באלקטרומכניקה, ישנם כוננים רבים הפועלים בעומסים קבועים מבלי לשנות את מהירות הסיבוב. הם משמשים בציוד תעשייתי וביתי כגון מאווררים, מדחסים ואחרים. אם המאפיינים הנומינליים אינם ידועים, אזי הנוסחה עבור הספק של המנוע החשמלי משמשת לחישובים. חישובי פרמטרים רלוונטיים במיוחד עבור כוננים חדשים ופחות ידועים. החישוב מתבצע באמצעות מקדמים מיוחדים, וכן על בסיס ניסיון מצטבר במנגנונים דומים. הנתונים חיוניים לתפעול נכון של מתקני חשמל.
מהו מנוע חשמלי?
מנוע חשמלי הוא מכשיר הממיר אנרגיה חשמלית לאנרגיה מכנית. פעולתן של רוב היחידות תלויה באינטראקציה של המגנטישדות עם פיתול הרוטור, שמתבטא בסיבוב שלו. הם פועלים ממקורות מתח DC או AC. ספק הכוח יכול להיות סוללה, מהפך או שקע חשמל. במקרים מסוימים, המנוע פועל הפוך, כלומר, הוא ממיר אנרגיה מכנית לאנרגיה חשמלית. מתקנים כאלה נמצאים בשימוש נרחב בתחנות כוח המופעלות על ידי זרימת אוויר או מים.
מנועים חשמליים מסווגים לפי סוג מקור הכוח, העיצוב הפנימי, היישום והכוח. כמו כן, לכונני AC עשויים לכלול מברשות מיוחדות. הם פועלים על מתח חד פאזי, דו פאזי או תלת פאזי, מקוררים באוויר או בנוזל. נוסחת כוח מנוע AC
P=U x I, כאשר P הוא הספק, U הוא מתח, I הוא זרם.
כוננים לשימוש כללי עם הגודל והמאפיינים שלהם משמשים בתעשייה. המנועים הגדולים ביותר בהספק של יותר מ-100 מגה וואט משמשים בתחנות הכוח של ספינות, מדחסים ותחנות שאיבה. גדלים קטנים יותר משמשים במכשירי חשמל ביתיים כמו שואב אבק או מאוורר.
עיצוב מנוע חשמלי
Drive כולל:
- רוטור.
- Stator.
- מיסבים.
- פער אוויר.
- מתפתל.
- מתג.
רוטור הוא החלק הנע היחיד של הכונן שמסתובב סביב הציר שלו. זרם עובר דרך מוליכיםיוצר הפרעה אינדוקטיבית בפיתול. השדה המגנטי שנוצר יוצר אינטראקציה עם המגנטים הקבועים של הסטטור, מה שמניע את הציר. הם מחושבים לפי הנוסחה להספק המנוע החשמלי לפי זרם, שעבורו נלקחים היעילות ומקדם ההספק, כולל כל המאפיינים הדינמיים של הציר.
מיסבים ממוקמים על ציר הרוטור ותורמים לסיבוב שלו סביב צירו. את החלק החיצוני הם מחוברים לבית המנוע. הפיר עובר דרכם והחוצה. מכיוון שהעומס חורג מאזור העבודה של המסבים, הוא נקרא תלוי.
הסטטור הוא מרכיב קבוע במעגל האלקטרומגנטי של המנוע. עשוי לכלול מגנטים מתפתלים או קבועים. ליבת הסטטור עשויה לוחות מתכת דקים, הנקראים חבילת האבזור. הוא נועד להפחית את אובדן האנרגיה, מה שקורה לעתים קרובות עם מוטות מוצקים.
פער האוויר הוא המרחק בין הרוטור לסטטור. פער קטן יעיל, מכיוון שהוא משפיע על מקדם הפעולה הנמוך של המנוע החשמלי. זרם הממגנט גדל עם גודל הפער. לכן, הם תמיד מנסים לעשות את זה מינימלי, אבל לגבולות סבירים. מרחק קטן מדי גורם לחיכוך והתרופפות של אלמנטי הנעילה.
הפיתול מורכב מחוט נחושת המורכב לסליל אחד. בדרך כלל מונח סביב ליבה ממוגנטת רכה, המורכבת ממספר שכבות של מתכת. ההפרעה של שדה האינדוקציה מתרחשת ברגע זהזרם העובר דרך החוטים המתפתלים. בשלב זה, היחידה נכנסת למצב תצורת מוט מפורש ומרומז. במקרה הראשון, השדה המגנטי של המתקן יוצר פיתול סביב חתיכת המוט. במקרה השני, החריצים של חתיכת מוט הרוטור מפוזרים בשדה המבוזר. למנוע הקוטב המוצל יש סלילה המדכאת הפרעות מגנטיות.
המתג משמש להחלפת מתח הכניסה. הוא מורכב מטבעות מגע הממוקמות על הפיר ומבודדות זו מזו. זרם האבזור מופעל על מברשות המגע של הקומוטטור הסיבובי, מה שמוביל לשינוי קוטביות וגורם לסיבוב של הרוטור מקוטב לקוטב. אם אין מתח, המנוע מפסיק להסתובב. מכונות מודרניות מצוידות באלקטרוניקה נוספת השולטת בתהליך הסיבוב.
עקרון הפעולה
לפי חוק ארכימדס, הזרם במוליך יוצר שדה מגנטי שבו פועל הכוח F1. אם ממוליך זה עשויה מסגרת מתכת וממוקמת בשדה בזווית של 90°, אזי הקצוות יחוו כוחות המכוונים בכיוון ההפוך זה לזה. הם יוצרים מומנט סביב הציר, שמתחיל לסובב אותו. סלילי אבזור מספקים פיתול קבוע. השדה נוצר על ידי מגנטים חשמליים או קבועים. האפשרות הראשונה נעשית בצורה של סליל מתפתל על ליבת פלדה. לפיכך, זרם הלולאה יוצר שדה אינדוקציה בפיתול האלקטרומגנט, אשר יוצר אלקטרומוטיבכוח.
בואו נבחן ביתר פירוט את פעולתם של מנועים אסינכרוניים באמצעות הדוגמה של התקנות עם רוטור פאזה. מכונות כאלה פועלות על זרם חילופין עם מהירות אבזור שאינה שווה לפעימת השדה המגנטי. לכן, הם נקראים גם אינדוקטיביים. הרוטור מונע על ידי האינטראקציה של הזרם החשמלי בסלילים עם השדה המגנטי.
כאשר אין מתח בפיתול העזר, המכשיר במצב מנוחה. ברגע שמופיע זרם חשמלי על מגעי הסטטור, נוצר שדה מגנטי קבוע בחלל עם אדווה של + F ו-F. ניתן לייצג אותו בנוסחה הבאה:
pr=nrev=f1 × 60 ÷ p=n1
where:
pr - מספר הסיבובים שהשדה המגנטי עושה בכיוון קדימה, סל"ד;
rev - מספר הסיבובים של השדה בכיוון ההפוך, סל"ד;
f1 - תדר אדוות זרם חשמלי, הרץ;
p - מספר מוטות;
1 - סך הכנסה לאלף הופעות.
חווה פעימות שדה מגנטי, הרוטור מקבל תנועה ראשונית. בשל ההשפעה הלא אחידה של הזרימה, הוא יפתח מומנט. על פי חוק האינדוקציה, נוצר כוח אלקטרו-מוטיבי בפיתול קצר, אשר יוצר זרם. התדירות שלו פרופורציונלית להחלקה של הרוטור. עקב האינטראקציה של זרם חשמלי עם שדה מגנטי, נוצר מומנט פיר.
ישנן שלוש נוסחאות לחישובי ביצועיםכוח של מנוע חשמלי אסינכרוני. לפי שינוי שלב השתמש ב
S=P ÷ cos (אלפא), כאשר:
S הוא ההספק הנראה נמדד ב-Volt-Amps.
P - הספק פעיל בוואטים.
alpha - שינוי פאזה.
הספק מלא מתייחס למחוון האמיתי, וההספק הפעיל הוא המחושב.
סוגי מנועים חשמליים
לפי מקור הכוח, הכוננים מחולקים לאלה הפועלים מ:
- DC.
- AC.
לפי עקרון הפעולה, הם, בתורם, מחולקים ל:
- אספן.
- Valve.
- אסינכרוני.
- סינכרוני.
מנועי אוורור אינם שייכים למחלקה נפרדת, מכיוון שהמכשיר שלהם הוא וריאציה של כונן הקולט. העיצוב שלהם כולל ממיר אלקטרוני וחיישן מיקום הרוטור. בדרך כלל הם משולבים יחד עם לוח הבקרה. על חשבונם מתרחש החלפה מתואמת של האבזור.
מנועים סינכרוניים וא-סינכרוניים פועלים אך ורק על זרם חילופין. הסיבוב נשלט על ידי אלקטרוניקה מתוחכמת. אסינכרוני מחולקים ל:
- תלת פאזי.
- דו-פאזי.
- חד פאזי.
נוסחה תיאורטית להספק של מנוע חשמלי תלת פאזי כשהוא מחובר לכוכב או לדלתא
P=3Uf If cos(alpha).
עם זאת, עבור מתח וזרם ליניארי זה נראה כך
P=1, 73 × Uf × If × cos(alpha).
זה יהיה אינדיקטור אמיתי לכמה כוחהמנוע קולט מהרשת.
סינכרוני מחולק ל:
- צעד.
- Hybrid.
- משרן.
- Hysteresis.
- Reactive.
מנועי צעד כוללים מגנטים קבועים בעיצובם, כך שהם אינם מסווגים כקטגוריה נפרדת. פעולת המנגנונים נשלטת באמצעות ממירי תדרים. ישנם גם מנועים אוניברסליים הפועלים על AC ו-DC.
מאפיינים כלליים של מנועים
לכל המנועים יש פרמטרים משותפים המשמשים בנוסחה לקביעת הספק של מנוע חשמלי. על סמך אותם, אתה יכול לחשב את המאפיינים של המכונה. בספרות שונה, הם עשויים להיקרא אחרת, אבל הם מתכוונים לאותו דבר. הרשימה של פרמטרים כאלה כוללת:
- Torque.
- כוח מנוע.
- יעילות.
- מספר מדורג של סיבובים.
- רגע אינרציה של הרוטור.
- מתח מדורג.
- קבוע זמן חשמלי.
הפרמטרים הנ ל נחוצים, קודם כל, כדי לקבוע את היעילות של מתקנים חשמליים המופעלים על ידי הכוח המכני של המנועים. ערכים מחושבים נותנים רק מושג משוער על המאפיינים האמיתיים של המוצר. עם זאת, אינדיקטורים אלה משמשים לעתים קרובות בנוסחה לעוצמת המנוע החשמלי. היא זו שקובעת את היעילות של מכונות.
Torque
למונח זה יש כמה מילים נרדפות: מומנט כוח, מומנט מנוע, מומנט, מומנט.כולם משמשים לציון אינדיקטור אחד, אם כי מנקודת המבט של הפיזיקה, מושגים אלה אינם תמיד זהים.
כדי לאחד טרמינולוגיה, פותחו סטנדרטים שמביאים הכל למערכת אחת. לכן, בתיעוד טכני, הביטוי "מומנט" משמש תמיד. זוהי כמות פיזיקלית וקטורית, ששווה למכפלת ערכי הווקטור של כוח ורדיוס. וקטור הרדיוס נמשך מציר הסיבוב לנקודת הכוח המופעל. מנקודת מבט פיזיקלית, ההבדל בין מומנט ומומנט סיבוב טמון בנקודת הפעלת הכוח. במקרה הראשון מדובר במאמץ פנימי, בשני – חיצוני. הערך נמדד בניוטון מטר. עם זאת, נוסחת כוח המנוע משתמשת במומנט כערך הבסיס.
זה מחושב כ
M=F × r שבו:
M - מומנט, Nm;
F - מופעל כוח, H;
r - רדיוס, m.
כדי לחשב את המומנט הנקוב של המפעיל, השתמש בנוסחה
Mnom=30Rnom ÷ pi × nnom, שבו:
Rnom - הספק מדורג של המנוע החשמלי, W;
nnom - מהירות נומינלית, min-1.
בהתאם לכך, הנוסחה להספק המדורג של המנוע החשמלי צריכה להיראות כך:
Pnom=Mnom pinnom / 30.
בדרך כלל, כל המאפיינים מצוינים במפרט. אבל קורה שאתה צריך לעבוד עם התקנות חדשות לגמרי,מידע שקשה מאוד למצוא עליו. כדי לחשב את הפרמטרים הטכניים של מכשירים כאלה, הנתונים של האנלוגים שלהם נלקחים. כמו כן, תמיד ידועים רק המאפיינים הנומינליים, הניתנים במפרט. יש לחשב את הנתונים האמיתיים בעצמכם.
כוח מנוע
במובן כללי, פרמטר זה הוא כמות פיזיקלית סקלרית, המתבטאת בקצב הצריכה או הטרנספורמציה של האנרגיה של המערכת. זה מראה כמה עבודה יבצע המנגנון ביחידת זמן מסוימת. בהנדסת חשמל, המאפיין מציג את הכוח המכני השימושי על הציר המרכזי. לציון המחוון, נעשה שימוש באות P או W. יחידת המדידה העיקרית היא וואט. הנוסחה הכללית לחישוב הספק של מנוע חשמלי יכולה להיות מיוצגת כך:
P=dA ÷ dt שבו:
A - עבודה מכנית (שימושית) (אנרגיה), J;
t - זמן שחלף, שניות.
עבודה מכנית היא גם כמות פיזיקלית סקלרית, המתבטאת בפעולת כוח על עצם, ובהתאם לכיוון ותזוזה של עצם זה. זהו המכפלה של וקטור הכוח והנתיב:
dA=F × ds שבו:
s - מרחק נסיעה, מ.
זה מבטא את המרחק שנקודת כוח מופעל תתגבר עליו. עבור תנועות סיבוביות, הוא מבוטא כך:
ds=r × d(teta), כאשר:
teta - זווית סיבוב, rad.
בדרך זו ניתן לחשב את תדר הסיבוב הזוויתי של הרוטור:
omega=d(teta) ÷ dt.
מתוכו נובעת הנוסחה להספק המנוע החשמלי על הציר: P \u003d M ×אומגה.
יעילות של מנוע חשמלי
יעילות היא מאפיין המשקף את היעילות של המערכת בעת המרת אנרגיה לאנרגיה מכנית. זה מתבטא כיחס בין אנרגיה שימושית לאנרגיה מושקעת. על פי המערכת המאוחדת של יחידות מדידה, הוא מוגדר כ"eta" והוא ערך חסר מימד, המחושב באחוזים. הנוסחה ליעילות של מנוע חשמלי מבחינת הספק:
eta=P2 ÷ P1 איפה:
P1 - מתח חשמלי (הספק), W;
P2 - כוח שימושי (מכני), W;
ניתן לבטא את זה גם כ:
eta=A ÷ Q × 100%, כאשר:
A - עבודה שימושית, J;
Q - הוצאת אנרגיה, J.
לעתים קרובות יותר המקדם מחושב באמצעות הנוסחה לצריכת החשמל של מנוע חשמלי, מכיוון שתמיד קל יותר למדוד את האינדיקטורים האלה.
הירידה ביעילות המנוע החשמלי נובעת מ:
- הפסדי חשמל. זה מתרחש כתוצאה מחימום המוליכים ממעבר הזרם דרכם.
- הפסד מגנטי. עקב מגנטיזציה מוגזמת של הליבה, מופיעים היסטרזיס וזרמי מערבולת, שחשוב לקחת בחשבון בנוסחת הכוח המנוע.
- הפסד מכני. הם קשורים לחיכוך ואוורור.
- הפסדים נוספים. הם מופיעים בשל ההרמוניות של השדה המגנטי, שכן הסטטור והרוטור הם בעלי שיניים. גם בפיתול יש הרמוניות גבוהות יותר של הכוח המגנטו-מוטיבי.
יש לציין שיעילות היא אחד המרכיבים החשובים ביותרנוסחאות לחישוב הספק של מנוע חשמלי, שכן הוא מאפשר לקבל מספרים הקרובים ביותר למציאות. בממוצע, נתון זה נע בין 10% ל-99%. זה תלוי בעיצוב המנגנון.
מספר מדורג של סיבובים
אינדיקטור מרכזי נוסף למאפיינים האלקטרו-מכאניים של המנוע הוא מהירות הציר. זה מתבטא בסיבובים לדקה. לעתים קרובות הוא משמש בנוסחת כוח מנוע המשאבה כדי לגלות את הביצועים שלה. אבל יש לזכור כי המחוון תמיד שונה עבור סרק ועבודה תחת עומס. המחוון מייצג ערך פיזי השווה למספר הסיבובים המלאים לפרק זמן מסוים.
נוסחת חישוב:
n=30 × אומגה ÷ pi שבו:
n - מהירות מנוע, סל ד.
כדי למצוא את הספק המנוע החשמלי לפי הנוסחה למהירות הציר, יש צורך להביאו לחישוב המהירות הזוויתית. אז P=M × אומגה ייראה כך:
P=M × (2pi × n ÷ 60)=M × (n ÷ 9, 55) כאשר
t=60 שניות.
רגע של אינרציה
אינדיקטור זה הוא כמות פיזיקלית סקלרית המשקפת מדד לאינרציה של תנועה סיבובית סביב הציר שלו. במקרה זה, מסת הגוף היא הערך של האינרציה שלו במהלך תנועת תרגום. המאפיין העיקרי של הפרמטר מתבטא בהתפלגות מסות הגוף, השווה לסכום מכפלות ריבוע המרחק מהציר לנקודת הבסיס ומסות העצם. במערכת היחידות הבינלאומיתמדידה זה מסומן כ-kg m2 ויש לו מחושב לפי הנוסחה:
J=∑ r2 × dm שבו
J - מומנט אינרציה, kg m2;
m - מסה של האובייקט, ק ג.
רגעי אינרציה וכוחות קשורים בקשר:
M - J × epsilon, שבו
epsilon - תאוצה זוויתית, s-2.
המחוון מחושב כך:
epsilon=d(omega) × dt.
לכן, לדעת את המסה והרדיוס של הרוטור, אתה יכול לחשב את פרמטרי הביצועים של מנגנונים. נוסחת הכוח המנוע כוללת את כל המאפיינים הללו.
מתח מדורג
זה נקרא גם נומינלי. הוא מייצג את מתח הבסיס, המיוצג על ידי סט סטנדרטי של מתחים, אשר נקבע על ידי מידת הבידוד של הציוד החשמלי והרשת. במציאות, זה עשוי להיות שונה בנקודות שונות של הציוד, אך לא לחרוג מתנאי ההפעלה המרביים המותרים, המיועדים לפעולה רציפה של המנגנונים.
עבור התקנות קונבנציונליות, מתח נקוב מובן כערכים המחושבים שעבורם הם מסופקים על ידי היזם בפעולה רגילה. רשימת מתח הרשת הסטנדרטי מסופקת ב- GOST. פרמטרים אלה מתוארים תמיד במפרט הטכני של המנגנונים. כדי לחשב את הביצועים, השתמש בנוסחה להספק המנוע החשמלי לפי זרם:
P=U × I.
קבוע זמן חשמלי
מייצג את הזמן הנדרש כדי להגיע לרמה הנוכחית של עד 63% לאחר הפעלת האנרגיהכונן פיתולים. הפרמטר נובע מתהליכים חולפים של מאפיינים אלקטרומכניים, מכיוון שהם חולפים בגלל ההתנגדות הפעילה הגדולה. הנוסחה הכללית לחישוב קבוע הזמן היא:
te=L ÷ R.
עם זאת, קבוע הזמן האלקטרומכני tm תמיד גדול יותר מקבוע הזמן האלקטרומגנטי te. הרוטור מאיץ במהירות אפס למהירות סרק מירבית. במקרה זה, המשוואה לובשת את הצורה
M=Mst + J × (d(omega) ÷ dt), כאשר
Mst=0.
מכאן נקבל את הנוסחה:
M=J × (d(אומגה) ÷ dt).
למעשה, קבוע הזמן האלקטרומכני מחושב מהמומנט ההתחלתי - Mp. למנגנון הפועל בתנאים אידיאליים עם מאפיינים ישרים יהיה הנוסחה:
M=Mp × (1 - אומגה ÷ omega0), כאשר
omega0 - מהירות סרק.
חישובים כאלה משמשים בנוסחת כוח מנוע המשאבה כאשר מהלך הבוכנה תלוי ישירות במהירות הציר.
נוסחאות בסיסיות לחישוב כוח המנוע
כדי לחשב את המאפיינים האמיתיים של מנגנונים, אתה תמיד צריך לקחת בחשבון פרמטרים רבים. קודם כל, אתה צריך לדעת איזה זרם מסופק לפיתולי המנוע: ישיר או לסירוגין. העיקרון של עבודתם שונה, ולכן שיטת החישוב שונה. אם התצוגה הפשוטה של חישוב כוח הכונן נראית כך:
Pel=U × I where
I - חוזק זרם, A;
U - מתח, V;
Pel - חשמל מסופק. יום שלישי
בנוסחת הספק של מנוע AC, יש לקחת בחשבון גם שינוי פאזה (אלפא). בהתאם לכך, החישובים עבור כונן אסינכרוני נראים כך:
Pel=U × I × cos(alpha).
בנוסף להספק פעיל (הספק), יש גם:
- S - תגובתי, VA. S=P ÷ cos(alpha).
- Q - מלא, VA. Q=I × U × sin(alpha).
החישובים צריכים לקחת בחשבון גם הפסדים תרמיים ואינדוקטיביים, כמו גם חיכוך. לכן, מודל נוסחה מפושט עבור מנוע DC נראה כך:
Pel=Pmech + Rtep + Rind + Rtr, שבו
Рmeh - כוח מופק שימושי, W;
Rtep - איבוד חום, W;
Rind - עלות תשלום בסליל האינדוקציה, W;
RT - הפסד עקב חיכוך, W.
מסקנה
מנועים חשמליים משמשים כמעט בכל תחומי חיי האדם: בחיי היומיום, בייצור. לשימוש נכון בכונן, יש צורך לדעת לא רק את המאפיינים הנומינליים שלו, אלא גם את האמיתיים. זה יגדיל את היעילות שלו ויקטין עלויות.
