Em eletromecânica, existem muitos acionamentos que operam com cargas constantes sem alterar a velocidade de rotação. São utilizados em equipamentos industriais e domésticos como ventiladores, compressores e outros. Se as características nominais forem desconhecidas, a fórmula para a potência do motor elétrico é usada para cálculos. Os cálculos de parâmetros são especialmente relevantes para acionamentos novos e pouco conhecidos. O cálculo é realizado usando coeficientes especiais, bem como com base na experiência acumulada com mecanismos semelhantes. Os dados são essenciais para o correto funcionamento das instalações elétricas.
O que é um motor elétrico?
Um motor elétrico é um dispositivo que converte energia elétrica em energia mecânica. O funcionamento da maioria das unidades depende da interação do campo magnéticocampos com o enrolamento do rotor, que é expresso em sua rotação. Eles operam a partir de fontes de alimentação DC ou AC. A fonte de alimentação pode ser uma bateria, um inversor ou uma tomada elétrica. Em alguns casos, o motor funciona ao contrário, ou seja, converte energia mecânica em energia elétrica. Tais instalações são amplamente utilizadas em usinas de energia movidas a ar ou fluxo de água.
Os motores elétricos são classificados de acordo com o tipo de fonte de alimentação, projeto interno, aplicação e potência. Além disso, os inversores de frequência podem ter escovas especiais. Eles operam em tensão monofásica, bifásica ou trifásica, são resfriados a ar ou líquido. Fórmula de potência do motor CA
P=U x I, onde P é potência, U é tensão, I é corrente.
Os acionamentos de uso geral com seu tamanho e características são usados na indústria. Os maiores motores com capacidade superior a 100 megawatts são usados nas usinas de energia de navios, compressores e estações de bombeamento. Tamanhos menores são usados em eletrodomésticos como aspirador de pó ou ventilador.
Projeto de motor elétrico
Drive inclui:
- Rotor.
- Estator.
- Rolamentos.
- Espaço aéreo.
- Enrolamento.
- Chave.
Rotor é a única parte móvel do inversor que gira em torno de seu próprio eixo. Corrente que passa pelos condutoresforma uma perturbação indutiva no enrolamento. O campo magnético gerado interage com os ímãs permanentes do estator, que colocam o eixo em movimento. São calculados de acordo com a fórmula da potência do motor elétrico por corrente, para a qual são tomados o rendimento e o fator de potência, incluindo todas as características dinâmicas do eixo.
Os rolamentos estão localizados no eixo do rotor e contribuem para sua rotação em torno de seu eixo. A parte externa eles estão presos à carcaça do motor. O eixo passa por eles e sai. Como a carga ultrapassa a área de trabalho dos rolamentos, ela é chamada de saliência.
O estator é um elemento fixo do circuito eletromagnético do motor. Pode incluir enrolamento ou ímãs permanentes. O núcleo do estator é feito de placas de metal finas, que são chamadas de pacote de armadura. Ele foi projetado para reduzir a perda de energia, o que geralmente acontece com hastes sólidas.
Air gap é a distância entre o rotor e o estator. Uma pequena folga é eficaz, pois afeta o baixo coeficiente de operação do motor elétrico. A corrente de magnetização aumenta com o tamanho do intervalo. Portanto, eles sempre tentam torná-lo mínimo, mas dentro de limites razoáveis. Uma distância muito pequena causa atrito e afrouxamento dos elementos de travamento.
O enrolamento consiste em fio de cobre montado em uma bobina. Geralmente colocado em torno de um núcleo magnetizado macio, consistindo de várias camadas de metal. A perturbação do campo de indução ocorre no momentocorrente que passa pelos fios do enrolamento. Neste ponto, a unidade entra no modo de configuração de pólo explícito e implícito. No primeiro caso, o campo magnético da instalação cria um enrolamento em torno da peça polar. No segundo caso, as ranhuras da peça polar do rotor são dispersas no campo distribuído. O motor de pólo sombreado tem um enrolamento que suprime a perturbação magnética.
A chave é usada para alternar a tensão de entrada. Consiste em anéis de contato localizados no eixo e isolados uns dos outros. A corrente de armadura é aplicada às escovas de contato do comutador rotativo, o que leva a uma mudança na polaridade e faz com que o rotor gire de pólo a pólo. Se não houver tensão, o motor para de girar. As máquinas modernas são equipadas com eletrônicos adicionais que controlam o processo de rotação.
Princípio de funcionamento
De acordo com a lei de Arquimedes, a corrente no condutor cria um campo magnético no qual a força F1 atua. Se uma armação de metal for feita desse condutor e colocada no campo em um ângulo de 90°, as bordas sofrerão forças direcionadas na direção oposta uma em relação à outra. Eles criam um torque em torno do eixo, que começa a girá-lo. As bobinas de armadura fornecem torção constante. O campo é criado por ímãs elétricos ou permanentes. A primeira opção é feita na forma de um enrolamento de bobina em um núcleo de aço. Assim, a corrente de loop gera um campo de indução no enrolamento do eletroímã, que gera umforça.
Vamos considerar com mais detalhes a operação de motores assíncronos usando o exemplo de instalações com rotor de fase. Tais máquinas operam em corrente alternada com uma velocidade de armadura que não é igual à pulsação do campo magnético. Portanto, eles também são chamados de indutivos. O rotor é acionado pela interação da corrente elétrica nas bobinas com o campo magnético.
Quando não há tensão no enrolamento auxiliar, o dispositivo está em repouso. Assim que uma corrente elétrica aparece nos contatos do estator, uma constante de campo magnético no espaço é formada com uma ondulação de + F e -F. Pode ser representado pela seguinte fórmula:
pr=nrev=f1 × 60 ÷ p=n1
onde:
pr - o número de revoluções que o campo magnético faz na direção direta, rpm;
rev - número de voltas do campo na direção oposta, rpm;
f1 - frequência de ondulação da corrente elétrica, Hz;
p - número de pólos;
1 - RPM total.
Experimentando pulsações do campo magnético, o rotor recebe movimento inicial. Devido ao impacto não uniforme do fluxo, ele desenvolverá um torque. De acordo com a lei da indução, uma força eletromotriz é formada em um enrolamento em curto-circuito, o que gera uma corrente. Sua frequência é proporcional ao escorregamento do rotor. Devido à interação da corrente elétrica com um campo magnético, um torque de eixo é criado.
Existem três fórmulas para cálculos de desempenhopotência de um motor elétrico assíncrono. Por deslocamento de fase use
S=P ÷ cos (alfa), onde:
S é a potência aparente medida em Volt-Amps.
P - potência ativa em Watts.
alpha - mudança de fase.
A potência total refere-se ao indicador real, e a potência ativa é a calculada.
Tipos de motores elétricos
De acordo com a fonte de alimentação, os acionamentos são divididos naqueles que operam a partir de:
- DC.
- AC.
De acordo com o princípio de funcionamento, eles, por sua vez, são divididos em:
- Colecionador.
- Válvula.
- Assíncrono.
- Síncrono.
Motores de ventilação não pertencem a uma classe separada, pois seu dispositivo é uma variação do acionamento do coletor. Seu projeto inclui um conversor eletrônico e um sensor de posição do rotor. Normalmente eles são integrados junto com a placa de controle. Às suas custas, ocorre a comutação coordenada da armadura.
Motores síncronos e assíncronos funcionam exclusivamente em corrente alternada. A rotação é controlada por eletrônica sofisticada. Assíncronas são divididas em:
- Trifásico.
- Duas fases.
- Monofásico.
Fórmula teórica para a potência de um motor elétrico trifásico quando conectado a uma estrela ou delta
P=3Uf If cos(alpha).
No entanto, para tensão e corrente linear, fica assim
P=1, 73 × Uf × If × cos(alfa).
Este será um indicador real de quanta energiao motor pega da rede.
Síncrono subdividido em:
- Passo.
- Híbrido.
- Indutor.
- Histerese.
- Reativo.
Motores de passo possuem ímãs permanentes em seu design, portanto, não são classificados como uma categoria separada. A operação dos mecanismos é controlada usando conversores de frequência. Existem também motores universais que operam em CA e CC.
Características gerais dos motores
Todos os motores possuem parâmetros comuns que são usados na fórmula para determinar a potência de um motor elétrico. Com base neles, você pode calcular as propriedades da máquina. Na literatura diferente, eles podem ser chamados de forma diferente, mas eles significam a mesma coisa. A lista de tais parâmetros inclui:
- Torque.
- Potência do motor.
- Eficiência.
- Número nominal de revoluções.
- Momento de inércia do rotor.
- Tensão nominal.
- Constante de tempo elétrica.
Os parâmetros acima são necessários, antes de tudo, para determinar a eficiência das instalações elétricas alimentadas pela força mecânica dos motores. Os valores calculados dão apenas uma ideia aproximada das características reais do produto. No entanto, esses indicadores são frequentemente usados na fórmula para a potência do motor elétrico. É ela quem determina a eficácia das máquinas.
Torque
Este termo tem vários sinônimos: momento de força, momento do motor, torque, torque. Todos eles são usados para denotar um indicador, embora do ponto de vista da física, esses conceitos nem sempre sejam idênticos.
Para unificar a terminologia, foram desenvolvidos padrões que trazem tudo para um único sistema. Portanto, na documentação técnica, a frase "torque" é sempre utilizada. É uma grandeza física vetorial, que é igual ao produto dos valores vetoriais de força e raio. O raio vetor é desenhado do eixo de rotação até o ponto de força aplicada. Do ponto de vista da física, a diferença entre torque e momento de rotação está no ponto de aplicação da força. No primeiro caso, este é um esforço interno, no segundo - externo. O valor é medido em metros newton. No entanto, a fórmula de potência do motor usa o torque como valor base.
É calculado como
M=F × r onde:
M - torque, Nm;
F - força aplicada, H;
r - raio, m.
Para calcular o torque nominal do atuador, use a fórmula
Mnom=30Rnom ÷ pi × nnom, onde:
Rnom - potência nominal do motor elétrico, W;
nnom - velocidade nominal, min-1.
Assim, a fórmula para a potência nominal do motor elétrico deve ficar assim:
Pnom=Mnom pinnom / 30.
Geralmente, todas as características são indicadas na especificação. Mas acontece que você tem que trabalhar com instalações completamente novas,informações sobre as quais são muito difíceis de encontrar. Para calcular os parâmetros técnicos de tais dispositivos, são obtidos os dados de seus análogos. Além disso, apenas as características nominais são sempre conhecidas, as quais são fornecidas na especificação. Os dados reais devem ser calculados por você mesmo.
Potência do motor
Em um sentido geral, este parâmetro é uma grandeza física escalar, que se expressa na taxa de consumo ou transformação da energia do sistema. Ele mostra quanto trabalho o mecanismo realizará em uma determinada unidade de tempo. Na engenharia elétrica, a característica exibe a potência mecânica útil no eixo central. Para indicar o indicador, utiliza-se a letra P ou W. A principal unidade de medida é o Watt. A fórmula geral para calcular a potência de um motor elétrico pode ser representada como:
P=dA ÷ dt onde:
A - trabalho mecânico (útil) (energia), J;
t - tempo decorrido, seg.
O trabalho mecânico também é uma grandeza física escalar, expressa pela ação de uma força sobre um objeto, e dependendo da direção e do deslocamento desse objeto. É o produto do vetor força pelo caminho:
dA=F × ds onde:
s - distância percorrida, m.
Exprime a distância que um ponto de força aplicada irá superar. Para movimentos rotacionais, é expresso como:
ds=r × d(teta), onde:
teta - ângulo de rotação, rad.
Desta forma você pode calcular a frequência angular de rotação do rotor:
ômega=d(teta) ÷ dt.
Depois segue a fórmula para a potência do motor elétrico no eixo: P \u003d M ×ômega.
Eficiência do motor elétrico
Eficiência é uma característica que reflete a eficiência do sistema ao converter energia em energia mecânica. É expresso como a razão entre a energia útil e a energia gasta. De acordo com o sistema unificado de unidades de medida, é designado como "eta" e é um valor adimensional, calculado em porcentagem. A fórmula para a eficiência de um motor elétrico em termos de potência:
eta=P2 ÷ P1 onde:
P1 - energia elétrica (fonte), W;
P2 - potência útil (mecânica), W;
Também pode ser expresso como:
eta=A ÷ Q × 100%, onde:
A - trabalho útil, J;
Q - energia gasta, J.
Mais frequentemente o coeficiente é calculado usando a fórmula para o consumo de energia de um motor elétrico, pois esses indicadores são sempre mais fáceis de medir.
A diminuição da eficiência do motor elétrico se deve a:
- Perdas elétricas. Isso ocorre como resultado do aquecimento dos condutores pela passagem da corrente por eles.
- Perda magnética. Devido à magnetização excessiva do núcleo, aparecem histerese e correntes parasitas, o que é importante levar em consideração na fórmula de potência do motor.
- Perda mecânica. Eles estão relacionados ao atrito e ventilação.
- Perdas adicionais. Eles aparecem devido aos harmônicos do campo magnético, uma vez que o estator e o rotor são dentados. Também no enrolamento existem harmônicos mais altos da força magnetomotriz.
Deve-se notar que a eficiência é um dos componentes mais importantesfórmulas para calcular a potência de um motor elétrico, pois permite obter números mais próximos da realidade. Em média, esse número varia de 10% a 99%. Depende do design do mecanismo.
Número nominal de revoluções
Outro indicador chave das características eletromecânicas do motor é a velocidade do eixo. É expresso em rotações por minuto. Muitas vezes é usado na fórmula de potência do motor da bomba para descobrir seu desempenho. Mas deve-se lembrar que o indicador é sempre diferente para marcha lenta e trabalho sob carga. O indicador representa um valor físico igual ao número de revoluções completas por um determinado período de tempo.
Fórmula de cálculo de RPM:
n=30 × ômega ÷ pi onde:
n - rotação do motor, rpm.
Para encontrar a potência do motor elétrico de acordo com a fórmula da velocidade do eixo, é necessário trazê-la para o cálculo da velocidade angular. Então P=M × ômega ficaria assim:
P=M × (2pi × n ÷ 60)=M × (n ÷ 9, 55) onde
t=60 segundos.
Momento de inércia
Este indicador é uma quantidade física escalar que reflete uma medida da inércia do movimento rotacional em torno de seu próprio eixo. Neste caso, a massa do corpo é o valor de sua inércia durante o movimento de translação. A principal característica do parâmetro é expressa pela distribuição das massas do corpo, que é igual à soma dos produtos do quadrado da distância do eixo ao ponto base e as massas do objeto.medida é denotada como kg m2 e é calculada pela fórmula:
J=∑ r2 × dm onde
J - momento de inércia, kg m2;
m - massa do objeto, kg.
Momentos de inércia e forças são relacionados pela relação:
M - J × épsilon, onde
epsilon - aceleração angular, s-2.
O indicador é calculado como:
epsilon=d(ômega) × dt.
Assim, conhecendo a massa e o raio do rotor, pode-se calcular os parâmetros de desempenho dos mecanismos. A fórmula de potência do motor inclui todas essas características.
Tensão nominal
Também é chamado de nominal. Representa a tensão de base, representada por um conjunto padrão de tensões, que é determinado pelo grau de isolamento dos equipamentos elétricos e da rede. Na realidade, pode diferir em diferentes pontos do equipamento, mas não deve exceder as condições máximas de operação permitidas, projetadas para operação contínua dos mecanismos.
Para instalações convencionais, entende-se por tensão nominal os valores calculados para os quais são fornecidos pelo desenvolvedor em operação normal. A lista de tensão de rede padrão é fornecida no GOST. Esses parâmetros são sempre descritos nas especificações técnicas dos mecanismos. Para calcular o desempenho, use a fórmula da potência do motor elétrico por corrente:
P=U × I.
Constante de tempo elétrica
Representa o tempo necessário para atingir o nível atual até 63% após energizar oenrolamentos de acionamento. O parâmetro se deve a processos transitórios de características eletromecânicas, pois são fugazes devido à grande resistência ativa. A fórmula geral para calcular a constante de tempo é:
te=L ÷ R.
No entanto, a constante de tempo eletromecânica tm é sempre maior que a constante de tempo eletromagnética te. o rotor acelera na velocidade zero para a marcha lenta máxima. Neste caso, a equação assume a forma
M=Mst + J × (d(omega) ÷ dt), onde
Mst=0.
Daqui temos a fórmula:
M=J × (d(ômega) ÷ dt).
Na verdade, a constante de tempo eletromecânica é calculada a partir do torque de partida - Mp. Um mecanismo operando em condições ideais com características retilíneas terá a fórmula:
M=Mp × (1 - ômega ÷ ômega0), onde
omega0 - marcha lenta.
Esses cálculos são usados na fórmula de potência do motor da bomba quando o curso do pistão depende diretamente da velocidade do eixo.
Fórmulas básicas para calcular a potência do motor
Para calcular as características reais dos mecanismos, você sempre precisa levar em consideração muitos parâmetros. antes de tudo, você precisa saber qual corrente é fornecida aos enrolamentos do motor: direta ou alternada. O princípio de seu trabalho é diferente, portanto, o método de cálculo é diferente. Se a visão simplificada do cálculo da potência do drive for assim:
Pel=U × I onde
I - intensidade da corrente, A;
U - tensão, V;
Pel - energia elétrica fornecida. Ter.
Na fórmula de potência do motor CA, o deslocamento de fase (alfa) também deve ser levado em consideração. Assim, os cálculos para uma unidade assíncrona se parecem com:
Pel=U × I × cos(alpha).
Além da energia ativa (fornecimento), há também:
- S - reativo, VA. S=P ÷ cos(alfa).
- Q - cheio, VA. Q=I × U × sin(alfa).
Os cálculos também precisam levar em consideração as perdas térmicas e indutivas, bem como o atrito. Portanto, um modelo de fórmula simplificado para um motor CC se parece com isso:
Pel=Pmech + Rtep + Rind + Rtr, onde
Рmeh - energia útil gerada, W;
Rtep - perda de calor, W;
Casta - custo da carga na bobina de indução, W;
RT - perda por atrito, W.
Conclusão
Os motores elétricos são usados em quase todas as áreas da vida humana: na vida cotidiana, na produção. Para o uso correto do drive, é necessário conhecer não apenas suas características nominais, mas também as reais. Isso aumentará sua eficiência e reduzirá custos.
