Как найти номинальное напряжение электродвигателя

Как правильно подобрать электродвигатель

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.

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.

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.

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

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, ηнас, ηпер – КПД насоса и передаточного механизма соответственно, kз – коэффициент запаса.

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, ηкомпр, ηпер – КПД компрессора и передаточного механизма соответственно, kз – 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.

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».

Трехфазный асинхронный двигатель

Трехфазный асинхронный электродвигатель, как и любой электродвигатель, состоит из двух основных частей – статора и ротора. Статор – неподвижная часть, ротор – вращающаяся часть. Ротор размещается внутри статора. Между ротором и статором имеется небольшое расстояние, называемое воздушным зазором, обычно 0,5-2 мм.

Статор состоит из корпуса и сердечника с обмоткой. Сердечник статора собирается из тонколистовой технической стали толщиной обычно 0,5 мм, покрытой изоляционным лаком. Шихтованная конструкция сердечника способствует значительному снижению вихревых токов, возникающих в процессе перемагничивания сердечника вращающимся магнитным полем. Обмотки статора располагаются в пазах сердечника.

Ротор состоит из сердечника с короткозамкнутой обмоткой и вала. Сердечник ротора тоже имеет шихтованную конструкцию. При этом листы ротора не покрыты лаком, так как ток имеет небольшую частоту и оксидной пленки достаточно для ограничения вихревых токов.

Принцип действия трехфазного асинхронного электродвигателя основан на способности трехфазной обмотки при включении ее в сеть трехфазного тока создавать вращающееся магнитное поле.

Вращающееся магнитное поле – это основная концепция электрических двигателей и генераторов.

Вращающееся магнитное поле асинхронного электродвигателя

Частота вращения этого поля, или синхронная частота вращения прямо пропорциональна частоте переменного тока f1 и обратно пропорциональна числу пар полюсов р трехфазной обмотки.

• где n1 – частота вращения магнитного поля статора, об/мин,
• f1 – частота переменного тока, Гц,
• p – число пар полюсов

Чтобы понять феномен вращающегося магнитного поля лучше, рассмотрим упрощенную трехфазную обмотку с тремя витками. Ток текущий по проводнику создает магнитное поле вокруг него. На рисунке ниже показано поле создаваемое трехфазным переменным током в конкретный момент времени

Составляющие переменного тока будут изменяться со временем, в результате чего будет изменяться создаваемое ими магнитное поле. При этом результирующее магнитное поле трехфазной обмотки будет принимать разную ориентацию, сохраняя при этом одинаковую амплитуду.

Вращающееся магнитное поле

Теперь разместим замкнутый проводник внутри вращающегося магнитного поля. По закону электромагнитной индукции изменяющееся магнитное поле приведет к возникновению электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике.

В свою очередь ЭДС вызовет ток в проводнике.

Таким образом, в магнитном поле будет находиться замкнутый проводник с током, на который согласно закону Ампера будет действовать сила, в результате чего контур начнет вращаться.

Влияние вращающегося магнитного поля на замкнутый проводник с током

Короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя

По этому принципу также работает асинхронный электродвигатель. Вместо рамки с током внутри асинхронного двигателя находится короткозамкнутый ротор по конструкции напоминающий беличье колесо. Короткозамкнутый ротор состоит из стержней накоротко замкнутых с торцов кольцами.

Короткозамкнутый ротор “беличья клетка” наиболее широко используемый в асинхронных электродвигателях (показан без вала и сердечника)

Трехфазный переменный ток, проходя по обмоткам статора, создает вращающееся магнитное поле. Таким образом, также как было описано ранее, в стержнях ротора будет индуцироваться ток, в результате чего ротор начнет вращаться.

На рисунке ниже Вы можете заметить различие между индуцируемыми токами в стержнях. Это происходит из-за того что величина изменения магнитного поля отличается в разных парах стержней, из-за их разного расположения относительно поля.

Изменение тока в стержнях будет изменяться со временем.

Вы также можете заметить, что стержни ротора наклонены относительно оси вращения. Это делается для того чтобы уменьшить высшие гармоники ЭДС и избавиться от пульсации момента. Если стержни были бы направлены вдоль оси вращения, то в них возникало бы пульсирующее магнитное поле из-за того, что магнитное сопротивление обмотки значительно выше магнитного сопротивления зубцов статора.

Отличительный признак асинхронного двигателя состоит в том, что частота вращения ротора n2 меньше синхронной частоты вращения магнитного поля статора n1.

Объясняется это тем, что ЭДС в стержнях обмотки ротора индуцируется только при неравенстве частот вращения n2

Трехфазный асинхронный двигатель – подключение на 220 вольт

Бытовых ситуаций много, особенно у тех, кто проживает в своем собственном частном доме. К примеру, необходимо установить в гараже точильный станок с асинхронным электродвигателем, который работает от трехфазной сети переменного тока.

А на участок проведена лишь однофазная сеть на 220 В. Что делать? В принципе, это не проблема, потому что любой трехфазный электрический движок можно подключить и к однофазной сети, главное знать, как это сделать.

Итак, наша задача в этой статье разобраться в позиции – асинхронный двигатель подключение на 220 вольт.

Существуют две классические схемы такого подключения, в которых присутствуют конденсаторы. То есть, сам электродвигатель становится не асинхронным, а конденсаторным. Вот эти схемы:

Конечно, это не единственные варианты, но в этой статье будем говорить именно о них, как о самых простых и часто используемых.

На схемах хорошо видно, что в них установлены конденсаторы: рабочий и пусковой, которые в свою очередь называются фазосдвигающими. А так как в данной схеме эти элементы являются основными, то самый важный момент – это правильно подобрать конденсатор по емкости, которая бы соответствовала мощности мотора.

Выбираем конденсаторы

Существует формула, по которой емкость можно рассчитать. Правда, для схемы звезда и треугольника она отличается коэффициентом. Для схемы звезда формула вот такая:

С=2800*I/U, где I – это ток, который можно замерить в питающем проводе клещами, U – это напряжение однофазной сети – 220 В.

Здесь загвоздка может быть только в определение силы тока, просто клещей может не оказаться под рукой, поэтому предлагаем упрощенный вариант формулы:

С=66*Р, где Р – это мощность электродвигателя, которая наносится на шильдик мотора или в его паспорте. По сути, получается так, что емкость рабочего конденсатора в размере 7 мкФ должно хватить на 0,1 кВт мощности двигателя.

Обычно электрики берут именно это соотношение, когда перед ними ставиться вопрос, как подключить асинхронный двигатель с 380 на 220 В. И еще один момент – конденсатор контролирует силу тока, поэтому так важно правильно подобрать его емкость.

И самое главное в подключении двигателя добиться того, чтобы значение тока при эксплуатации электродвигателя не поднималось выше номинальной величины.

Что касается пускового конденсатора, то его обязательно устанавливают в схему, если при пуске мотора действует хотя бы минимальная нагрузка. Включается он обычно буквально на пару секунд, пока ротор не наберет свои обороты. После чего он просто отключается. Если по каким-то причинам пусковой конденсатор не отключится, то произойдет перекос фаз, и двигатель перегреется.

Есть еще один показатель, на который необходимо обратить внимание при выборе. Это напряжение. Правило здесь одно: напряжение конденсатора должно быть больше напряжения в однофазной сети на 1,5.

Тип конденсаторов

Специалисты рекомендуют в качестве пускового и рабочего конденсаторов использовать одинаковые модели. Самый простой вариант – это бумажные конструкции в герметичном металлическом корпусе.

Правда, есть у них один существенный недостаток – большие габаритные размеры.

Поэтому если перед вами стоит вопрос, как подключить небольшой мощности двигатель 380 на 220 вольт, то количество таких конденсаторов будет приличным, и вся конструкция будет смотреться не очень.

Можно использовать для этих целей электролитические приборы, но их схема подключения отличается от предыдущей, потому что в нее придется установить резисторы и диоды. К тому же эти конденсаторы при пробое взрываются. Есть более современные виды – это полипропиленовые модели металлизированного типа. Себя они зарекомендовали хорошо, претензий к ним сейчас у специалистов нет.

Полезные советы

• Обращаем ваше внимание на тот факт, что при подключении трехфазного двигателя к однофазной сети можно говорить и снижении мощности электрического агрегата. В общем, его фактический показатель не будет превышать номинальный 70-80%.

При этом скорость вращения ротора не уменьшится.
Если используемый движок имеет схему переключения 380/220, это обязательно указывается на шильдике, то в однофазную сеть его надо подключать только треугольником.

В том случае, если на шильдике указаны схема подключения звездой и только трехфазное подключение на 380 вольт, то вам придется вскрыть клеммную коробку и добраться до соединения концов обмоток двигателя.

Потому что внутри агрегата уже установлена схема звезда, ее-то и придется разобрать и вывести наружу шесть концов обмотки статора.

Установка реверса

Иногда возникает необходимость провести подключение так, чтобы трехфазный двигатель, подсоединенный к однофазной сети, вращался то в одну, то в другую стороны. Для этого необходимо установить в схему любой управляющий прибор. Это может быть тумблер, кнопка или ключи управление. Но здесь есть два основных требования:

1. Обращайте внимание на силу тока, которую этот управляющий прибор может выдержать. Чтобы он был больше нагрузки, создаваемой электродвигателем.
2. В конструкции управляющего прибора должно быть две пары контактов: нормально замкнутые и нормально разомкнутые.

Вот схема, по которой подключается этот элемент в питание электродвигателя:

Здесь видно, что реверс осуществляется подачей электроэнергии на разные полюса конденсаторов.

Заключение по теме

Схема трехфазного асинхронного двигателя с подключением к 220 вольт – дело реальное. Проблем с ним быть не должно. Здесь главное, и это было показано в статье, правильно подобрать конденсаторы (рабочие и пусковые) и правильно выбрать схему подключения. Особое внимание придется уделить правилам соединения, где в основе будет лежать сам двигатель, а, точнее, его возможности.

Источник

Основные параметры электродвигателя

Мощность электродвигателя

Мощность электродвигателя — это полезная механическая мощность на валу электродвигателя.

Механическая мощность

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

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

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

• где s – расстояние, м

Для вращательного движения

• где θ – угол, рад

• где ω – углавая частота, рад/с,

Таким образом можно вычислить значение механической мощности на валу вращающегося электродвигателя

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

Частота вращения

• где n — частота вращения электродвигателя, об/мин

Момент инерции ротора

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

• где J – момент инерции, кг∙м²,
• m — масса, кг

Момент инерции связан с моментом силы следующим соотношением

• где ε – угловое ускорение, с^-2

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

Коэффициент полезного действия электродвигателя

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

• где η – коэффициент полезного действия электродвигателя,
• P₁ — подведенная мощность (электрическая), Вт,
• P₂ — полезная мощность (механическая), Вт

При этом 

потери в электродвигатели

 обусловлены:
• электрическими потерями — в виде тепла в результате нагрева проводников с током;
• магнитными потерями — потери на перемагничивание сердечника: потери на вихревые токи, на гистерезис и на магнитное последействие;
• механическими потерями — потери на трение в подшипниках, на вентиляцию, на щетках (при их наличии);
• дополнительными потерями — потери вызванные высшими гармониками магнитных полей, возникающих из-за зубчатого строения статора, ротора и наличия высших гармоник магнитодвижущей силы обмоток.

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

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

Номинальное напряжение

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

Электрическая постоянная времени

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

• где  – постоянная времени, с

Момент электродвигателя

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

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

Начальный пусковой момент — момент электродвигателя при пуске.

Механическая характеристика

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

Области применения электродвигателей

Электродвигатели являются крупнейшими потребителями электроэнергии в мире, на них приходится около 45% от всей потребляемой электроэнергии.

Электродвигатели используются повсеместно, основные области применения:
• промышленность: насосы, вентиляторы, компрессоры, конвейеры, движущая сила для других машин и др.
• строительство: насосы, вентиляторы, конвейеры, лифты, системы отопления, вентиляции и кондиционирование воздуха и др.
• потребительские устройства: холодильники, кондиционеры, персональные компьютеры и ноутбуки (жесткие диски, вентиляторы), пылесосы, стиральные машинки, миксеры и др.

ЭД1	Функции	Области применения
Вращающиеся электродвигатели	Насосы	Системы водоснабжения и водоотведения
Системы перекачки охлажденной или нагретой воды, системы отопления, ОВК2, системы полива
Системы канализации
Перекачка нефтепродуктов
Вентиляторы	Приточно-вытяжная вентиляция, ОВК2, вентиляторы
Компрессоры	Системы вентиляции, холодильные и морозильные установки, ОВК2
Накопление и распределение сжатого воздуха, пневматические системы
Системы сжижения газа, системы перекачки природного газа
Вращение, смешивание, движение	Прокатный стан, станки: обработка металла, камня, пластика
Прессовое оборудование: обработка алюминия, пластиков
Обработка текстиля: ткачество, стирка, сушка
Смешивание, взбалтывание: еда, краски, пластики
Транспорт	Пассажирские лифты, эскалаторы, конвейеры
Грузовые лифты, подъемные краны, подъемники, конвейеры, лебедки
Транспортные средства: поезда, трамваи, троллейбусы, автомобили, электромобили, автобусы, мотоциклы, велосипеды, зубчатая железная дорога, канатная дорога
Угловые перемещения  (шаговые двигатели, серводвигатели)	Вентили (открыть/закрыть)
Серво (установка положения)
Линейные электродвигатели	Открыть/закрыть	Вентили
Сортировка	Производство
Хватать и перемещать	Роботы

Джентльмены,
Выкладываю здесь копию моей заметки на эту тему, опубликованной в ЛТ в 2006 году…

Как определить номинальное напряжение неизвестного электродвигателя ?

Вам в руки попал миниатюрный моторчик без опознавательных знаков, и без маркировки хотя бы его рабочего напряжения, не говоря уже о мощности. Можно ли его использовать для ж.д. моделизма ?

Для начала следует критически посмотреть на его размеры. Очень маленький (особенно по диаметру) двигатель по определению не может быть достаточно мощным для модели среднего размера. И здесь дело — даже не в его рабочем напряжении… Оно-то зачастую как раз бывает вполне достаточным: я видел моторчики диаметром тоньше обычного деревянного карандаша, на напряжение аж 27 (!) вольт, но даже при этом напряжении они тормозились легчайшим касанием пальца за выходной вал. При таком малом диаметре корпуса (а значит – и ротора) крутящий момент ничтожен. Где уж тут приводить в движение локомотив НО или ТТ при 12 вольтах…

О мощности…

Существует распространенное заблуждение, что двигатель модели может быть и маленьким, но, если он достаточно высокооборотный, то достаточно оснастить привод модели редуктором с большим коэффициентом замедления (скажем, К=60 или К=80), и получится тот же результат, что с более крупным и тихоходным двигателем и редуктором с меньшим К. Отсюда возникают проекты с крошечными моторчиками, спрятанными в раме, или между боковинами тележек… На самом деле, подобной «подменой» действительно можно обеспечить равенство в обоих случаях, но это равенство будет условным, и только для крутящего момента.

Возьмем 2 условные комбинации «мотор+редуктор»:

1) «малый» двигатель + «большой» редуктор,
2) и наоборот, — «большой» двигатель + «малый» редуктор.

Обозначим их крутящие моменты Т1 и Т2 соответственно (Т1 < Т2), а коэффициенты редукторов обозначим К1 и К2 (К1 > К2). Редуктор повышает крутящий момент в К раз, поэтому при равенстве соотношений Т1/Т2 и К2/К1 получается формальное равенство крутящего момента на выходе редуктора (то есть – на ободе колеса): Т1К1 = Т2К2. Значит, оба условных локомотива тянули бы одинаково ? Формально – да, но практический ресурс двух изделий будет здорово отличаться…

Достаточно вспомнить, что для передвижения поезда с масштабной скоростью (на расстояние L за время T) локомотив должен обладать некоей силой тяги F. Эту силу действительно способны развить обе вышеуказанные комбинации (при равенстве крутящих моментов на ободе колеса). Совершенная физическая работа А = F x L, а значит – и выданная механическая мощность P = А / Т окажутся также одинаковыми. Однако эту мощность, со скидкой на КПД, двигатель потребил в виде электричества, и ее значительную часть он должен рассеять в виде тепла. Причем рассеять очень быстро и эффективно, чтобы не перегрелась обмотка, изоляция, подшипники и пр. И тут становится ясно, что маленький двигатель не способен хорошо охлаждаться, так как его миниатюрные детали являются НЕдостаточно массивными для быстрого пропускания теплоты. Даже при номинальной нагрузке перегрев быстро концентрируется в обмотке маленького двигателя, и тепло «не уходит» на сердечник ротора и статор в достаточной степени. Сначала обмотка нагревается, увеличивается ее сопротивление, потребляемый ток и мощность падают… Двигатель как бы «пытается защититься» от критического режима… Но нагрев продолжается… Смазка в подшипниках начинает хуже выполнять свои функции или вообще вытекает из-за нагрева… Двигатель сгорает.

По той же причине, но еще более усугубленной полным отсутствием массивного стального сердечника в роторе (и недостаточной теплоотдачи с обмотки на окружающие детали) — двигатели «фаульхабер» — при всех их достоинствах — еще более чувствительны к перегреву.

Помимо тепловых проблем мелких двигателей, в функционирование первого варианта неизбежно вмешиваются механические проблемы: редукторы с большим К – обычно червячные – по определению обладают более высоким уровнем внутреннего трения, чем редукторы с небольшим К. Чтобы уместить их на локомотиве, приходится использовать очень мелкий модуль зубьев (например 0.2), и это тоже — прямая дорога к быстрому износу и скорой замене агрегатов… Ну и, наконец, шум быстроходного маленького моторчика при 16-20 тыс.об/мин тоже не украшает большинство локомотивов.

О напряжении…

От размеров и мощности — возвращаемся к рабочему напряжению неизвестного моторчика. Поскольку в руки к моделисту чаще всего попадают двигатели от электрических игрушек, рассчитанные на питание от одной-двух пальчиковых батареек, то для начала следует попытаться «покрутить» двигатель от одной батарейки 1.5 В.

Если при этом двигатель начинает энергично вращаться, то наверняка где-то тут недалеко (от 1,5 до 4,5 вольт) и находится номинальный режим двигателя… Конечно, словосочетание «энергично вращаться» не является очень информативным и точным, — но даже неискушенное ухо отличит характерный звук номинального режима (2-3 тыс. об/мин) от слабого и едва заметного вращения. В этом случае испытание можно закончить – все ясно.

Если двигатель совсем не пришел в движение, то:

1) либо его обмотка (или щеточный механизм) неисправны – тогда нужно «прозвонить» мотор тестером (или любым другим доступным способом – вплоть до лампочки с батарейкой).

2) либо рабочее напряжение (а значит – пусковое напряжение) значительно выше, чем 1,5 В. В нашем деле — это скорее хороший признак, т.к. означает, что мотор не совсем низковольтный, и есть шанс эксплуатировать его при 12 В.

Первый случай дальше не рассматриваем: ремонт неисправных двигателей выходит за пределы настоящей заметки. Если двигатель вращается совсем слабо, то рассматриваем это тоже как «второй случай»: значит, рабочее напряжение где-то выше.

Теперь можно собрать простейшую схему (рис. 1) из регулируемого блока питания, вольтметра и амперметра (современные аналоговые блоки для питания макетов, особенно американские, уже имеют эти встроенные 2 прибора на лицевой панели). Наша задача: замерить напряжение ТРОГАНИЯ двигателя на холостом ходу. Практикой установлена простая закономерность:

РАБОЧЕЕ НАПРЯЖЕНИЕ ПРИМЕРНО В 5 РАЗ ВЫШЕ НАПРЯЖЕНИЯ ТРОГАНИЯ.

Несмотря на простоту этой формулы, неизбежны вариации — в зависимости от конструкции и физического состояния двигателя. Поэтому, наращивая напряжение до расчетного 5-кратного, следует следить за током двигателя по амперметру, мысленно умножая НАПРЯЖЕНИЕ х ТОК = МОЩНОСТЬ. При этом моделиста должны насторожить нереально большие значения мощности. Маленький моторчик длиной или диаметром около 2-3 см в принципе не способен долго потреблять большую мощность (скажем 50-100 ватт) – это прямая дорога к выгоранию обмотки и щеточного механизма.

Однако в некоторых случаях приборы могут показывать именно такие большие величины (типа 5-8 ампер при 12 вольтах). Причин может быть несколько:

1) Частичное размагничивание статора двигателя. Оно характерно для случаев небрежного хранения: когда несколько двигателей долго хранились, «слепившись в кучу» своими магнитами. Или когда двигатель работал или хранился около внешних источников сильных магнитных полей (постоянных или переменных). Также саморазмагничивание нередко происходит с двигателями старой конструкции, где использовались железные магниты (а не современные редкоземельные или керамические). Я встречал в Интернете утверждения, что такие старинные двигатели кто-то умеет намагничивать снова (не ставить же современный Sagami в модель-раритет полувековой давности, которая и ценна как раз своей анахроничностью…). В любом случае при размагниченном статоре двигатель прокручивается «от руки» как обычно (то есть довольно легко), но под напряжением вращается очень вяло, не тянет, легко тормозится пальцем, трогается с места лишь при большом напряжении (скажем, 8 В) и при большом токе (например, 2 А). Поэтому, если довести его до «расчетного» режима по принципу «умножения напряжения трогания на 5», то можно увидеть на вольтметре 40 В, а на амперметре — 10 А. Правда, — увидеть кратковременно, — так как моторчик задымит через пару секунд: 400 ватт – не шутка. Описанная картина, однако, является чисто виртуальной, так как такой мощный блок питания – редкость в арсенале моделиста. Обычный «пиковский кирпич» выдает около 2 А, далее срабатывает защита. Но даже ток 2 ампера при среднем напряжении 8-12 вольт уже должен насторожить !

2) Плохое состояние подшипников (отсутствие смазки, грязь, ржавчина) или коллектора (нагар, окислы, задиры). В этом случае двигатель туго прокручивается даже «от руки», а под напряжением – трогается поздно, при большом напряжении и большом токе. Раскрутившись, двигатель, на первый взгляд, работает неплохо, и через несколько минут даже «добавляет оборотов». Но стрелка амперметра не дает ошибиться: внутреннее трение в двигателе недопустимо велико, идет интенсивный износ и нагрев…

3) Внутренний обрыв на одной или нескольких секциях обмотки ротора (справедливо для сложных современных двигателей ДПМ, ДПР, и прочих «военных», «авиационных» и «космических», имеющих 5- или 7- или 9-полюсные обмотки ротора. Такой двигатель может не запускаться из определенных положений ротора (у исправного двигателя не бывает «мертвых точек»), сильно шумит и вибрирует, крутится вяло и не тянет. Рабочий ток у него в среднем почти нормальный, но при просмотре на экране осциллографа на месте обычных пилообразных импульсов видны «пропущенные такты», когда ток через двигатель прерывается (в моменты включения в коллекторную цепь неисправных секций обмотки).

Другие способы оценки рабочего напряжения.

Оценка на слух.
Я встречал этот совет в Интернете, но результат такой оценки мне кажется слишком неточным: якобы нормальный режим холостого вращения двигателя диаметром 2-3 см соответствует звуку частотой примерно 3 кГц. Если звук холостого хода гораздо выше – поданное напряжение наверняка слишком велико для данного двигателя.

Сравнение с аналогичным двигателем.
Предлагается сравнивать напряжение при одинаковом значении тока у двух двигателей (свойства одного из которых точно известны). При этом еще оценивать скорость вращения. Методика требует опыта, хотя менее субъективна, чем предыдущая…

Оценка по искрению коллектора.
Требуется блок питания с достаточным запасом по мощности. Метод основан на том допущении, что обычно в хороших двигателях сечение щеток, размеры ламелей коллектора, усилия прижатия щеток сбалансированы и продуманы: они рассчитаны так, чтобы в номинальном режиме не создавать искрения и шума. Следует плавно наращивать напряжение на холостом ходу, наблюдая за работой щеток и коллектора (такое наблюдение возможно, естественно, не на всех типах двигателей). Довести двигатель до момента возникновения первых регулярных искр. Не допускать сильного искрения (а тем более «кругового огня» на коллекторе). Не доводить до появления необычных шумов. «Поймав» момент начала регулярного искрения, следует дать двигателю поработать минут 10, наблюдая за температурой корпуса. Если сильного нагрева (свыше 50 градусов) нет, то это и есть максимально допустимое длительное напряжение для данного двигателя.

Оценка момента насыщения магнитного потока двигателя.
Самый научно обоснованный метод. В его основе лежит свойство магнитных материалов ротора насыщаться магнитным потоком (когда ток через обмотку продолжает нарастать, а сила магнитного потока в магнитопроводе – больше не растет, достигнув максимума). Дело в том, что двигатель при вращении не только потребляет электроэнергию. Он еще и генерирует свою электроэнергию: это ЭДС (т.е. напряжение) самоиндукции, которое складывается с питающим напряжением в той же полярности (то есть «+» ЭДС вырабатывается на той же клемме двигателя, на которую подается «+» источника внешнего питания).

Если питать двигатель пульсирующим напряжением (что мы обычно видим в типовых блоках питания для макетов — после мостового выпрямителя напряжение на выходе пульсирует с частотой 100 Гц), то каждую секунду напряжение 100 раз изменяется от 0 до 12 вольт, нарастая и спадая, рисуя на экране осциллографа «полусинусоиды» (см. рис. 2-А). Теперь, если подключить к такому блоку питания двигатель, то на экране осциллографа форма напряжения изменится: «полусинусоиды» перестанут спадать до нуля (см. рис. 2-Б). Как раз это спрямление («полочка» или «всплеск напряжения») внизу каждого минимума и является ЭДС самоиндукции – напряжением, вырабатываемым двигателем при вращении.

ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна магнитному потоку якоря двигателя. Таким образом, если наращивать напряжение питания двигателя, то в какой-то момент железо якоря насытится магнитным потоком. Потребляемый ток двигателя будет продолжать нарастать, а вот магнитный поток, и, значит, ЭДС самоиндукции, нарастание прекратят или ощутимо замедлят. Наблюдая за амплитудой «всплесков» ЭДС самоиндукции на экране осциллографа, можно поймать момент, когда ее рост прекратится, или даже она начнет уменьшаться. Несмотря на то, что наращивание питающего напряжения еще можно продолжить… Именно при этом напряжении питания двигатель имеет максимальный КПД, и, если не происходит сильного разогрева корпуса в течение 10 минут, то двигатель можно рекомендовать для длительной работы в данном режиме.

Понятно, что мало у кого есть в распоряжении осциллограф. Мой — время от времени еще используется, несмотря на то, что годы бурного радиолюбительства позади… Однако я читал, что в качестве суррогата можно неплохо использовать обычный ПК со звуковой платой, и необходимо лишь использовать соответствующую утилиту (например разные версии «Oscilloscope» или «Scope30» без труда находятся Яндексом для скачивания ).

Скажу честно: сам я такой вариант не пробовал. Нюансы, о которых надо помнить:

1) бесполезно подавать на вход звуковой платы отфильтрованное постоянное напряжение (из-за наличия конденсаторов на входе). Однако для данного исследования это не принципиально, поскольку мы используем пульсирующее напряжение. Оно «проходит сквозь конденсаторы» подобно переменному, — просто смещается нулевая линия на экране,

2) пульсирующее и переменное напряжение – нельзя подавать выше 0,25 В по амплитуде. В нашем случае – для испытаний пульсирующим напряжением с амплитудой в диапазоне 0…25 вольт — следует спаять делитель напряжения из пары резисторов с соотношением номиналов примерно 1:100 (например, 10 килоом + 100 ом) (см.рис.3). Такой делитель ослабляет напряжение на входе звуковой платы примерно в 100 раз (если быть точным – то в 101 раз), что позволяет при питающем напряжении до 25 вольт не превысить максимально допустимое напряжение 0,25 В на входе платы. Точность номиналов делителя не важна, так как нам нужно ОЦЕНИТЬ ИЗМЕНЕНИЯ, а не измерить абсолютные величины напряжений (для этого достаточно вольтметра).

Удачных вам исследований !

Э.Ершов.

Способы небесспорные, и не всегда общедоступные, — сильно не ругайте….
______________________________________________________________________

Как всегда так же доступны файлы для скачивания…
Собственно заметка
Иллюстрация 1
Иллюстрация 2
Иллюстрация 3

Стандартными
напряжениями на промышленных предприятиях
являются 220, 380, 500, 3000, 6000 и 10000В переменного
тока и 220 и 440В постоянного тока. Этой
шкалой номинальных напряжений и следует
пользоваться. При выборе величины
напряжения учитывают экономичность и
безопасность обслуживания. Для
асинхронных и синхронных двигателей
малой и средней мощностей (до 100 кВт)
целесообразно применять напряжение
380В. 220В не рекомендуется, т.к. в этом
случае увеличивается расход цветных
металлов. 500В – реже, для двигателей
средней мощности. Для привода большой
мощности целесообразно применять
двигатели на напряжение 3000, 6000 или
10000В. Диктуется выбор одного из них
номинальным напряжением высоковольтной
сети, питающей предприятие.

В условиях повышенной
опасности поражения электрическим
током применяют напряжение 36В.

При постоянном
токе применяются двигатели на 220В, а для
мощных приводов – 440В, хотя последние
менее надежны.

4.3 Выбор номинальной частоты вращения двигателя

Двигатели одинаковой
мощности выпускаются промышленностью
на разные частоты вращения. Чем больше
частота вращения при данной мощности,
тем меньше размеры и масса машины, а так
как стоимость определятся в основном
массой, то с повышением частоты вращения
стоимость двигателя снижается. Двигатели
с большей частотой вращения потребляют
меньшую реактивную мощность, имеют
более высокий КПД. Большинство же рабочих
машин требуют сравнительно небольшие
частоты вращения. Поэтому электродвигатели
и рабочие машины часто приходится
сочленять посредством передаточных
устройств. Номинальную частоту вращения
двигателя обычно выбирают на основании
анализа и сравнения ряда вариантных
расчетов с передаточными устройствами
и без них.

4.4 Выбор конструктивного исполнения двигателя

Конструктивное
исполнение двигателя диктуется условиями
окружающей среды, способами установки
и сочленения их с производственными
механизмами.

Окружающая среда
может содержать значительное количество
пыли, дыма, едких газов, влаги, взрывоопасной
смеси, кислотных паров и т. д. Обмотки
двигателя загрязняются, изоляция
разъедается и разрушается. В соответствии
с требованиями защиты обмоток от действия
внешней среды и требованиями
взрывобезопасности выпускаются
электродвигатели в следующем исполнении:

— открытые, не
имеющие специальных приспособлений
для предохранения от случайных
прикосновений к вращающимся и токоведущим
частям, а также для предотвращения
попадания посторонних предметов внутрь
двигателя;

— защищенные,
имеющие специальных приспособлений
для предохранения от случайных
прикосновений к вращающимся и токоведущим
частям, а также для предотвращения
попадания посторонних предметов внутрь
двигателя. Защитные приспособления
выполняются в виде сеток, чтобы не
нарушать естественную вентиляцию. Эти
двигатели не защищены от попадания
капель влаги, пыли и газов внутрь
двигателя. Рекомендуются для использования
во всех производственных помещениях с
нормальной средой;

— закрытые,
снабженные боковыми крышками, которые
прилегают к корпусу достаточно плотно,
но не герметически. Эти двигатели
защищены от проникновения пыли извне.
Они дороже защищенных. Рекомендуются
в помещениях сырых, пыльных, с едкими
парами и газами;

— герметически
закрытые, которые способны длительно
находиться под водой; —взрывозащищенные,
снабженные специальными кожухами,
которые выдерживают давление при взрыве
газов или паров, проникающих под корпус,
но не пропускают пламя наружу. Применяются
в помещениях, содержащих взрывоопасные
газы и пары.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #