будет зависеть от скорости вращающегося в магнитном поле статора устройства, называемого ротор. В зависимости от периода и способа определения, крутящий момент разделяют на:

• статический (пусковой) – минимальный момент холостого хода;
• промежуточный – развивает значение при работе двигателя от 0 величины оборотов до максимального значения в номинальной величине напряжения;
• максимальный – развивающийся при эксплуатации двигателя;
• номинальный – соответствует номинальным значениям мощности и оборотов.

Для вычисления величины крутящего момента, определяющегося в «кгм» (килограмм на метр) или «Нм» (ньютон на метр), многие электротехнические пособия предлагают специальные формулы, учитывающие кроме основного действия вращающегося магнитного поля ряд всевозможных факторов, например:

• напряжения сети;
• величину индуктивного и активного сопротивления;
• зависимость от увеличения скольжения.

Но, рост скольжения не всегда приносит высокий момент. Зачастую, при достижении критических значений, наблюдается его резкое снижение. Такое явление обозначается как опрокидывающий момент. Одним из устройств, стабилизирующих скорость вращения ротора, а значит и величину момента кручения является частотный преобразователь, применение которого сейчас очень распространено во всех сферах, где от контроля работы двигателя зависит и успешность выполнения множественных производственных задач.

Выбираем электродвигатель по крутящему моменту

Для выбора, требуемого к выполнению тех или иных задач электродвигателя, берут в учёт практически все его характеристики, начиная от показателей мощности и заканчивая массогабаритными параметрами. Каждый из элементов по-своему важен в решении нюансов. Не меньшее значение припадает и на крутящий момент. Благодаря тому, что момент кручения напрямую связан с оборотами в соотношении: чем больше сами обороты, тем меньше будет момент, выбор электродвигателя будет исходить из следующих нюансов:

• из скоростных требований. В этом случае, более полезным будет выбор двигателя по малому моменту для работающих со слабыми усилиями и на большой скорости, и со средними либо высокими показателями моментов пуска для работающих в усиленных режимах. На малых скоростях;
• по пусковым напряжениям. Здесь учитывается первичное усилие, например, для управления лифтом следует подбирать двигатели высокого пускового момента, способного поднимать большие грузы со старта. Хотя, многие статьи про электродвигатели рекомендуют так же применять устройства плавного пуска, умеющие обезопасить от нежелательных перегрузов.

Стоит помнить, что выбор осуществляется не по одному из показателей, даже при ориентировании относительно крутящего момента, ведь каждый из показателей ориентируется по рабочей предрасположенности электротехнического приводного устройства и его рабочих нагрузок в статистических и динамических эксплуатационных условиях, задаваемых самим предприятием.

Остались вопросы?
Специалисты ЭНЕРГОПУСК ответят на Ваши вопросы:
8-800-700-11-54 (8-18, Пн-Вт)

epusk.ru

Что следует учитывать при выборе асинхронного электродвигателя

При выборе асинхронных электродвигателей переменного тока часто не учитываются требования к конструкции, которые связаны с их применением в составе того или иного оборудования. Также обычно имеет место подход, основанный на универсальности электродвигателя, и тогда выбор зависит только от его напряжения, мощности и скорости вращения ротора. Тем не менее есть еще целый ряд дополнительных аспектов для рассмотрения, таких как диапазон напряжения питания, сохранение номинальной мощности при изменении скорости вращения и область применения. Все это в итоге сводится к решению следующих вопросов: какова цель применения электродвигателя, как сделать все быстрее и эффективнее?

 

Базовые принципы выбора электродвигателя

Отправными точками для выбора асинхронного двигателя являются напряжение питания обмоток статора, создающего магнитное поле, а также номинальная мощность и скорость вращения ротора, которые соответствуют требованиям конкретного применения. Еще один, не менее важный момент — это необходимый вариант установки двигателя в приводе. Должен ли двигатель иметь крепление на основании, или он будет помещен на фланец на конце привода, или же должен предоставлять обе возможности? Кроме того, необходимо учитывать характеристики окружающей среды, в которой будет эксплуатироваться двигатель. При этом для выбора двигателя необходимо знать, потребуется ли ему работать под дождем и имеется ли вообще риск попадания на него воды, а также оценить уровень загрязнения и наличия пыли. Для эксплуатации в жестких условиях хорошо подходят электродвигатели закрытого типа с вентиляторным охлаждением (англ. totally enclosed fan cooled, TEFC) или электродвигатели закрытого типа без охлаждения (англ. totally enclosed non-vented, TENV). Если среда, в которой будет использоваться двигатель, не загрязнена и он будет эксплуатироваться без риска попадания на него воды, то в этом случае может быть достаточно применения каплезащищенного электродвигателя открытого исполнения (англ. open drip proof, ODP).

 

Выбор инвертора

Благодаря усилиям лоббистов местных энергетических компаний в сочетании с преимуществами, получаемыми при возможности регулирования скорости вращения ротора двигателей, все более распространенными становятся частотно-регулируемые приводы (ЧРП, англ. variable frequency drive, VFD). При их использовании особое внимание следует уделять генерации электромагнитных помех, которая характерна для таких приводов исходя из самой их природы. Для того чтобы электродвигатель мог использоваться с ЧРП, необходимо учитывать несколько технических особенностей, которым должен удовлетворять подходящий по остальным характеристикам электродвигатель. Среди них можно выделить две главные:

Максимально допустимое напряжение изоляции обмоточных проводов статора электродвигателя.

Электрическая прочность изоляции провода, из которого выполнена обмотка статора асинхронного электродвигателя, находится в пределах 1000–1600 В, но, как правило, в документации указывается значение прочности изоляции, равное 1200 В. Однако чем больше воздушный зазор между приводом и двигателем, тем, естественно, бо́льшим скачкам переходного напряжения, воздействующим на двигатель, он может противостоять. Электродвигатель, в котором для обмотки статора используется провод с электрической прочностью изоляции провода, равной 1600 В, может иметь ссылку на стандарт Национальной ассоциации производителей электрооборудования (NEMA, США) NEMA MG-1 2003, раздел 4, параграф 31, в котором говорится, что двигатель должен выдерживать без повреждений начальное напряжение коронного разряда (англ. corona inception voltage, CIV) уровнем до 1600 В.

Коэффициент сохранения постоянного крутящего момента (CT) двигателя, часто упоминается как «xx: 1 CT».

Этот показатель дает представление о диапазоне регулирования скорости. По нему можно узнать, насколько может быть снижена скорость вращения ротора двигателя, при которой он будет работать с сохранением того же крутящего момента (англ. CT — constant torque, постоянный крутящий момент), что и при номинальной скорости. Ниже этого значения крутящего момента производительность асинхронного электродвигателя снижается.

Например, возьмем электродвигатель мощностью 10 л. с. с начальной скоростью 1800 об/мин. При номинальной скорости (около 1800 об/мин), как указано, он имеет крутящий момент 29 фунтов на фут. Если в спецификации на электродвигатель написано, что коэффициент сохранения номинальной мощности составляет 10:1 CT, это означает, что такой электродвигатель может обеспечить номинальный крутящий момент до скорости 180 об/мин. Если же указано, что электродвигатель имеет коэффициент сохранения номинальной мощности 1000:1 CT, то имеется в виду, что крутящий момент сможет сохранять номинальное значение до скорости 1,8 об/мин.

При этом необходимо учитывать еще один нюанс, который связан с охлаждением электродвигателя. Нужно обязательно уточнить у поставщика, будет ли электродвигатель перегреваться при длительной работе на малых оборотах. Дело в том, что если двигатель охлаждается за счет крыльчатки, закрепленной на его валу, то на малых скоростях вы столкнетесь с низкой скоростью охлаждающего двигатель потока воздуха. Если асинхронный электродвигатель работает на низкой скорости и в течение длительного времени используется с большим крутящим моментом, то он будет выделять много тепла — при таких условиях, возможно, придется остановить свой выбор на двигателе с иным методом охлаждения.

Например, для организации принудительного охлаждения можно применить воздуходувное устройство, имеющее собственный, отдельно управляемый двигатель. Производительность такого устройства не связана с системой управления электропривода. В этом случае воздушный поток, который обдувает мощный электродвигатель, будет постоянным и достаточным для его охлаждения при низкой или даже при нулевой скорости.

 

Связь мощности и крутящего момента

При выборе асинхронного электродвигателя еще одним важным аспектом является номинальная, или основная, скорость двигателя. Обычно используются двухполюсные (3600 об/мин) и четырехполюсные (1800 об/мин) электродвигатели. Однако имеются и коммерчески доступные 6-, 8- и 12-полюсные асинхронные электродвигатели со скоростью вращения ротора 1200, 900
и 600 об/мин соответственно. Номинальная скорость асинхронного электродвигателя напрямую связана с числом полюсов, которые такой двигатель конструктивно содержит (табл.), и определяется по следующей формуле:

Об/мин = (120 × частота) / N (число полюсов)

В качестве примечания необходимо отметить, что, хотя прямой связи здесь нет, но, как правило, с увеличением количества полюсов возрастают и размеры, а также стоимость электропривода.

Кроме того, пользователям электроприводов, в зависимости от области применения данных устройств, может понадобиться обеспечить необходимый крутящий момент путем изменения скорости. В целом по мере увеличения скорости двигателя крутящий момент уменьшается, что также относится к редукторам и цепным приводам. Это соотношение объясняется следующим уравнением:

мощность (л. с.) = (крутящий момент × × номинальная скорость) / 5252

Крутящий момент, в соответствии с заданной целью, может быть достигнут путем выбора электродвигателя с необходимой мощностью и номинальной скоростью и реализован через любую цепную, ременную передачу или редуктор. Такой подход снижает стоимость привода, его габаритные размеры и время, уходящее на замену его подвижных заменяемых частей в ходе выполнения ремонта или технического обслуживания.

Таблица. Связь между числом полюсов, скоростью (об/мин) и крутящим моментом асинхронного электродвигателя

Число полюсов, N	Скорость, об/мин	Крутящий момент, л. с. / фут-фунт
2	3600	1,46
4	1800	2,92
6	1200	4,38
8	900	5,84
10	720	7,29
12	600	8,75

Примечание. Как правило, увеличение числа полюсов приводит к увеличению габаритов, а следовательно, и к повышению стоимости привода на основе асинхронного электродвигателя

Facebook

Twitter

Вконтакте

Google+

controlengrussia.com

Выбор электродвигателя для промышленных применений

При выборе электродвигателя следует учитывать множество факторов, в том числе целевое назначение, требующиеся эксплуатационные и механические характеристики, а также предполагаемые внешние воздействия. Возможные варианты таковы: электродвигатель переменного тока, электродвигатель постоянного тока (рис. 1) или серводвигатель (шаговый электродвигатель). Конечный выбор в основном зависит от того, для какого промышленного изделия подбирается электродвигатель, и от наличия особых потребностей.

Рис. 1. Электродвигатели постоянного тока хорошо подходят для применения в изделиях с невысокой стоимостью, низкой частотой вращения ротора или постоянным крутящим моментом — например, таких, как этот ленточный транспортер

В зависимости от характера нагрузки это может быть электродвигатель с постоянной или переменной частотой вращения и мощностью. Крутящий момент и мощность определяются величиной нагрузки, необходимой частотой вращения, а также разгоном и торможением (особенно если они быстрые и/или частые). Кроме того, следует учитывать требования к регулированию частоты вращения и управлению положением ротора.

 

Типы нагрузок электродвигателей

Существует четыре типа нагрузок электродвигателей промышленной автоматики:

• переменная мощность и постоянный крутящий момент;
• переменный крутящий момент и постоянная мощность;
• переменные мощность и крутящий момент;
• управление положением ротора или регулирование крутящего момента.

К изделиям с переменной мощностью и постоянным крутящим моментом относятся транспортеры, краны и редукторные насосы. Крутящий момент у них постоянен, так как нагрузка не меняется. Требующаяся мощность может различаться в зависимости от типа изделия, поэтому хорошим выбором в этом случае будут электродвигатели постоянного тока с постоянной частотой вращения ротора.

Пример изделия с переменным крутящим моментом и постоянной мощностью — станок для перемотки бумаги. Скорость подачи материала постоянна, поэтому мощность не меняется. Нагрузка, однако, меняется по мере увеличения диаметра рулона. Для небольших систем такого рода хорошо подойдут электродвигатели постоянного тока или серводвигатели. Другой важный фактор в этом случае — энергия рекуперации, которую следует учитывать при выборе размера электродвигателя или метода регулирования мощности. В более крупных системах, возможно, целесообразнее будет использовать электродвигатели переменного тока с датчиками перемещений, регулирование с обратной связью и приводы, работающие в четырех квадрантах.

Для вентиляторов, центробежных насосов и мешалок требуются переменные мощность и крутящий момент. С увеличением частоты вращения ротора электродвигателя растет и мощность на нагрузке, а с нею требующиеся номинальная мощность и крутящий момент. При нагрузках такого типа начинает играть важную роль КПД двигателя. В подобных изделиях применяются электродвигатели переменного тока с инверторным управлением и частотно-регулируемые приводы.

В линейных приводах, которые должны обеспечивать точное перемещение во множество положений, требуется управление положением или регулирование крутящего момента ротора с малой погрешностью, а зачастую и обратная связь для проверки правильности положения. Для этих целей лучше всего подходят серводвигатели и шаговые двигатели, но наряду с ними часто применяются электродвигатели постоянного тока с обратной связью или электродвигатели переменного тока с инверторным управлением и датчиком перемещения, которые позволяют с малой погрешностью регулировать крутящий момент на металлургических и бумагоделательных линиях, а также в других аналогичных применениях.

 

Типы электродвигателей

Электродвигатели бывают двух основных разновидностей — переменного и постоянного тока, но они, в свою очередь, разделяются более чем на три десятка типов.

Несмотря на большое разнообразие, промышленные применения электродвигателей имеют между собой много общего, и под влиянием рыночных механизмов практический ассортимент типов электродвигателей в большинстве применений сузился. Шесть наиболее распространенных типов электродвигателей, которые можно использовать в подавляющем большинстве изделий, — это бесколлекторные и коллекторные электродвигатели постоянного тока, электродвигатели переменного тока с короткозамкнутым и фазным ротором, серводвигатели и шаговые электродвигатели. Прочие типы электродвигателей применяются только в изделиях специального назначения.

 

Три основных типа изделий по режиму работы электродвигателя

Три основных типа изделий по режиму работы электродвигателя — это изделия с постоянной частотой вращения, переменной частотой вращения и управлением положением (или регулированием крутящего момента) ротора. В различных изделиях промышленной автоматики требуются разные режимы, и набор вопросов, на который приходится отвечать при выборе электродвигателя, может также различаться (рис. 2).

Рис. 2. Асинхронные электродвигатели переменного тока часто выбирают для промышленных машин с вращательным движением рабочего органа

Например, если требующаяся максимальная частота вращения ротора меньше номинальной, может понадобиться редуктор. Возможно, для этой цели удастся подобрать более компактный электродвигатель, частота вращения ротора которого будет обеспечивать более высокий КПД. В Интернете есть большое количество информации о том, как выбирать электродвигатель по размеру, но пользователям необходимо принимать во внимание и другие факторы. Для расчета момента инерции нагрузки, крутящего момента и частоты вращения ротора требуется знать такие параметры, как полная масса и размер (радиус) нагрузки, а также коэффициент трения, потери на редукторе и цикл работы машины. Кроме того, во избежание перегрева электродвигателя необходимо учитывать изменение нагрузки, темп разгона или торможения и рабочий цикл изделия.

Определившись с типом и размером электродвигателя, пользователю нужно также учесть влияние внешних факторов и выбрать исполнение — например, открытое или в кожухе из нержавеющей стали для работы во влажной среде.

 

Выбор электродвигателя: три вопроса

Даже после того, как все эти решения приняты, пользователю необходимо ответить на следующие три вопроса, прежде чем сделать окончательный выбор.

Требуется ли постоянная частота вращения ротора?

В изделиях с постоянной частотой вращения ротора электродвигатель часто работает на приблизительно установленной частоте, а характеристики разгона и торможения роли практически не играют. В этом случае обычно применяется релейное управление с питанием непосредственно от сети. Цепи управления часто состоят из ответвления с предохранителем и контактором, устройства защиты от перегрузки при пуске и ручного регулятора электродвигателя или устройства плавного пуска.

Для изделий с постоянной частотой вращения ротора подходят электродвигатели переменного и постоянного тока. Электродвигатели постоянного тока обеспечивают номинальный крутящий момент при нулевой частоте вращения; этот тип электродвигателей очень популярен. Электродвигатели переменного тока — тоже хороший выбор, так как они характеризуются высоким коэффициентом мощности и нетребовательны в обслуживании. Серво­двигатель или шаговый двигатель с высокими эксплуатационными характеристиками был бы излишним для простого изделия.

Требуется ли переменная частота вращения ротора?

Изделия с переменной частотой вращения ротора обычно требуют изменения линейной скорости и частоты вращения с малой погрешностью, а также четко определенных характеристик разгона и ускорения. Уменьшение частоты вращения ротора в таких изделиях, как вентиляторы и центробежные насосы, часто позволяет повысить КПД за счет согласования мощности с нагрузкой вместо работы на максимальной частоте с пропорциональным регулированием или демпфированием. Это важно для конвейерных систем, например линий бутылочного розлива.

Электродвигатели как переменного, так и постоянного тока с приводами соответствующего типа эффективно работают в изделиях с переменной частотой вращения ротора. На протяжении длительного времени привод с электродвигателем постоянного тока был единственным вариантом для изделий с переменной частотой вращения ротора, и компоненты для этой комбинации хорошо отработаны и проверены временем. Даже сейчас электродвигатели постоянного тока широко применяются в маломощных (менее 1 л. с.) изделиях этого типа, а также оказываются полезными в изделиях с низкой частотой вращения ротора, так как обеспечивают номинальный крутящий момент на низкой частоте вращения и постоянный крутящий момент в широком диапазоне частот.

Слабой стороной электродвигателей постоянного тока может быть обслуживание, так как во многих из них для коммутации используются щетки, которые со временем изнашиваются от контакта с подвижными частями. Бесколлекторные электродвигатели постоянного тока свободны от этого недостатка, но дороже в приобретении, а их ассортимент — уже.

Избавлены от этой проблемы и асихронные электродвигатели переменного тока, а вкупе с частотно-регулируемым приводом (рис. 3) они позволяют получить более высокий КПД в изделиях мощностью более 1 л. с., таких как вентиляторы и насосы. Некоторые типы приводов предусматривают обратную связь по положению. Если этого требует характер изделия, можно дополнить электродвигатель датчиком перемещений и выбрать привод, использующий сигнал от этого датчика для обратной связи. Такая конфигурация может обеспечить такое же регулирование частоты вращения ротора, как в серводвигателе.

Рис. 3. Сочетание электродвигателя постоянного тока с частотно-регулируемым приводом широко применяется для повышения КПД и эффективно работает в разнообразных изделиях с переменной частой вращения ротора

Требуется ли управление положением ротора?

Управление положением ротора электродвигателя с малой погрешностью обеспечивается путем непрерывной проверки его положения в процессе вращения. В изделиях, где требуется, например, задавать положение линейного привода, можно применять шаговый электродвигатель с обратной связью или без таковой, а также серводвигатель со встроенной обратной связью.

Шаговый электродвигатель предназначен для перемещения в заданное положение на умеренной скорости с последующим сохранением этого положения. Шаговый электродвигатель без обратной связи по положению обеспечивает весьма точное управление положением ротора, если правильно выбрать его размер, а также перемещение на точно заданное число шагов (если только он не столкнется с изменением нагрузки, превышающим его возможности).

С ростом требуемой частоты вращения и динамических нагрузок шаговый привод без обратной связи может уже не обеспечить нужных характеристик системы, и тогда понадобится шаговый привод с обратной связью или сервопривод.

Система с обратной связью обеспечивает точное высокоскоростное перемещение по заданному профилю и регулирование положения ротора. Серводвигатель обеспечивает больший крутящий момент на высоких частотах вращения в сравнении с шаговым электродвигателем, а также эффективнее работает в изделиях, характеризующихся высокими динамическими нагрузками или сложным характером перемещения.

Для быстрого и/или резкого перемещения с малым перерегулированием по положению момент инерции нагрузки должен быть как можно лучше согласован с моментом инерции серводвигателя. Рассогласование в пропорции до 10:1 приемлемо в некоторых применениях, но оптимальным является согласование 1:1.

Уменьшение частоты вращения посредством редуктора — оптимальный способ решить проблему рассогласования моментов инерции, поскольку момент инерции нагрузки обратно пропорционален квадрату передаточного отношения редуктора. При этом в расчетах необходимо учитывать момент инерции редуктора.

 

Знание особенностей изделия и электродвигателя

Производители предлагают широкий ассортимент электродвигателей для промышленных применений. Шаговые электродвигатели, серводвигатели, электродвигатели переменного и постоянного тока пригодны для использования в большинстве типов изделий промышленной автоматики, но оптимальный выбор электродвигателя зависит от характера изделия. Пользователям следует выбирать электродвигатель для своего изделия, учитывая, какой требуется режим работы — постоянная частота вращения, переменная частота вращения или управление положением ротора, — и в тесном взаимодействии с поставщиками электродвигателя и привода.

Facebook

Twitter

Вконтакте

Google+

controlengrussia.com

Мощность двигателя и крутящий момент — DRIVE2

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) это устройство, в котором химическая энергия топлива, сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу.

Возгорание топлива в цилиндре (6) приводит к перемещению поршня (7), что, в свою очередь, приводит к проворачиванию коленчатого вала.

Циклы расширения и сжатия в цилиндрах приводят в действие кривошипно-шатунный механизм, который, в свою очередь, преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.
Из чего состоит двигатель и как он работает:

Итак, важнейшими характеристиками двигателя являются его мощность, крутящий момент и обороты, при которых эта мощность и крутящий момент достигаются.

Обороты двигателя

Под широкоупотребимым термином «обороты двигателя» имеется в виду количество оборотов коленчатого вала в единицу времени (в минуту).

И мощность, и крутящий момент — величины не постоянные, они имеют сложную зависимость от оборотов двигателя. Эта зависимость для каждого двигателя выражается графиками, подобными нижеследующему:

Производители двигателей борются за то, чтобы максимальный крутящий момент двигатель развивал в как можно более широком диапазоне оборотов («полка крутящего момента была шире»), а максимальная мощность достигалась при оборотах, максимально приближенных к этой полке.

Мощность двигателя

Чем выше мощность, тем большую скорость развивает авто

Мощность — это отношение работы, выполняемой за некоторый промежуток времени, к этому промежутку времени. При вращательном движении мощность определяется как произведение крутящего момента на угловую скорость вращения.

Мощность двигателя последнее время все чаще указывают в кВт, а ранее традиционно указывали в лошадиных силах.

Как видно на приведенном выше графике, максимальная мощность и максимальный крутящий момент достигаются при различных оборотах коленвала. Максимальная мощность у бензиновых двигателей обычно достигается при 5-6 тыс. оборотов в минуту, у дизельных — при 3-4 тыс. оборотов в минуту.

График мощности для дизельного двигателя:

Крутящий момент

Крутящий момент характеризует способность ускоряться и преодолевать препятствия

Крутящий момент (момент силы) — это произведение силы на плечо рычага. В случае кривошипно-шатунного механизма, данной силой является сила, передаваемая через шатун, а рычагом — кривошип коленчатого вала. Единица измерения — Ньютон-метр.

Иными словами, крутящий момент характеризует силу, с которой будет вращаться коленвал, и насколько успешно он будет преодолевать сопротивление вращению.

На практике высокий крутящий момент двигателя будет особенно заметен при разгонах и при передвижении по бездорожью: на скорости машина легче ускоряется, а вне дорог — двигатель выдерживает нагрузки и не глохнет.

Еще примеры

Для большего практического понимания важности крутящего момента приведем несколько примеров на гипотетическом двигателе.

Даже без учета максимальной мощности, по графику, отражающему крутящий момент, можно сделать некоторые выводы. Разделим количество оборотов коленчатого вала на три части — это будут низкие обороты, средние и высокие.

На графике слева представлен вариант двигателя, который имеет высокий крутящий момент на низких оборотах (что равносильно высокому крутящему моменту на малых скоростях) — с таким двигателем хорошо ездить по бездорожью — он "вытянет" из любой трясины. На графике справа — двигатель, у которого высокий крутящий момент на средних оборотах (средних скоростях) — этот двигатель рассчитан для использования в городе — он позволяет достаточно резво ускоряться от светофора до светофора.

Следующий график характеризует двигатель, который обеспечивает хорошее ускорение даже на высоких скоростях — с таким двигателем комфортно на трассе. Замыкает графики универсальный двигатель — с широкой полкой — такой двигатель и из болота вытянет, и в городе позволяет хорошо ускоряться, и на трассе.

Итог

Крутящий момент отвечает за способность ускоряться и преодолевать препятствия,
мощность ответственна за максимальную скорость автомобиля,
а обороты двигателя все усложняют, так как каждому значению оборотов соответствует свое значение мощности и крутящего момента.

А вцелом все выглядит так:

— высокий крутящий момент на низких оборотах дает автомобилю тягу для передвижения по бездорожью (таким распределением сил могут похвастать дизельные двигатели). При этом мощность может стать уже вторичным параметром — вспомним, хотя бы, трактор Т25 с его 25 л.с.;

— высокий крутящий момент (а лучше — «полка крутящего момента) на средних и высоких оборотах дает возможность резко ускоряться в городском потоке или на трассе;

— высокая мощность двигателя обеспечивает высокую максимальную скорость;

— низкий крутящий момент (даже при высокой мощности) не позволит реализовать потенциал двигателя: имея возможность разогнаться до высокой скорости, автомобиль будет достигать этой скорости невероятно долго.

По материалам АвтоПортал

www.drive2.ru

Что такое крутящий момент двигателя — DRIVE2

КРУТЯЩИЙ МОМЕНТ ДВИГАТЕЛЯ – это произведение силы на плечо рычага, к которому она приложена. Если помните, то сила измеряется в Ньютонах, а вот плечо рычага измеряется в метрах – Нм. 1 Нм равняется силе в 1Н (Ньютон), которая приложена к рычагу в 1 метр.

В двигателях внутреннего сгорания сила передается от топлива, которое воспламеняется, поршню, от поршня кривошипному механизму, от кривошипного механизма коленвалу. А вот уже коленвал через систему трансмиссии и приводов раскручивает колеса.

Понятно, что крутящий момент двигателя не постоянен, он сильнее – когда на плечо действует большая сила, слабее – когда сила перестает действовать. То есть когда мы давим на педаль газа то сила, действующая на плечо увеличивается, а соответственно увеличивается и крутящий момент двигателя.

• Мощность двигателя
Крутящий момент напрямую связан с мощностью двигателя, куда же без нее. Мощность если сказать простыми словами – это работа двигателя совершенная за определенную единицу времени. А так как крутящий момент, это и есть работа двигателя, то мощность характеризует, сколько раз в единицу времени, двигатель совершил крутящий момент.

Физики вывели формулу которая связывает крутящий момент и мощность.

P (мощность) = Мкр (момент крутящий) * N (обороты двигателя, измеряются в об./мин)/9549.

Мощность измеряется в киловаттах. Однако у нас в стране киловатты сложны для потребителя, мы привыкли измерять мощность в лошадиных силах (л.с.). И тут все просто, для того чтобы перевести киловатты в лошадиные силы, нужно количество киловатт умножить на 1.36

Крутящий момент и мощность двигателя
С крутящим моментом и мощностью разобрались. Теперь давайте подумаем – на что влияет мощность, а на что крутящий момент?

Мощность влияет на преодоление различных сил, которые мешают автомобилю. Это сила трения в двигателе, трансмиссии и в приводах автомобиля, аэродинамические силы, силы качения колес и т.д. Чем больше мощность, тем большее сопротивление сил автомобиль может преодолеть и развить большую скорость. Но мощность сила не постоянная, а зависящая от оборотов двигателя. На холостом ходу, мощность одна, а при максимальных оборотах мощность другая. Многие производители указывают, при каких оборотах достигается максимальная мощность автомобиля.

Важно помнить одно – максимальная мощность не развивается сразу, автомобиль стартует с места практически при минимальных оборотах, чуть выше холостого хода, а вот чтобы мобилизировать полную мощность нужно время, вот тут то и вступает в игру крутящий момент. Именно от него зависит, за какой отрезок времени автомобиль достигнет максимальной мощности, простыми словами динамика разгона автомобиля.

• Бензин – дизель

Бензиновые двигатели обладают не самым большим крутящим моментом. Своего, практически максимального значения, бензиновый двигатель достигает при средних оборотах 3 – 4 тысячи, но бензиновый двигатель быстро может увеличить мощность и раскрутиться до 7 – 8 тыс. оборотов. Если верить выше приведенным формулам, то при таких оборотах мощность возрастает в разы.

Дизельный двигатель не обладает высокими оборотами, обычно это 3 – 5 тысяч в максимуме, тут он проигрывает бензиновым двигателям. Однако крутящий момент дизеля выше в разы, причем он доступен практически с холостого хода.

И что же лучше? Мощность или крутящий момент?
Простой пример – берем два двигателя от компании AUDI, один дизельный 2.0 TDI (мощность 140 л.с. крутящий момент – 320 Нм), другой бензиновый 2.0 FSI (мощность – 150 л.с., крутящий момент – 200 Нм.). После тестирования в различных режимах получается, что дизель в диапазоне от 1 до 4.5 тысяч оборотов, мощнее бензинового двигателя. Причем на значительные 30 – 40 л.с., поэтому не стоит смотреть только на л.с., бывает что двигатель с меньшим объемом, но с высоким крутящим моментом намного динамичнее, чем двигатель с большим объемом и низким крутящим моментом.

В итоге, чтобы закончить тему, хочу сказать, классифицировать машины, только по мощности (л.с.) двигателя не правильно. Нужно смотреть еще и на крутящий момент (Нм), запомните если крутящий момент двигателя намного выше чем у конкурента, то такой двигатель будет обладать большей динамикой.

www.drive2.ru

Крутящий момент двигателя и мощность, на что влияют эти показатели? — DRIVE2

В данной статье мы рассмотрим влияние мощности и крутящего момента двигателя на динамику автомобиля, а так же принцип расчета крутящего момента.

Итак, что представляет собой мощность двигателя и на что она влияет? Для большинства автолюбителей не секрет, что чем выше мощность автомобиля (принято измерять в лошадиных силах), тем большую максимальную скорость может развивать автомобиль. Но следует помнить, что мощность развиваемая двигателем автомобиля — величина непостоянная и имеет прямую зависимость от оборотов двигателя. Если понятным языком, то при обычной езде при оборотах двигателя до 3х-4х тысяч оборотов используются далеко не все лошадиные силы имеющиеся под капотом. Т.к. пик максимальной мощности (указанной в паспорте автомобиля), на большинстве бензиновых двигателей достигается при 5500-6500 оборотов/минуту а у дизельных двигателей и вовсе при 3000-4000 об/мин. И почему то так сложилось, что в авто мире стало принятым брать за основную величину характеризующую динамические показатели автомобиля именно лошадиные силы.

И если с мощностью более менее понятно, то когда разговор заходит за крутящий момент двигателя, начинается полная неразбериха.

Давайте представим простую дорожную ситуацию, когда на небольших оборотах двигателя (2000-2500об/мин) требуется резко ускориться, например для обгона. Вот здесь как раз и вступает в силу крутящий момент и если он невелик, то при нажатии на педаль газа мы… ждем, пока автомобиль не наберет нужные обороты для динамичного ускорения. В случае же с большим показателем крутящего момента (на большинстве дизельных двигателей) динамичное ускорение при нажатии на педаль происходит незамедлительно.

Сам же крутящий момент двигателя представляет собой приложение силы на плечо рычага. Производимая сила измеряется в ньютонах, а рычаг в метрах. Отсюда и значение характеризующее крутящий момент – НюьтонМетры (Нм). Величина крутящего момента в 1Нм – означает, что сила в один Ньютон, приложена к рычагу имеющему плечо в 1 метр. В ДВС в роли рычага выступает кривошипно-шатунный механизм. Соответственно, чем более сильное толкающее воздействие оказывает на поршень воспламеняющая смесь в цилиндре, тем выше крутящий момент. В этом то как раз и кроется загадка более высокого крутящего момента дизельных двигателей в сравнении с бензиновыми. Т.к. бензиновые двигатели имеют степень сжатия в цилиндре – 9-12 Атмосфер, а дизельные 16-20 Атмосфер. Кстати моторы оснащенные нагнетателем (турбиной) обладают в первую очередь значительно более высоким крутящим моментом, т.к. турбина позволяет за счет нагнетания значительно большего количества смеси в цилиндр увеличить силу воздействия воспламеняющейся смеси на поршень.

Итак мы выяснили, что момент рождается за счет толкающей силы воздействующей на поршень, который в свою очередь передавая силу через шатун на коленвал и преобразует эту силу в крутящий момент. Суть этого процесса такова, что чем выше крутящий момент двигателя, тем быстрее двигатель набирает обороты под нагрузкой. Исходя из этого несложно понять, что именно от крутящего момента зависит динамика разгона.

Крутящий момент так же как и мощность имеет максимальные значения при конкретных оборотах двигателя. Но в данном случае более важным является не столько сама величина крутящего момента, сколько показатель оборотов, при которых момент достигается. Отсюда и разделение предпочтений автовладельцев между типами двигателей (бензиновый или дизельный).

Важно помнить, что бОльший объем двигателя так же способствует бОльшему крутящему моменту и соответственно более уверенной динамике ускорения.

Генри Форд говорил: «лошадиные силы продают автомобиль, а крутящий момент выигрывает гонки».

www.drive2.ru

Какой электродвигатель лучше выбрать?

При выборе бесщеточного электродвигателя для своих разработок инженеры имеют несколько вариантов. Неправильный выбор может привести к провалу проекта не только на этапе разработки – испытания, но и после выхода на рынок, что крайне не желательно. Для облегчения работы инженеров мы сделаем краткое описание преимуществ и недостатков четырех наиболее популярных видов бесщеточных электрических машин: асинхронный электродвигатель (АД), двигатель с постоянными магнитами (ПМ), синхронные реактивные электродвигатели (СРД), вентильные реактивные электродвигатели (ВРД).

Содержание:

Асинхронные электродвигатели

Асинхронные электрические машины смело можно назвать костяком современной промышленности. Благодаря своей простоте, относительно низкой стоимости, минимальным затратам на обслуживание, а также возможности работать напрямую от промышленных сетей переменного тока, они прочно въелись в современные производственные процессы.

Сегодня существует множество различных преобразователей частоты с самыми различными алгоритмами управления, которые позволяют регулировать скорость и момент асинхронной машины в большом диапазоне с хорошей точностью. Все эти свойства позволили асинхронной машине значительно потеснить с рынка традиционные коллекторные двигатели. Вот почему регулируемые асинхронные электродвигатели (АД) легко встретить в самых различных устройствах и механизмах, таких как тяговый асинхронный электропривод, электроприводы стиральных машин, вентиляторов, компрессоров, воздуходувок, кранов, лифтов и многом другом электрооборудовании.

АД создает вращающий момент за счет взаимодействия тока статора с индуцированным током ротора. Но токи ротора нагревают его, что приводит к нагреванию подшипников и снижению их срока службы. Замена традиционной алюминиевой обмотки на медную не устраняет проблему, а приводит к удорожанию электрической машины и может накладывать ограничения на прямой ее пуск.

Статор асинхронной машины имеет довольно большую постоянную времени, что негативно сказывается на реагировании системы управления при изменении скорости или нагрузки. К сожалению, потери связанные с намагничиванием  не зависят от нагрузки машины, что снижает КПД АД при работе с малыми нагрузками. Автоматическое уменьшение потока статора возможно использовать для решения данной проблемы — для этого необходим быстрый отклик системы управления на изменения нагрузки, но как показывает практика, такая коррекция не существенно увеличивает КПД.

На скоростях превышающих номинальную поле статора ослабевает из-за ограниченного напряжения питания. Вращающий момент начинает падать, так как для его поддержания будет требоваться больший ток ротора. Следовательно, управляемые АД ограничиваются диапазоном скорости для поддержания постоянной мощности примерно 2:1.

Механизмы, которые требуют более широкого диапазона регулирования, такие как: станки с ЧПУ, тяговый электропривод, могут снабжаться асинхронными электродвигателями специального исполнения, где для увеличения диапазона регулирования могут уменьшать количество витков обмотки, снижая при этом значения крутящего момента на низких скоростях. Также возможен вариант с использованием более высоких токов статора, что требует установки более дорогих и менее эффективных инверторов.

Немаловажным фактором при работе АД является качество питающего напряжения, ведь максимальный КПД электродвигатель имеет при синусоидальной форме питающего напряжения. В реальности преобразователь частоты обеспечивает импульсное напряжение и ток, похожий на синусоидальный. Проектировщикам стоит иметь ввиду, что КПД системы ПЧ-АД будет меньше, чем сумма КПД преобразователя и двигателя в отдельности. Улучшения качества выходного тока и напряжения повышают увеличением несущей частоты преобразователя, это приводит к снижению потерь в двигателе, но при этом возрастают потери в самом инверторе. Одним из популярных решений, особенно для промышленных мощных электроприводов, является установка фильтров между преобразователем частоты и асинхронной машиной. Однако это приводит к увеличению стоимости, габаритов установки, а также к дополнительным потерям мощности.

Еще одним недостатком асинхронных машин переменного тока является то, что их обмотки распределены на протяжении многих пазов в сердечнике статора. Это приводит к появлению длинных концевых поворотов, которые увеличивают габариты и потери энергии в машине. Эти вопросы исключены в стандартах IE4 или классах IE4. В настоящее время европейский стандарт (IEC60034) специально исключает любые двигатели, требующие электронного управления.

Двигатели с постоянными магнитами

Двигатели с постоянными магнитами (английский PMMS) создают крутящий момент благодаря взаимодействию токов статора с постоянными магнитами внутри или снаружи ротора. Электродвигатели с поверхностным расположением магнитов являются маломощными и используются в IT оборудовании, офисной технике, автомобильном транспорте. Электродвигатели со встроенными магнитами (IPM) распространены в мощных машинах, используемых в промышленности.

Двигатели с постоянными магнитами (ПМ) могут использовать концентрированные (с коротким шагом) обмотки, если пульсации вращающего момента не являются критичными, но распределенные обмотки являются нормой в ПМ.

Поскольку PMMS не имеют механических коммутаторов, то преобразователи играют важную роль в процессе контроля тока обмотки.

В отличии от других видов бесщеточных электродвигателей, PMMS не требуют тока возбуждения, необходимого для поддерживания магнитного потока ротора. Следовательно, они способны обеспечить максимальный крутящий момент на единицу объема и могут быть лучшим выбором, если требования к массо-габаритным показателям выходят на первый план.

К наибольшим недостаткам таких машин можно отнести их очень высокую стоимость. Высокопроизводительные электрические машины с постоянными магнитами используют такие материалы как неодим и диспрозий. Данные материалы относятся к редкоземельным и добываются в геополитически нестабильных странах, что приводит к высоким и нестабильным ценам.

Также постоянные магниты добавляют производительности при работе на низких скоростях, но являются «Ахиллесовой пятой» при работе на высоких. Например, при увеличении скорости машины с постоянными магнитами возрастет и ее ЭДС, постепенно приближаясь к напряжению питания инвертора, при этом снизить поток машины не представляется возможным. Как правило, номинальная скорость является максимальной для ПМ с поверхностно-магнитной конструкцией при номинальном напряжении питания.

На скоростях больше номинальной, для электродвигателей с постоянными магнитами типа IPM, используют подавление активного поля, что достигается путем манипуляций с током статора при помощи преобразователя. Диапазон скорости, в котором двигатель может надежно работать, ограничен примерно 4:1.

Необходимость ослабления поля в зависимости от скорости приводит к потерям независящим от вращающего момента. Это снижает КПД на высоких скоростях, и особенно при малых нагрузках. Этот эффект наиболее актуален при использовании ПМ в качестве тягового автомобильного электропривода, где высокая скорость на автостраде неизбежно влечет за собой необходимость ослабления магнитного поля. Часто разработчики выступают за применение двигателей с постоянными магнитами в качестве тяговых электроприводов электромобилей, однако их эффективность при работе в данной системе довольно сомнительна, особенно после вычислений связанных с реальными циклами вождения. Некоторые производители электромобилей сделали переход от ПМ к асинхронным электродвигателям в качестве тяговых.

Также к существенным недостаткам электродвигателей с постоянными магнитами можно отнести их трудно управляемость в условиях неисправности из-за присущей им противо-ЭДС. Ток будет протекать в обмотках, даже при выключенном преобразователе, пока вращается машина. Это может приводить к перегреву и другим неприятным последствиям. Потеря контроля над ослабленным магнитным полем, например при аварийном отключении источника питания, может привести к неподконтрольной генерации электрической энергии и, как следствие, к опасному возрастанию напряжения.

Рабочие температуры – это еще одна не самая сильная сторона ПМ, кроме машин, изготовленных из самарий-кобальта. Также большие броски тока инвертора могут привести к размагничиванию.

Максимальная скорость PMMS ограничивается механической прочностью крепления магнитов. В случае повреждения ПМ его ремонт, как правило, осуществляется на заводе изготовителе, так как извлечение и безопасная обработка ротора практически невозможна в обычных условиях. И, наконец, утилизация. Да это тоже доставляет немного хлопот после окончания срока службы машины, но наличие редкоземельных материалов в этой машине должно упростить этот процесс в ближайшем будущем.

Несмотря на перечисленные выше недостатки, электродвигатели с постоянными магнитами являются непревзойденными с точки зрения низкоскоростных мелкогабаритных механизмов и устройств.

Реактивные синхронные двигатели

Синхронные реактивные электродвигатели всегда работают только в паре с преобразователем частоты и используют тот же тип управления потоком статора, что и обычный АД. Роторы данных машин изготавливают из тонколистной электротехнической стали с пробитыми пазами таким образом, что бы они намагничивались с одной стороны меньше, чем с другой. Стремление магнитного поля ротора «соединится» с вращающимся магнитным потоком статора и создает вращающий момент.

Основным плюсом реактивных синхронных электродвигателей являются незначительные потери в роторе. Таким образом, хорошо спроектированная и работающая с правильно подобранным алгоритмом управления синхронная реактивная машина вполне способна соответствовать европейским стандартам премиум класса IE4 и NEMA, не используя при этом постоянных магнитов. Снижения тепловых потерь в роторе повышает крутящий момент и увеличивает плотность мощности, по сравнению с асинхронными машинами. Эти двигатели имеют низкий уровень шума благодаря низкому уровню пульсаций момента и вибраций.

Основным недостатком является низкий коэффициент мощности по сравнению с асинхронной машиной, что приводит к большей потребляемой мощности из сети. Это увеличивает затраты и ставит перед инженером сложную задачу, стоит ли применять реактивную машину или нет для конкретной системы?

Сложность в изготовлении ротора и его хрупкость делает невозможным применение реактивных электродвигателей для высокоскоростных операций.

Синхронные реактивные машины хорошо подходят для широкого спектра промышленных применений, которые не требуют больших перегрузок или высоких скоростей вращения, а также все чаще применяются для частотно-регулируемых насосов из-за повышенной их эффективности.

Вентильные реактивные электродвигатели

Вентильный реактивный двигатель (с английского SRM) создает вращающий момент за счет притягивания магнитных полей зубцов ротора к магнитному полю статора. Вентильные реактивные двигатели (ВРД) имеют относительно небольшое количество полюсов обмотки статора. Ротор имеет зубчатый профиль, что упрощает его конструкцию и улучшает создаваемое магнитное поле, в отличии от  реактивных синхронных машин. В отличии от синхронных реактивных двигателей (СРД), ВРД используют импульсное возбуждение постоянного тока, что требует обязательное наличие специального преобразователя для их работы.

Для поддержания магнитного поля в ВРД необходимы токи возбуждения, что уменьшает плотность мощности по сравнению с электрическими машинами с постоянными магнитами (ПМ). Однако они все же имеют габаритные размеры меньшие, чем обычные АД.

Основным преимуществом вентильных реактивных машин является то, что ослабления магнитного поля происходит естественным образом при снижении тока возбуждения. Это свойство дает им большое преимущество в диапазоне регулирования при скоростях выше номинальной (диапазон устойчивой работы может достигать 10:1). Высокая эффективность присутствует у таких машин при работе на высоких скоростях и с малыми нагрузками. Также ВРД способны обеспечить удивительно постоянную эффективность в довольно широком диапазоне регулирования.

Вентильные реактивные машины обладают также довольно хорошей отказоустойчивостью. Без постоянных магнитов эти машины не генерируют неуправляемый ток и момент при неисправностях, а независимость фаз ВРД позволяет им работать с уменьшенной нагрузкой, но с повышенными пульсациями момента при выходе из строя какой-то из фаз. Это свойство может быть полезно, если проектировщики хотят повышенной надежности разрабатываемой системы.

Простая конструкция ВРД делает его прочным и недорогим в изготовлении. При его сборке не используются дорогие материалы, а ротор из нелегированной стали отлично подходит для суровых климатических условий и высоких скоростей вращения.

ВРД имеет коэффициент мощности меньший, чем ПМ или АД, но его преобразователю не нужно создавать выходное напряжение синусоидальной формы для эффективной работы машины, соответственно такие инверторы имеют меньшие частоты коммутации. Как следствие – меньшие потери в инверторе.

Основными недостатками вентильных реактивных машин являются наличие акустических шумов и вибрации. Но с этими недостатками довольно хорошо борются путем более тщательного проектирования механической части машины, улучшения электронного управления, а также механическое объединение двигатель – рабочий орган.

ВРД хорошо подходят для широкого спектра применения и их все чаще используют для обработки сверхпрочных материалов из-за большой перегрузочной способности и большого диапазона регулирования скоростей. Большая перегрузочная способность делает их все более привлекательными для использования в качестве тяговых электроприводов современных электромобилей. Также ВРД получили широкое распространение и в электробытовой технике.  

elenergi.ru

---

Смотрите также

• 
  Как выбрать очки для плавания ребенку 3 лет
• 
  Как правильно выбрать шторы по цвету обоев
• 
  Как правильно выбрать кроватку для новорожденного
• 
  Как выбрать первые очки для зрения
• 
  Как выбрать паровую швабру для дома
• 
  Как выбрать место для посадки роз
• 
  Домкрат реечный как выбрать
• 
  Как выбрать ласты для снорклинга
• 
  Как выбрать т образный бритвенный станок
• 
  Как выбрать системный фотоаппарат
• 
  Как выбрать аппарат для педикюра с пылесосом