Крутящий момент двигателя

Крутящий момент двигателя

Мощность и вращающий момент электродвигателя

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

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

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

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

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

Работа и мощность

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

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

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

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

Приведем единицы измерения к общему виду.

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

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

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

Как образуется вращающий момент и частота вращения?

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

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

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

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

Вращающий момент = константа х сила магнитного тока х ток ротора

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

Потребляемая мощность электродвигателя

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

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

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

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

Момент электродвигателя

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

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

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

Графическое представление вращающего момента электродвигателя изображено на рисунке.

Ниже приведены термины, используемые для характеристики вращающего момента электродвигателя переменного тока.

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

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

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

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

Влияние напряжения на крутящий момент электродвигателя

Крутящий момент электродвигателя является одним из важных параметров, определяющих его работоспособность и эффективность. Он характеризует силу, с которой электродвигатель способен вращать вал.

Одним из факторов, влияющих на крутящий момент электродвигателя, является напряжение, подаваемое на его обмотки. Увеличение напряжения приводит к повышению крутящего момента, а снижение – к его снижению. Такое влияние связано с тем, что при увеличении напряжения увеличивается электрическая сила тока, протекающего через обмотки, что в свою очередь приводит к усилению магнитного поля и большему вращающему моменту.

Однако следует отметить, что в некоторых случаях повышение напряжения может привести к перегрузке электродвигателя и, как следствие, его выходу из строя. Поэтому важно соблюдать рекомендации и указания производителя по максимально допустимым значениям напряжения для конкретного типа электродвигателя.

Кроме того, изменение напряжения может повлиять на диапазон скорости вращения электродвигателя. В некоторых случаях увеличение напряжения может привести к повышению скорости, а снижение – к снижению скорости вращения вала. Для некоторых приложений это может быть критическим параметром, поэтому регулировка напряжения может играть важную роль в настройке электродвигателя на определенные требования процесса.

В заключение, следует отметить, что влияние напряжения на крутящий момент электродвигателя является важным фактором, который необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации электродвигателей. Оно может иметь как положительное, так и негативное влияние на работу и эффективность системы, поэтому требуется тщательное исследование и оптимизация этого параметра.

Время пуска электрдвигателя

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

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

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

n = частота вращения электродвигателя при полной нагрузке

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

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

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

Мизб можно рассчитать по следующим формулам:

Число пусков электродвигателя в час

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

Обычно за количество пусков, которое может выполнить электродвигатель в час, отвечает поставщик электродвигателя. Например, Grundfos указывает максимальное число пусков в час в технических данных/.

В погоне за мощностью

Главная цель большинства разработчиков — достижение максимально возможной удельной мощности электродвигателя, измеряемой в кВт/кг. То есть ставится важная для многих систем электродвижения задача обеспечения высокой мощности электродвигателей при их минимальных массогабаритах. Наиболее популярный способ решения задачи – это наращивание мощности путём увеличения номинальных оборотов до нескольких десятков или даже сотен тысяч оборотов в минуту!

Однако по мере увеличения оборотов электродвигателя лавинообразно нарастают неприятные проблемы с подшипниками, механической прочностью ротора и высокочастотными потерями. Основные высокочастотные проблемы и ограничения связаны с так называемым «скин-эффектом» в обмотках, вихревыми токами Фуко в сердечнике и недостаточным быстродействием силовых ключей частотных преобразователей. Преодоление всех этих проблем приводит к существенному увеличению стоимости и технологической сложности электродвигателя.

Далее возникает вопрос: а что делать с двигателем, который крутится на бешеных оборотах? Ведь обороты, на которых требуется крутить, например, колесо или воздушный винт могут оказаться во много раз меньше!

Вращающая сила

Мы  выбрали совершенно другой подход для решения задачи обеспечения высоких силовых характеристик при сверхмалых массогабаритах электродвигателя. Дело в том, что колесо, насос или воздушный винт на самом деле приводится в движение не мощностью, а вращающей силой!

Немного теории: для тяговых электроприводов необходимо обеспечить требуемую вращающую силу, которую называют также моментом силы или крутящим моментом(М). В таких системах вращающая сила должна достигать максимальных значений, начиная со старта.

График зависимости мощности (P) и крутящего момента (M) от оборотов (n), где: Мном — номинальный крутящий момент (в режиме S1), Н·м; Ммакс — максимальный крутящий момент (в режиме S2), Н·м; Pном – номинальная мощность (в режиме S1), кВт; Pмакс – максимальная мощность (в режиме S2), кВт; N – номинальные обороты, об/мин

Из графика зависимости мощности синхронного электродвигателя от оборотов видно, что его мощность не является постоянной величиной, но в рабочем диапазоне оборотов линейно растёт по мере увеличения оборотов. Для точного определения мощности (P) электродвигателя в качестве его технической характеристики выбирается оптимальная точка на графике, которая определяет номинальную мощность (Pном) наноминальных оборотах (N).

В отличие от асинхронных, именно у синхронных электродвигателей с независимым возбуждением номинальный и максимальный крутящие моменты остаются постоянными во всём рабочем диапазоне оборотов. Постоянный номинальный крутящий момент — это одно из важнейших преимуществ синхронных электродвигателей и обеспечивается даже на минимальной мощности. На графике соответствующие крутящие моменты обозначены «Mном» и «Ммакс».

Формула зависимости мощности (P), крутящего момента (M) и оборотов (N) для многополюсного синхронного двигателя с независимым возбуждением выглядит достаточно просто:

P = kMN, где k – коэффициент, зависящий от количества пар полюсов синхронного электродвигателя.

Таким образом, увеличивая обороты синхронного электродвигателя или крутящий момент, можно пропорционально увеличивать его мощность, что, в свою очередь, приводит к пропорциональному росту удельной мощности.

Преобразование мощности в крутящий момент

Перед создателем любого тягового электропривода с применением высокооборотного электродвигателя возникает необходимость преобразования мощности в крутящий момент, сопровождающийся переходом от высоких оборотов к низким. Такое преобразование осуществляется с помощью механического редуктора.

Однако применение редуктора приводит к неизбежному увеличению сложности, масса-габаритов и стоимости электропривода на фоне снижения КПД, надёжности и рабочего ресурса. Если речь идёт о сервоприводе, то любой механический редуктор, кроме всего прочего, снижает точность позиционирования.

Кроме того, в реальных условиях увеличение номинальных оборотов электродвигателя приводит к уменьшению удельногокрутящего момента (M), который в системе СИ измеряется в Н·м/кг, а в метрической — кгс·м/кг. Если хочется получить минимальные массогабариты электродвигателя, то придётся выбирать между концепциями высокой удельной мощности за счёт высоких оборотов и высоким удельным крутящим моментом на малых или сверхмалых оборотах.

Вопрос-ответ

Как будет меняться крутящий момент электродвигателя при увеличении напряжения?

При увеличении напряжения крутящий момент электродвигателя будет меняться в соответствии с квадратом отношения напряжений.

Какой будет крутящий момент электродвигателя при пониженном напряжении?

При пониженном напряжении крутящий момент электродвигателя будет уменьшаться и может быть недостаточным для выполнения задачи.

Какое влияние на крутящий момент электродвигателя может оказывать изменение напряжения?

Изменение напряжения может приводить к изменению скорости вращения электродвигателя и, следовательно, к изменению крутящего момента, поскольку скорость вращения и крутящий момент электродвигателя связаны между собой