V tomto článku se budeme věnovat tématu mechanických a elektrických charakteristik elektromotorů. Na příkladu asynchronního motoru budeme uvažovat takové parametry, jako je výkon, práce, účinnost, kosinus fí, točivý moment, úhlová rychlost, lineární rychlost a frekvence. Všechny tyto vlastnosti jsou důležité při navrhování zařízení, ve kterých elektromotory slouží jako pohony.
Mechanické charakteristiky elektromotoru představují závislost úhlové rychlosti ω na kroutícím momentu, který vyvine na hřídeli, tzn. co = f (M). Existují přirozené a umělé mechanické vlastnosti elektromotoru.
Přirozená mechanická charakteristika odpovídá provozu elektromotoru se jmenovitými parametry při normálním spínacím obvodu. Umělá mechanická charakteristika odpovídá provozu elektromotoru s parametry odlišnými od jmenovitých, například při zavádění odporu, změně napájecího napětí, frekvence atd.
Mechanické vlastnosti elektromotorů: 1 – absolutně tvrdá charakteristika, 2 – tvrdá charakteristika, 3 – měkká mechanická charakteristika
Asynchronní elektromotory jsou dnes rozšířeny především v průmyslu, proto se zaměříme na jejich vlastnosti.
Přirozená mechanická charakteristika indukčního motoru
Zvažte například AIR80V2U3.
Jmenovitý mechanický výkon asynchronního elektromotoru
Typový štítek (typový štítek) elektromotoru vždy udává jmenovitý mechanický výkon na hřídeli tohoto motoru. Nejedná se o elektrický výkon, který tento elektromotor odebírá ze sítě.
Takže například pro motor AIR80V2U3 výkon 2200 wattů přesně odpovídá mechanickému výkonu na hřídeli. To znamená, že v optimálním provozním režimu je tento motor schopen vykonat mechanickou práci 2200 joulů každou sekundu. Označme tento výkon jako P1 = 2200 W.
Jmenovitý činný elektrický výkon asynchronního elektromotoru
Pro stanovení jmenovitého činného elektrického výkonu asynchronního elektromotoru na základě údajů na typovém štítku je nutné vzít v úvahu účinnost. Účinnost tohoto elektromotoru je tedy 83 %.
Co to znamená? To znamená, že pouze část činného výkonu dodávaného ze sítě do statorových vinutí motoru a nevratně spotřebovaného motorem se přeměňuje na mechanický výkon na hřídeli. Činný výkon se rovná P = P1/účinnost. Pro náš příklad z uvedeného typového štítku vidíme, že P1 = 2200, účinnost = 83 %. To znamená P = 2200/0,83 = 2650 W.
Jmenovitý zdánlivý elektrický výkon asynchronního elektromotoru
Celkový elektrický výkon dodávaný do statoru elektromotoru ze sítě je vždy větší než mechanický výkon na hřídeli a větší než činný výkon nenávratně spotřebovaný elektromotorem.
Pro zjištění celkového výkonu stačí vydělit činný výkon kosinusem fí. Celkový výkon je tedy S = P/Cosφ. Pro náš příklad P = 2650 W, Cosφ = 0,87. Tedy celkový výkon S = 2650/0,87 = 3046 VA.
Jmenovitý jalový elektrický výkon asynchronního elektromotoru
Část celkového výkonu dodávaného do vinutí statoru asynchronního elektromotoru se vrací do sítě. Toto je jalový výkon Q.
Jalový výkon souvisí se zdánlivým výkonem prostřednictvím sinφ a souvisí s činným a zdánlivým výkonem prostřednictvím druhé odmocniny. Pro náš příklad:
Q = √( 3046 2 – 2650 2 ) = 1502 VAR
Jalový výkon Q se měří v VAR – v jalových voltampérech.
Nyní se podívejme na mechanické vlastnosti našeho asynchronního motoru: jmenovitý provozní moment na hřídeli, úhlová rychlost, lineární rychlost, rychlost rotoru a její vztah k frekvenci napájení motoru.
Otáčky rotoru asynchronního elektromotoru
Rychlost rotačního pohybu se v praxi často odhaduje podle rychlosti rotace, tedy počtu otáček hřídele motoru za minutu. Úhlová rychlost je vyjádřena v radiánech za sekundu (rad/s). Při odvozování vzorců a provádění výpočtů je výhodnější použít úhlovou rychlost, zatímco rychlost otáčení je výhodnější při praktickém posuzování rychlostních vlastností motorů.
Na typovém štítku vidíme, že při napájení střídavým proudem o frekvenci 50 Hz dělá rotor motoru 2870 otáček za minutu při jmenovitém zatížení, označme tuto frekvenci jako n1.
Co to znamená? Vzhledem k tomu, že magnetické pole ve vinutí statoru je vytvářeno střídavým proudem o frekvenci 50 Hz, pak pro motor s jedním párem pólů (což je AIR80V2U3) je „rotační“ frekvence magnetického pole synchronní frekvence n , se rovná 3000 otáčkám za minutu, což je shodné s 50 otáčkami za sekundu.
Protože je však motor asynchronní, je výskyt EMF a točivého momentu ve vinutí rotoru možný pouze tehdy, pokud existuje rozdíl mezi rychlostmi magnetického pole a rotoru. Tento rozdíl se nazývá skluz(y). Rotor se otáčí se zpožděním o velikost skluzu.
Hodnotu s lze určit vydělením rozdílu mezi synchronními a asynchronními frekvencemi synchronní frekvencí a vyjádřením této hodnoty v procentech:
s = ( ( n – n1 )/ n) *100 %
Pro náš příklad s = ( (3000 – 2870)/3000 ) *100 % = 4,3 %.
Úhlová rychlost asynchronního motoru
Úhlová rychlost ω je vyjádřena v radiánech za sekundu. K určení úhlové rychlosti stačí převést rychlost rotoru n1 na otáčky za sekundu (f) a vynásobit 2 Pi, protože jedna celá otáčka je 2 Pi nebo 2 * 3,14159 radiánů. U motoru AIR80V2U3 je asynchronní frekvence n1 2870 ot/min, což odpovídá 2870/60 = 47,833 ot/min.
Vynásobíme-li 2 Pi, máme: 47,833*2*3,14159 = 300,543 rad/s. Můžete to převést na stupně; k tomu nahraďte 2 stupňů místo 360 Pi, pak pro náš příklad získáte 360 * 47,833 = 17220 stupňů za sekundu. Takové výpočty se však obvykle provádějí v radiánech za sekundu. Proto je úhlová rychlost ω = 2*Pi*f, kde f = n1/60.
Lineární rychlost asynchronního elektromotoru
Lineární rychlost v se týká zařízení, na kterém je jako pohon nainstalován asynchronní motor. Pokud je tedy na hřídeli motoru instalována řemenice nebo řekněme smirkový kotouč o známém poloměru R, lze lineární rychlost bodu na okraji řemenice nebo kotouče nalézt podle vzorce:
Jmenovitý moment asynchronního motoru
Každý asynchronní elektromotor je charakterizován jmenovitým momentem Mn. Točivý moment M souvisí s mechanickou silou P1 prostřednictvím úhlové rychlosti takto:
Točivý moment nebo moment síly působící v určité vzdálenosti od středu otáčení se pro motor zachovává, a když se poloměr zvětšuje, síla se zmenšuje, a čím menší je poloměr, tím větší je síla, protože:
Takže čím větší je poloměr řemenice, tím menší síla působí na její okraj a největší síla působí přímo na hřídel elektromotoru.
Pro motor AIR80V2U3 uvedený jako příklad je výkon P1 roven 2200 W a frekvence n1 je rovna 2870 ot/min nebo f = 47,833 ot/min. Proto je úhlová rychlost 2*Pi*f, tj. 300,543 rad/s, a jmenovitý krouticí moment Mn je roven P1/(2*Pi*f). Mn = 2200/(2*3,14159*47,833) = 7,32 N*m.
Na základě údajů uvedených na typovém štítku asynchronního elektromotoru tak můžete zjistit všechny jeho hlavní elektrické a mechanické parametry.
Doufáme, že vám tento článek pomohl pochopit, jak spolu souvisí úhlová rychlost, frekvence, točivý moment, činný, čistý a zdánlivý výkon a také účinnost elektromotoru.
Pro zajištění spolehlivého provozu třífázových elektromotorů v případě přerušení jedné fáze doporučujeme provést řadu opatření. Více se o tom dozvíte v našem článku o opatřeních, která snižují možnost poškození vinutí třífázových motorů: Přerušení jedné fáze třífázového elektromotoru a jeho důsledky
Doufám, že vám byl tento článek užitečný. Podívejte se také na další články z kategorie Pomoc začínajícím elektrikářům, Elektromotory a jejich aplikace
Indukční motor přeměňuje elektrickou energii na mechanickou energii. Mechanické charakteristiky asynchronního motoru, elektromechanického a dalších obsahují informace, bez kterých není jeho správný provoz možný.
Tento design je poměrně široce používán v různých sférách lidského života. Bez nich je provoz obráběcích strojů, dopravníků, zdvihacích a přepravních strojů nemyslitelný. Motory s nízkým výkonem jsou široce používány v automatizaci.
Zařízení asynchronního stroje
Schematický návrh asynchronního stroje
Klasický asynchronní stroj se skládá ze 2 hlavních částí: rotoru (pohyblivý) a statoru (pevný). Statorové vinutí tvoří tři samostatné fáze. C1, C2 a C3 – označení začátku fází. C3, C4 a C5 jsou konce fází. Všechny jsou připojeny ke koncovému konektoru podle hvězdicového nebo trojúhelníkového obvodu, jak je znázorněno na obrázcích a, b, c. Obvod je vybrán s ohledem na údaje o výkonu motoru a síťové napětí.
Stator vytváří uvnitř elektromotoru magnetické pole, které se neustále otáčí.
Rotor se rozlišuje na klec nakrátko a fázi.
Při zkratu není rychlost otáčení nastavitelná. Design s ním je jednodušší a levnější. Jeho rozběhový moment je však ve srovnání se stroji s vinutým rotorem příliš malý. Zde je rychlost otáčení upravena kvůli možnosti zavedení dodatečného odporu.
Princip činnosti asynchronního stroje
Přivedením napětí na vinutí statoru lze v každé fázi pozorovat měnící se magnetické toky, které jsou vůči sobě posunuty o 120 stupňů. Celkový výsledný tok se otáčí a vytváří emf uvnitř vodičů rotoru.
Objevuje se tam proud, který v interakci s výsledným tokem vytváří rozběhový moment. To způsobí rotaci rotoru.
Dochází k prokluzu S, tj. rozdílu mezi frekvencí otáčení vlastního rotoru n2 a frekvencí magnetického pole statoru n1. Zpočátku je roven 1. Následně se frekvence zvyšuje, rozdíl n1 – n2 se zmenšuje. To vede ke snížení točivého momentu.
Na volnoběh je skluz minimální. Při zvýšení statického momentu dosáhne kritické hodnoty Scr. Překročení Scr vede k nestabilnímu provozu stroje.
Mechanické vlastnosti
Jako hlavní pomáhá provádět podrobnou analýzu provozu elektromotoru. Vyjadřuje přímou závislost rychlosti otáčení vlastního rotoru na elektromagnetickém momentu n=f(M).
Graf ukazuje, že v sekcích 1-3 stroj pracuje stabilně. 3-4 – bezprostřední segment nestabilní práce. Ideální volnoběžné otáčky odpovídají bodu 1.
Bod 2 – jmenovitý provozní režim. Bod 3 – rychlost otáčení dosáhla kritické hodnoty. Startovací moment Mstart – bod 4.
Naši čtenáři doporučují! Chcete-li ušetřit na účtech za elektřinu, naši čtenáři doporučují „Electricity Saving Box“. Měsíční platby budou o 30–50 % nižší, než byly před použitím spořiče. Odstraňuje jalovou složku ze sítě, což vede ke snížení zátěže a v důsledku toho i spotřeby proudu. Elektrické spotřebiče spotřebují méně elektřiny a sníží se náklady.
Existují technické metody pro výpočet a konstrukci mechanických charakteristik s přihlédnutím k údajům z pasu.
V počátečním bodě 1 n0=60f/p (p je počet pólových párů). Protože nn a Mn jsou přímo souřadnice bodu 2, vypočítá se jmenovitý moment pomocí vzorce Mn = 9,55*Рн/ nn, kde Рн je jmenovitý výkon. Hodnota nn je uvedena v pasu motoru. V bodě 3 Mkr=Mnλ. Startovací moment v bodě 4 Mstart=Mn*λstart (hodnoty λ, λstart – z pasu).
Takto konstruovaná mechanická charakteristika se nazývá přirozená. Změnou dalších parametrů můžete získat umělou mechanickou charakteristiku.
Získané výsledky umožňují analyzovat a sladit mechanické vlastnosti samotného motoru a pracovního mechanismu.
Elektromechanická charakteristika
Představuje závislost úhlové rychlosti otáčení na proudu statoru. Pomocí několika referenčních bodů můžete vytvořit elektromechanickou charakteristiku. Jmenovitý proud se vypočítá podle vzorce:
Proud naprázdno je 30-40% jmenovitého proudu.
Výpočtový vzorec pro kritický skluz:
Aktuální v počátečním okamžiku startu:
Všechny hodnoty odrážejí elektromechanickou charakteristiku.
Údaje o výkonu
Výkonové charakteristiky asynchronního elektromotoru jsou vztahem několika parametrů od užitečného výkonu P2. Patří mezi ně: otáčky vlastního rotoru n2, moment hřídele M, skluz S, statorový proud I1, příkon P, účiník COSφ a účinnost.
Navíc frekvence elektrického proudu a napětí se na rozdíl od zátěže nemění.
Výkonové charakteristiky asynchronního motoru se zpravidla vykreslují v rozsahu hodnot skluzu od 0 do hodnoty přesahující jmenovitou hodnotu o 10 %. Toto je oblast, kde stroj pracuje stabilně.
Otáčky rotoru n2 se snižují se zvyšujícím se zatížením hřídele. Tyto změny však nepřesahují 5 %. Proud I1 se zvyšuje, protože s následným zvýšením zátěže jeho aktivní složka převyšuje jalovou.
COSφ na volnoběh je malý. Ale pak to přibývá. Při zvýšeném zatížení se COSφ snižuje v důsledku rostoucí reaktance uvnitř vinutí rotoru.
Účinnost naprázdno je 0. S rostoucí zátěží je pozorován její prudký nárůst a následně pokles.
