Что будет если подать на двигатель больший ток
Токовые перегрузки и их влияние на работу и срок службы электродвигателей
Анализ повреждений асинхронных двигателей показывает, что основной причиной их выхода из строя является разрушение изоляции из-за перегрева.
Перегрузка электротехнического изделия (устройства) — превышение фактического значения мощности или тока электротехнического изделия (устройства) над номинальным значением. (ГОСТ 18311-80).
Температура нагрева обмоток электродви гателя зависит от теплотехнических характеристик двигателя и параметров окружающей среды. Часть выделяемого в двигателе тепла идет на нагрев обмоток, а остальное отдается в окружающую среду. На процесс нагрева влияют такие физические параметры, как теплоемкость и теплоотдача .
В зависимости от теплового состояния электродвигателя и окружающего воздуха степень их влияния может быть различной. Если разность температур двигателя и окружающей среды невелика, а выделяемая энергия значительна, то ее основная часть поглощается обмоткой, сталью статора и ротора, корпусом двигателя и другими его частями. Происходит интенсивный рост температуры изоляции . По мере нагрева все больше проявляется влияние теплоотдачи. Процесс устанавливается после достижения равновесия между выделяемым теплом и теплом, отдаваемым в окружающую среду.
Повышение тока сверх допустимого значения не сразу приводит к аварийному состоянию . Требуется некоторое время, прежде чем статор и ротор нагреются до предельной температуры. Поэтому нет необходимости в том, чтобы защита реагировала на каждое превышение тока. Она должна отключать машину только в тех случаях, когда возникает опасность быстрого износа изоляции.
С точки зрения нагрева изоляции большое значение имеют величина и длительность протекания токов, превышающих номинальное значение. Эти параметры зависят прежде всего от характера технологического процесса.
Перегрузки электродвигателя технологического происхождения
Перегрузки электродвигателя, вызванные периодическим увеличением момента на валу рабочей машины. В таких станках и установках мощность электродвигателя все время изменяется. Трудно заметить сколько-нибудь длительный промежуток времени, в течение которого ток оставался бы неизменным по величине. На валу двигателя периодически возникают кратковременные большие моменты сопротивления, создающие броски тока.
Такие перегрузки обычно не вызывают перегрева обмоток электродвигателя, имеющих сравнительно большую тепловую инерцию. Однако при достаточно большой длительности и неоднократной повторности создается опасный нагрев электродвигателя. Защита должна «различать» эти режимы. Она не должна реагировать на кратковременные толчки нагрузки.
В других машинах могут возникать сравнительно небольшие, но длительные перегрузки. Обмотки электродвигателя постепенно нагреваются до температуры, близкой к предельно допустимому значению. Обычно электродвигатель имеет некоторый запас по нагреву, и небольшие превышения тока, несмотря на продолжительность действия, не могут создать опасной ситуации. В этом случае отключение не обязательно. Таким образом, и здесь защита электродвигателя должна «различать» опасную перегрузку от неопасной.
Аварийные перегрузки электродвигателя
Кроме перегрузок технологического происхождения , могут быть аварийные перегрузки , возникающие по другим причинам (авария в питающей линии, заклинивание рабочих органов, снижение напряжения и др.). Они создают своеобразные режимы работы асинхронного двигателя и выдвигают свои требования к средствам защиты . Рассмотрим поведение асинхронного двигателя в характерных аварийных режимах.
Перегрузки при длительном режиме работы с постоянной нагрузкой
Обычно электродвигатели выбирают с некоторым запасом по мощности. Кроме того, большую часть времени машины работают с недогрузкой. В результате ток двигателя часто значительно ниже номинального значения. Перегрузки возникают, как правило, при нарушениях технологии, поломках, заедании и заклинивании в рабочей машине.
Такие машины, как вентиляторы, центробежные насосы, ленточные и шнековые транспортеры, имеют спокойную постоянную или слабо изменяющуюся нагрузку. Кратковременные изменения подачи материала практически не влияют на нагрев электродвигателя. Их можно не принимать во внимание. Иное дело, если нарушения нормальных условий работы остаются на длительное время.
Большинство электроприводов имеет определенный запас мощности. Механические перегрузки прежде всего вызывают поломки деталей машины. Однако, принимая во внимание случайный характер их возникновения, нельзя быть уверенным, что при определенных обстоятельствах окажется перегруженным и электродвигатель. Например, это может случиться с двигателями шнековых транспортеров. Изменение физико-механических свойств транспортируемого материала (влажность, крупность частиц и т. д.) немедленно отражается на мощности, требуемой на его перемещение. Защита должна отключать электродвигатель при возникновении перегрузок, вызывающих опасный перегрев обмоток.
С точки зрения влияния длительных превышений тока на изоляцию следует различать два вида перегрузок по величине: сравнительно небольшие (до 50%) и большие (более 50%).
Действие первых проявляется не сразу, а постепенно, в то время как последствия вторых проявляются через короткое время. Если превышение температуры над допустимым значением невелико, то старение изоляции происходит медленно. Небольшие изменения в структуре изолирующего материала накапливаются постепенно. По мере возрастания температуры процесс старения значительно ускоряется.
Считают, что перегрев сверх допустимого на каждые 8 — 10°С сокращает срок службы изоляции обмоток электродвигателя в два раза. Таким образом, перегрев на 40°С сокращает срок службы изоляции в 32 раза! Хоть это и много, но обнаруживается оно после многих месяцев эксплуатации.
При больших перегрузках (более 50%) изоляция быстро разрушается под действием высокой температуры.
Для анализа процесса нагрева воспользуемся упрощенной моделью двигателя. Повышение тока вызывает увеличение переменных потерь. Обмотка начинает нагреваться. Температура изоляции изменяется в соответствии с графиком на рисунке. Величина установившегося превышения температуры зависит от величины тока.
Через некоторое время после возникновения перегрузки температура обмоток достигает допустимого для данного класса изоляции значения. При больших перегрузках оно будет короче, при малых — длиннее. Таким образом, каждому значению перегрузки будет соответствовать свое допустимое время, которое можно считать безопасным для изоляции.
Зависимость допустимой длительности перегрузки от ее величины называется перегрузочной характеристикой электродвигателя . Теплофизические свойства электродвигателей разных типов имеют некоторые отличия, также отличаются и их характеристики. На рисунке сплошной линией показана одна из таких характеристик.
Перегрузочная характеристика электродвигателя (сплошная линия) и желаемая характеристика защиты (пунктирная линия)
Из приведенной характеристики можно сформулировать одно из основных требований к защите перегрузок, действующей в зависимости от тока. Она должна срабатывать в зависимости от величины перегрузки. Э дает возможность исключить ложные срабатывания при неопасных бросках тока, возникающие, например, при пуске двигателя. Защита должна срабатывать только при попадании в область недопустимых значений тока и длительности его протекания. Ее желаемая характеристика, показанная на рисунке пунктирной линией, должна всегда располагаться под перегрузочной характеристикой двигателя.
На работу защиты влияет ряд факторов (неточность настройки, разброс параметров и др.), в результате действия которых наблюдаются отклонения от средних значений времени срабатывания. Поэтому пунктирную кривую на графике следует рассматривать как некую среднюю характеристику. Для того чтобы в результате действия случайных факторов характеристики не пересеклись, что вызовет неправильное отключение двигателя, необходимо обеспечить определенный запас. Фактически приходится иметь дело не с отдельной характеристикой, а с защитной зоной, учитывающей разброс времени срабатывания защиты.
С точки зрения точного действия защиты электродвигателя желательно, чтобы обе характеристики были по возможности близки одна к другой. Это позволит избежать ненужное отключение при перегрузках, близких к допустимым. Однако при наличии большого разброса обеих характеристик достигнуть этого невозможно. Для того чтобы не попасть в зону недопустимых значений тока при случайных отклонениях от расчетных параметров, необходимо обеспечить определенный запас.
Характеристика защиты должна располагаться на некотором расстоянии от перегрузочной характеристики двигателя, чтобы исключить их взаимное пересечение. Но при этом получается проигрыш в точности действия защиты электродвигателя.
В области токов, близких к номинальному значению, появляется зона неопределенности. При попадании в эту зону нельзя точно сказать, сработает защита или нет.
Такой недостаток отсутствует у защиты, действующей в функции температуры обмоток. В отличие от токовой защиты она действует в зависимости от причины, вызывающей старение изоляции, ее нагрева. При достижении опасной для обмотки температуры она отключает двигатель независимо от причины, вызвавшей нагрев. Это — одно из главных достоинств температурной защиты .
Однако не следует преувеличивать недостаток токовой защиты. Дело в том, что двигатели имеют определенный запас по току. Номинальный ток электродвигателя всегда ниже того тока, при котором температура обмоток достигает допустимого значения. Его устанавливают, руководствуясь экономическими расчетами. Поэтому при номинальной нагрузке температура обмоток двигателя ниже допустимого значения. За счет этого и создается тепловой резерв двигателя, который в определенной степени компенсирует недостаток тепловых реле.
Многие факторы, от которых зависит тепловое состояние изоляции, имеют случайные отклонения. В связи с этим уточнения характеристик не всегда дают желаемый результат.
Перегрузки при переменном длительном режиме работы
Некоторые рабочие органы и механизмы создают нагрузку, изменяющуюся в больших пределах, как, например, в машинах для дробления, измельчения и других аналогичных операций. Здесь периодические перегрузки сопровождаются недогрузками вплоть до работы на холостом ходу. Каждое увеличение тока, взятое в отдельности, не приводит к опасному росту температуры. Однако, если их много и они повторяются достаточно часто, действие повышенной температуры на изоляцию быстро накапливается.
Процесс нагрева электродвигателя при переменной нагрузке отличается от процесса нагрева при постоянной или слабо выраженной переменной нагрузке. Различие проявляется как в ходе изменения температуры, так и в характере нагрева отдельных частей машины.
Вслед за изменениями нагрузки изменяется и температура обмоток. Из-за тепловой инерции двигателя колебания температуры имеют меньший размах. При достаточно высокой частоте нагрузки температуру обмоток можно считать практически неизменяющейся. Такой режим работы будет эквивалентен длительному режиму с постоянной нагрузкой. При низкой частоте (порядка сотых долей герца и ниже) колебания температуры становятся ощутимыми. Периодические перегревы обмотки могут сократить срок службы изоляции.
При больших колебаниях нагрузки с низкой частотой электродвигатель постоянно находится в переходном процессе. Температура его обмотки изменяется вслед за колебаниями нагрузки. Так как отдельные части машины имеют разные теплофизические параметры, то каждая из них нагревается посвоему.
Протекание тепловых переходных процессов при изменяющейся нагрузке — явление сложное и не всегда поддается расчету. Поэтому о температуре обмоток двигателя нельзя судить по току, протекающему в данный момент времени. Ввиду того, что отдельные части электродвигателя нагреваются по-разному, внутри электродвигателя происходят перетоки тепла из одной ее части в другие. Может быть и так, что после отключения электродвигателя температура обмоток статора будет расти за счет тепла, поступающего от ротора. Таким образом, величина тока может и не отражать степень нагрева изоляции. Следует также принять во внимание, что при некоторых режимах ротор будет нагреваться более интенсивно, а охлаждаться менее интенсивно, чем статор.
Сложность процессов теплообмена затрудняет контроль нагрева электродвигателя . Даже непосредственное измерение температуры обмоток может при некоторых условиях дать погрешность. Дело в том, что при неустановившихся тепловых процессах температура нагрева различных частей машины может быть разной и измерение в одной точке не может дать истинной картины. Тем не менее по сравнению с другими методами измерение температуры обмотки дает более точный результат.
Повторно-кратковременный режим работы можно отнести к наиболее неблагоприятному с точки зрения действия защиты. Периодическое включение в работу предполагает возможность кратковременной перегрузки двигателя. При этом величина перегрузки должна быть ограничена по условию нагрева обмоток не выше допустимого значения.
Защита, «следящая» за состоянием нагрева обмотки, должна получать соответствующий сигнал. Так как в переходных режимах ток и температура могут не соответствовать друг другу, то защита, действие которой основано на измерении тока, не может выполнять свою роль должным образом.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
7.3: Электромоторы постоянного тока
Приводы — это механизмы, которые используются для воздействия на окружающую среду, обычно для перемещения механизмов или систем и управления ими. Приводы заставляют двигаться все элементы соревновательного робота, которые могут двигаться. Наиболее распространенным типом привода является электромотор, в частности, в роботах VEX используются электромоторы постоянного тока.
Электромоторы преобразуют электрическую энергию в механическую энергию путем использования электромагнитных полей и вращающихся проволочных катушек. При вводе напряжения в электромотор, последний выводит установленное количество механической мощности. Механическая мощность рассматривается как выход электромотора (обычно это ось, разъем или передача), вращающегося с определенной скоростью и при определенном крутящем моментe.
Нагружение электромотора
Электромоторы выводят крутящий момент только в ответ на нагружение. При отсутствии нагружения на выходе, электромотор будет вращаться очень быстро при нулевом крутящем моменте. Этого никогда не происходит в реальной жизни, так как в системе электромотора всегда присутствует трение, выполняющее роль нагрузки и заставляющее электромотор выводить крутящий момент для его преодоления. Чем больше нагрузка на электромотор, тем больше он «сопротивляется» с помощью противодействующего крутящего момента. Тем не менее, так как электромотор выводит заданное количество мощности, чем больше крутящий момент, выводимый электромотором, тем меньше его вращательная скорость. Чем больше работы должен произвести электромотор, тем медленнее он вращается. Если нагрузка на электромотор будет продолжать увеличиваться, в результате она превысит возможности электромотора и последний перестанет вращаться. Это называется «остановом».
Потребление электроэнергии
Электромотор потребляет определенное количество электрического тока (выражаемого в Амперах), которое зависит от количества приложенной к нему нагрузки. При повышении нагрузки на электромотор, потребление электроэнергии электромотором увеличивается пропорционально повышению производимого им крутящего момента.
Как показано на графике выше, ток прямо пропорционален нагружающему моменту (крутящий момент нагрузки). Чем больше нагружающий момент, тем больше потребление электроэнергии, при этом ток частота вращения обратно пропорциональны друг другу. Чем быстрее вращается электромотор, тем меньше электроэнергии он потребляет.
Ключевые характеристики электромотора
Электромоторы отличаются друг от друга и обладают различными свойствами, в зависимости от типа, конфигурации и способа производства. Существуют четыре основные характеристики, которыми обладают все электромоторы постоянного тока, используемые в соревновательной робототехнике.
Заданный крутящий момент (Н-м) — количество нагрузки, при приложении которого к электромотору последний перестанет двигаться.
Свободная скорость (об/мин) — максимальная частота вращения электромотора, работающего без нагрузки.
Ток заторможенного электромотора (Ампер) — количество электрического тока, потребляемого остановленным электромотором.
Свободный ток (Ампер) — количество электрического тока, потребляемого электромотором, работающим без нагрузки.
На этих взаимосвязях основывается концепция мощности. При заданном нагружении, электромотор может вращаться только с определенной скоростью.
Линейная и пропорциональная природа представленных выше взаимосвязей позволяет легко составлять графики «крутящий момент — скорость» и «крутящий момент — ток» для любого электромотора путем экспериментального определения двух точек на каждом графике.
Изменение мощности за счет напряжения
Выходная мощность электромотора постоянного тока зависит от входного напряжения. Это означает, что чем больше входное напряжение, тем больше мощности производится и тем быстрее может работать электромотор.
Если электромотор имеет заданное нагружение, что будет происходить при повышении напряжения (в результате увеличения мощности)? Электромотор будет вращаться быстрее! Для выполнения того же объема работы доступно большее количество мощности.
Это означает, что характеристики электромотора, приведенные выше, изменяются в зависимости от входного напряжения электромотора, поэтому их значения необходимо устанавливать при заданном напряжении (при испытаниях с напряжением 12 В). Эти четыре характеристики изменяются пропорционально входному напряжению. Например, если свободная скорость электромотора составляет 50 об/мин при напряжении 6 В, при удваивании напряжения до 12 В свободная скорость также удваивается и принимает значение 100 об/мин.
Значения этих характеристик при определенном напряжении могут быть рассчитаны в том случае, если известны их значения при другом напряжении, путем умножения известного значения на коэффициент значений напряжения. Этот подход не применим к определению свободного тока электромотора, так как его значение остается постоянным при любом напряжении.
Новое значение = Определенное значение х (Новое значение/Определенное значение)
Из примера выше видно, что свободная скорость электромотора составляет 50 об/мин при напряжении 6 В. Проектировщик планирует использовать электромотор при напряжении 8 В. Какова будет свободная скорость электромотора при этом напряжении?
Свободная скорость @ 8 В = Свободная скорость @ 6 В x (8 В / 6 В) = 50 об/мин x (8/6) = 66,66 об/мин
Как можно использовать изменение напряжения в управлении роботом? Электромоторы робота представляют собой не просто устройства, работающие по системе «вкл/откл». Проектировщик робота может изменять напряжение электромотора, работающего при нагрузке, для получения различных значений мощности и скорости. Для этого используются моторные контроллеры, регулирующие напряжение, поступающее к электромоторам.
Предельные значения и расчеты для электромотора
Означает ли это, что проектировщик может продолжать увеличивать напряжение электромотора до тех пор, пока последний не сможет выводить количество мощности, достаточное для выполнения задачи? Не совсем так. Электромоторы имеют ограничения. С одной стороны, приобретенная мощность будет слишком большой для электрических обмоток (как правило, обмотка начнет гореть, выделяя белый дым). К счастью, электромоторы VEX лишены подобных проблем, так как снабжены встроенными тепловыми реле, блокирующими поступление электрического тока в электромотор в случае его перегрева. Такое решение является очень удачным, так как электромотор не может перегореть, но при этом возникает новое условие для проектировщиков, выраженное в необходимости предотвращения срабатывания предохранителей электромотора. Как это сделать? Путем проектирования системы таким образом, чтобы исключить превышение установленного потребления тока электромотором за счет ограничения количества нагрузки на него.
Расчет нагрузки на руку
В примере, представленном выше, известный электромотор управляет движением руки робота при известном напряжении. В данном сценарии, какую максимальную массу может стабильно удерживать робот?
Чтобы решить эту задачу, проектировщик должен понимать, что максимальная масса, которую робот может удерживать стабильно, возникает при предельном перегрузочном моменте электромотора. Если электромотор находится в остановленном состоянии, он прикладывает к руке робота длиной 0,25 метра крутящий момент, равный 1 Н. Крутящий момент = Сила * Расстояние
Сила = Крутящий момент/Расстояние = 1 ньютон-метр/0,25 метра = 4 ньютона
Рука может удерживать до 4 ньютонов при остановленном электромоторе. При любом превышении, рука опрокинется.
Расчет крутящей нагрузки из предельного тока:
Это просто, но ситуация усложняется, когда необходимо учесть предельный ток. Например, в электромоторе из примера, представленного выше, установлен выключатель предельного тока, который сработает при потреблении свыше 2 ампер. Какова максимальная масса, которую робот может удерживать без срабатывания выключателя?
Теперь, электромотор не работает при предельном перегрузочном моменте — в режиме останова электромотор будет потреблять ток заторможенного электромотора, равный 3 амперам, что вызовет срабатывание предохранителя. Проектировщик должен выяснить, какую крутящую нагрузку должен испытывать электромотор, чтобы его потребление тока не достигало 2 ампер. Как это реализовать?
Глядя на график выше и помня о том, что взаимосвязи линейны, крутящая нагрузка при любом заданном потреблении тока может быть рассчитана с помощью уравнения.
Уравнение для линии: y = mx + b, где y — это значение по оси y, x — это значение по оси x, m — это уклон линии, и b — это место пересечения линии с осью y (точка пересечения с осью y).
Уклон линии может быть выражен как: m = (изменение по Y / изменение по X) = (ток заторможенного электромотора — свободный ток) / предельный перегрузочный момент
Точка пересечения с осью Y обозначает свободный ток.
Значение Y — это ток в заданной точке линии, и значение X — это крутящая нагрузка в этой точке.
Уравнение может быть представлено следующим образом:
Ток = ((ток заторможенного электромотора — свободны ток) / предельный перегрузочный момент) х крутящая нагрузка + свободный ток
Для крутящей нагрузки это же уравнение выглядит следующим образом:
Крутящая нагрузка = (ток — свободный ток) х предельный перегрузочный момент / (ток заторможенного электромотора — свободный ток)
С помощью параметров из примера выше может быть установлена крутящая нагрузка, при которой значение потребления тока будет равно 2 амперам.
Крутящая нагрузка = (2 ампера — 1 ампер) х 1 Н-м / (3 ампера — 1 ампер)
Крутящая нагрузка = (1,9 ампер) х 10 Н-м / (2,9 ампер)
Крутящая нагрузка = 0,655 Н-м
На основании данного расчета проектировщик может сделать вывод, что если значение крутящего момента электромотора превышает 0,655 Н-м, его потребление электричества превысит 2 ампера, при этом предохранитель сработает. Остается рассчитать количество силы, которой должна обладать рука.
Сила = Крутящий момент/Расстояние = 0,655 Н-м / 0,25 м = 2,62 Н
Если рука робота подбирает объект, масса которого превышает 2,62 Н, это спровоцирует срабатывание предохранителя.
Расчет скорости электромотора из крутящей нагрузки
В примере, представленном выше, какова скорость электромотора при предельном токе? На основании расчетов, выполненных на предыдущем этапе, проектировщик должен определить скорость электромотора при нагрузке 0,655 Н-м.
Глядя на график, изображенный выше, скорость электромотора при любой крутящей нагрузке может быть рассчитана с помощью уравнения, аналогичного уравнению для расчета потребления тока (предыдущий пример).
В этом случае, уклон линии выражается как m = (изменение по Y) / (изменение по X) = (свободная скорость) / (предельный перегрузочный момент).
Примечание: уклон имеет отрицательное значение.
Точка пересечения с осью Y обозначает свободную скорость.
Значение Y — это скорость в заданной точке линии, и значение X — это крутящая нагрузка в этой точке.
Уравнение выглядит следующим образом:
Скорость = (свободная скорость / предельный перегрузочный момент) х крутящая нагрузка + свободная скорость
С помощью параметров из примера выше может быть установлена скорость электромотора при крутящей нагрузке, равной 6,55 фунто-дюймов:
Скорость = -(100 об/мин / 1 Н-м) x 0,655 Н-м + 100 об/мин
Скорость = -(100 об/мин/Н-м) x 0,655 Н-м + 100 об/мин
Скорость = 65,5 об/мин + 100 об/мин = 34,5 об/мин
При потреблении 2 ампер тока и подъеме объекта массой 2,62 Н, электромотор будет вращаться со скоростью 34,5 об/мин при крутящей нагрузке 0,655 Н-м.
Несколько электромоторов
Если для выполнения задачи требуется больше мощности, чем может обеспечить один электромотор, у проектировщика есть три варианта действий:
- 1. Изменить проектные требования таким образом, чтобы для выполнения задачи было достаточно меньшей мощности.
2. Перейти на использование более мощного электромотора.
3. Увеличить количество электромоторов.
Что произойдет при использовании в проекте нескольких электромоторов? Очень просто — крутящая нагрузка будет распределена между ними. При крутящем моменте 2 Н-м, каждый электромотор будет иметь крутящую нагрузку 1 Н-м и реагировать соответственно.
Это можно представить так, что электромоторы принимают на себя характеристики супер-мотора, при этом характеристики отдельных электромоторов суммируются. Суммируются значения предельного перегрузочного момента, тока заторможенного электромотора, свободного тока, при этом свободная скорость остается неизменной.
В таблице выше представлены спецификации 2-проводного электромотора VEX 393, а также спецификации при комбинировании двух электромоторов для выполнения одной задачи.
В примере выше, сколько электромоторов VEX 393 необходимо для стабильного удерживания объекта?
Крутящая нагрузка на электромоторы рассчитывается следующим образом:
Крутящая нагрузка = сила х расстояние = 22 Н х 0,25 м = 5,5 Н-м
Данную крутящую нагрузку можно сравнить с предельным перегрузочным моментом электромотора VEX 393 и определить требуемое количество.
5,5 Н-м / 1,67 Н-м = 3,29 электромоторов
Таким образом, для удержания руки в поднятом положении (пример выше) необходимо 4 электромотора.
Как ток и напряжение связаны с крутящим моментом и скоростью бесщеточного двигателя?
Я знаю, что электромобили имеют разные характеристики в зависимости от аккумулятора и двигателя, но не ясно, как связаны электрические и механические узлы.
Кто-нибудь может помочь?
Поднимается ли двигатель 100 В на склонах лучше, чем двигатель 50 В?
Соотношение между электрическими характеристиками двигателя и механическими характеристиками можно рассчитать следующим образом (примечание: это анализ для идеального щеточного двигателя постоянного тока, но некоторые из них все же должны применяться к неидеальным бесщеточным двигателям постоянного тока).
Двигатель постоянного тока может быть аппроксимирован как цепь с резистором и источником противо-ЭДС напряжения. Резистор моделирует внутреннее сопротивление обмоток двигателя. Противо-ЭДС моделирует напряжение, генерируемое движущимся электрическим током в магнитном поле (в основном, электродвигатель постоянного тока может функционировать в качестве генератора). Также возможно смоделировать собственную индуктивность двигателя, добавив последовательно индуктор, однако по большей части я проигнорировал это и предположил, что двигатель электрически находится в квазистационарном состоянии, или во временной реакции двигателя преобладает временная характеристика механических систем вместо времени отклика электрических систем. Обычно это так, но не всегда так.
Генератор выдает обратную ЭДС, пропорциональную скорости двигателя:
ω = скорость двигателя в рад / с
В идеале на скорости сваливания обратная эдс отсутствует, а на скорости без нагрузки обратная эдс равна напряжению источника возбуждения.
Ток, протекающий через двигатель, можно затем рассчитать:
V S = напряжение источника R = электрическое сопротивление двигателя
Теперь давайте рассмотрим механическую сторону мотора. Крутящий момент, создаваемый двигателем, пропорционален величине тока, протекающего через двигатель:
τ = крутящий момент
Используя приведенную выше электрическую модель, вы можете проверить, что при скорости останова двигатель имеет максимальный ток, протекающий через него, и, следовательно, максимальный крутящий момент. Кроме того, на скорости холостого хода двигатель не имеет крутящего момента и ток не течет через него.
Когда двигатель вырабатывает наибольшую мощность? Что ж, мощность можно рассчитать одним из двух способов:
Если вы построите график, вы обнаружите, что для идеального двигателя постоянного тока максимальная мощность составляет половину скорости холостого хода.
Итак, учитывая все обстоятельства, как складывается напряжение двигателя?
Для того же двигателя, в идеале, если вы подаете удвоенное напряжение, вы удвоите скорость холостого хода, удвоите крутящий момент и увеличите мощность в четыре раза. Это, конечно, при условии, что двигатель постоянного тока не горит, не достигает состояния, которое нарушает эту упрощенную идеальную модель двигателя, и т. Д.
Тем не менее, между различными двигателями невозможно сказать, как будут работать два двигателя по сравнению друг с другом, основываясь только на номинальном напряжении. Так что вам нужно сравнить два разных двигателя?
k i = k t ‘ role=»presentation»> К я знак равно К T P e = P m ‘ role=»presentation»> п е знак равно п м
rad / s ‘ role=»presentation»> радиан / s Hz rev / s ‘ role=»presentation»> оборот / s 2 π ‘ role=»presentation»> 2 π
После 4 лет использования и изучения электромобилей я понял, что «уклоняемость» (способность поднимать уклон определенной категории) зависит от крутящего момента двигателя, а крутящий момент зависит от тока.
Напряжение вместо этого «регулирует», насколько быстро двигатель может работать: максимальная скорость, которую может достигать двигатель, — это скорость, с которой двигатель генерирует напряжение (называемое «противоэлектродвижущая сила»), равное напряжению, которое он получает от батареи (не учитывая потери мощности и трения для простоты).
Какой ток может выдержать двигатель при подаче напряжения, зависит от того, насколько толстыми являются провода катушек (толще = больший ток = более высокий крутящий момент), из-за внутреннего сопротивления катушек (чем выше сопротивление, тем выше выделяемое тепло, до проводов плавиться).
Учитывая мотор 1000 Вт:
обеспечивая 100В / 10А, вы сможете достичь высокой скорости, но вы не сможете поднять большой уклон.
обеспечивая 10 В / 100 А, вы будете двигаться очень медленно, но сможете подниматься по склонам высокого класса (при условии, что двигатель выдерживает 100 А).
Максимальный ток, который может выдержать двигатель, называется «номинальным током», который намного ниже, чем «ток торможения» двигателя, т. Е. Ток, протекающий в проводах двигателя при подаче напряжения и остановке двигателя. Двигатель НЕ МОЖЕТ переносить собственный ток останова, который скоро расплавит провода. Вот почему электроника ограничивает максимальный ток до номинального значения тока.
В любом моторе основной принцип очень прост:
- частота вращения пропорциональна приложенному напряжению
- крутящий момент пропорционален тяговому току
Двигатель на 100 вольт — это двигатель, который может потреблять максимум 100 вольт, а двигатель на 50 вольт — максимум 50 вольт. Так как 100-вольтный двигатель может потреблять больше вольт, если все остальное равно, он может дать вам более высокую максимальную скорость.
Но разница в напряжении не влияет на крутящий момент. Чтобы получить больший крутящий момент, чтобы подняться в гору, вам нужно подать на двигатель больший ток. Двигатель, который может потреблять больший ток (а также аккумулятор и контроллер мотора, который может подавать больший ток), даст вам больший крутящий момент, чтобы помочь вам подняться в гору.
Электродвигатели могут быть рассчитаны на довольно широкий диапазон напряжений и токов для одинаковой скорости и крутящего момента. Простое сравнение предполагаемого рабочего напряжения двух двигателей мало что говорит о том, что эти двигатели в конечном итоге могут сделать. Двигатели, рассчитанные на высокую мощность, имеют тенденцию работать при более высоких напряжениях, но это главным образом так, что ток может находиться в разумных пределах.
Чтобы сравнить два двигателя для конкретной работы, вы должны посмотреть на выходные параметры. Это будут крутящий момент, диапазон скоростей и мощность.
Механические характеристики двигателя, конечно, будут зависеть в основном от его физической конструкции, а не от номинального напряжения. Двигатели большой мощности будут работать при более высоких напряжениях, но это мало о чем говорит.
Я не буду вдаваться в подробности, но есть хорошее эмпирическое правило, которое нужно использовать, когда вы хотите оценить параметры двигателя по виду. Длинный двигатель достигнет более высоких оборотов, а широкий двигатель сможет обеспечить больший крутящий момент. Вы можете себе представить, как это работает — широкий двигатель будет иметь широкий ротор, поэтому силы магнитных полей внутри будут создавать больший крутящий момент.
Таким образом, если у вас есть два двигателя одинаковой длины, но один из них шире, вы можете ожидать, что более широкий двигатель сможет генерировать более высокий крутящий момент.
В самых основных терминах (ответ helloworld включает в себя немного науки):
Мощность — это напряжение * ток (P = IV). Для данной мощности, скажем 1000 Вт / 1 кВт, вы можете сконструировать двигатель 10 В, который использует 100 А, или двигатель 100 В, который использует 10 А для той же номинальной мощности:
Следующее ваше рассмотрение заключается в том, как складываются различные коэффициенты полезного действия — для каждой части силовой передачи будет какой-то оптимальный способ построения каждой детали, обеспечивающий наилучшую эффективность по цене. Например, если вы выбрали опцию 10 В, вам нужно много больших тяжелых проводов (или шин), чтобы выдержать 100 А, тогда как 10 А будут счастливо течь по довольно тонким маленьким проводам.
Однако, может быть, сложнее построить блок управления / зарядное устройство, которое работает при 100 В, чем при 10 В (для обычного пользователя это, безусловно, безопаснее, если нет высоких напряжений, при которых они могут сунуть пальцы).
Таким образом, необходимо выполнить жонглирование, чтобы выяснить, как система складывается — на каждый ватт мощности, который вы вкладываете, сколько полезной энергии вы можете получить на другом конце?
Это немного похоже на разницу между большим ленивым V8 и кричащим турбомотором , оба могут иметь одинаковую мощность, но каждый из них — это совершенно другой ответ на проблему.
Напряжение и ток являются важными составляющими мощности, а также способностью выполнять работу . Для выполнения работ с помощью прядильного оборудования требуется вращающая сила — крутящий момент . Скорость, с которой работа продолжается (вводить время) и измерение становится силой. Больше мощности — увеличьте либо ток, либо напряжение, либо оба.
Все, что вам нужно думать, это номинальная мощность и номинальное напряжение. Если применяемое напряжение высокое (должно быть в пределах диапазона напряжений), тогда он может потреблять меньший ток и меньший крутящий момент, которые действительно могут быть обнаружены по кривой скорость-крутящий момент для фиксированного напряжения.
Напряжение пропорционально скорости, а крутящий момент пропорционален току. Максимальный ток, который он может принять, — это номинальный ток, и соответствующий крутящий момент можно узнать по кривой крутящего момента скорости (как вы знаете скорость по напряжению (об / мин = k * v)), где k — это постоянная скорости двигателя).
Как определить мощность и ток электродвигателя
Все электрические двигатели выпускаются с табличками на корпусе, из которых можно узнать основные характеристики электродвигателя: его марку, потребляемый номинальный рабочий ток и мощность, частоту вращения, тип двигателя, КПД и cos(fi). Так же эти данные указаны в паспорте к устройству.
Из всех параметров наиболее важное значение для подключения имеют: мощность электродвигателя и потребляемый ток, не стоит его путать с пусковым. Именно эти данные позволяют нам определить достаточность мощности для привода, необходимое сечение кабеля для подключения мотора и подобрать подходящие по номиналу для защиты автомат и тепловое реле.
Но бывает, что нет паспорта или таблички и для определения этих величин необходимо будет сделать измерения. Как узнать мощность, рабочий ток и снизить пусковой, Вы узнаете далее из этой статьи.
Как определить мощность электродвигателя
Проще всего посмотреть на табличку и найти величину в киловаттах. Например, на картинке она равна 45 кВт.
Учтите, что эта величина на табличке указывает на потребляемую активную мощность из электросети. Полная же мощность будет равна сумме активной и реактивной мощности. Электрические счетчики в доме или гараже считают только расход активной электроэнергии, а учет реактивной энергии ведется только на предприятиях при помощи специальных счетчиков. Чем выше у электродвигателя cos(fi), тем меньше будет составляющая реактивной энергии в полной мощности. Не стоит путать cos(fi) с КПД. Этот показатель показывает сколько электроэнергии переводится в полезную механическую работу, а сколько в бесполезное тепло. Например, КПД равный 90 процентам, говорит о том, что десятая часть потребленной электроэнергии уходит на тепловые потери и трение в подшипниках.
Вы должны иметь ввиду, что в паспорте или на табличке указывается номинальная мощность, которая будет равна этому значению только при условии достижения оптимальной нагрузки на вал. При чем перегружать не стоит вал по целому ряду причин, лучше выбрать по мощнее мотор. На холостом ходу величина тока будет гораздо ниже номинала.
Как же определить номинальную мощность электродвигателя? В интернете Вы найдете много различных формул и расчетов. Для некоторых необходимо помереть размеры статора, для других формул понадобится знать величину тока, КПД и cos(fi). Мой совет не заморачивайтесь со всем этим. Лучше этих расчетов все равно будут практические измерения. И для их проведения ничего не понадобится вообще.
Как определить мощность любого электроприбора в доме или гараже? Конечно с помощью счетчика электроэнергии. Перед началом измерения отключите все электроприборы из розеток, освещение и все то, что подключено от электрощита.
Далее если у Вас электронный счетчик типа Меркурий, все очень просто надо включить мотор под нагрузкой и погонять минут 5. На электронном табло должна высветится величина нагрузки в кВт, подключенная к счетчику в данный момент.
Если же у вас дисковый индукционный счетчик учитывайте, что он учет ведет в киловатт/часах. Запишите перед началом измерений последние показатели, включайте двигатель строго секунда в секунду ровно на 10 минут, затем после остановки отнимите новые показания от предыдущих и умножайте кВтч на 6. Полученный результат и будет активной мощностью данного двигателя в Киловаттах, для перевода в Ватты разделите на 1000. Рекомендую прочитать статью: как снимать показания электросчетчика.
Если двигатель маломощный, тогда для более высокой точности можно посчитать обороты диска. Например, за одну минуту он сделал 10 полных оборотов, а на счетчике написано 1200 оборотов= 1 кВт/ч. 10 умножаем на количество минут в часе и получаем 600 оборотов за час. 1200 делим на 600 и получаем 500 Ватт или 0.5 кВт. Чем дольше по времени будете измерять, тем точнее будут данные. Но время всегда должно быть кратно полной минуте. Затем делим 60 на количество минут измерения и умножаем на сосчитанные обороты. После этого величину оборотов, равных одному Киловатт/часу для вашей модели электросчетчика делим на полученный результат и получаем необходимую величину мощности.
Как определить потребляемый ток электродвигателя
Зная мощность, легко можно высчитать величину потребляемого тока. Для 3 фазных двигателей, подключенных по схеме звезда на 380 Вольт, необходимо умножить мощность в киловаттах на 2. Например, при мощности 5 киловатт ток будет равен 10 Ампер. Опять же учитывайте, что такой ток мотор будет брать только под нагрузкой максимально близкой к номиналу. Полунагруженный электродвигатель и тем более на холостом ходу будет потреблять значительно меньший ток.
Для определения тока в однофазных сетях, необходимо мощность разделить на напряжение. Например, при работе двигателя напряжение в месте его подключения равно 230 Вольт. Это важно так, как после включения нагрузки напряжение скорее всего понизится в месте подключения электродвигателя.
Если например, мощность мотора на 220 Вольт по измерениям оказалась равной 1.5 кВт или 1500 Ватт. Делим 1500 на 230 Вольт и получаем, что рабочий ток двигателя приблизительно равен 6.5 Ампер.
Пусковой ток электродвигателя
При запуске любого типа электродвигателя возникает пусковой ток от 2 до 8 кратного значению номинального тока в рабочем режиме электродвигателя. Величина пускового тока зависит от типа двигателя, скорости вращения, схемы подключения, наличие нагрузки на валу и от других параметров.
Пусковой ток возникает, потому что в момент запуска наводится очень сильное магнитное поле в обмотках необходимое, что бы сдвинуть с места и раскрутить ротор. При включении мотора сопротивление обмоток мало, а следовательно по закону Ома, ток вырастает при неизменном напряжении в участке цепи. По мере того как двигатель раскручивается, возникает в обмотках ЭДС или индуктивное сопротивление и ток начинает уменьшаться до номинального значения.
Эти всплески реактивной энергии негативно сказываются на работе других электропотребителей, подключенных к этой же линии электропитания, что служит причиной возникновения особенно губительных для электроники скачков или перепадов напряжения.
Снизить вдвое пусковой ток можно при использовании специально разработанного для этих целей тиристорного блока, а лучше при помощи устройства плавного запуска (УПЗ). УПЗ с меньшим пусковым током и быстрее в полтора раза запускает мотор по сравнению с тиристорным запуском. 
Устройства плавного запуска подходят как к синхронным, так и к асинхронным двигателям. УПЗ выпускаются предприятиями Украины и России.
Для запуска трехфазного асинхронного двигателя сегодня нередко используются и преобразователя частоты. Широкое их распространение пока сдерживает только цена. Благодаря изменению величин частоты тока и напряжения удается не только сделать плавный запуск, но и регулировать скорость вращения ротора. По другому как только изменением частоты электрического тока, регулировать скорость вращения асинхронного двигателя нет возможности. Но следует знать, что частотный преобразователь создает помехи в электросети, поэтому для подключения электроники и бытовой техники используйте сетевой фильтр.
Использование устройства плавного запуска и частотного преобразователя позволяет не только сохранить стабильность электропитания у Вас и Ваших соседей, подключенных к одной линии электроснабжения, но и продлить срок службы электродвигателей.
Устройство электродвигателя и принцип .
Cхема и принцип работы электродвигателя .
Как проверить электродвигатель .
Подбор электродвигателя по параметрам
