График момента электродвигателя: Основные характеристики асинхронных электродвигателей

Содержание

Вращающий момент электродвигателя — Знаешь как

В двигателях постоянного тока вращающий момент определяется выражением М ≡ ФI_я, т.е. он пропорционален потоку и току якоря. В асинхронном двигателе момент создается вращающимся потоком Ф и током ротора I₂. Он может быть выражен

М ≡ ФI₂ cos Ψ₂.

Следовательно, момент пропорционален потоку и активной слагающей тока ротора I₂ cos Ψ₂, так как только активная слагающая тока определяет мощность, а значит и момент.

На рис. 10-20 представлена схема включения короткозамкнутого двигателя. Если пустить двигатель, включив рубильник 1, то в первый момент пуска, когда п₂ = 0, a s = 1, наведенная в роторе 2 э. д. с. Е₂и пусковой ток I_2п максимальны. Однако, пусковой момент М_п не будет максимальным, а в 2—2,5 раза меньше максимального. Векторная диаграмма для цепи ротора (рис. 10-21), построенная подобно изображенной на рис. 9-9, показывает причину этого.

Рис 10-20. Схема включения короткозамкнутого асинхронного двигателя.

Обычно в роторе х₂ во много раз больше r₂и угол Ψ₂, на который ток I_2п отстает от э. д. с. Е₂ велик. Поэтому активная слагающая тока I_2п cos Ψ₂, а значит и пусковой момент М_п малы. В современных асинхронных двигателях М_п/М_п = 1 — 1,5, хотя I_2п/ I_н≈ 4,5—6,5.

Это же явление по другому объясняется на рис. 10-19 и 10-22.

Рис. 10-21. Векторная диаграмма в цепи ротора.

При описании принципа работы двигателя (рис. 10-19) было предположено, что ток I₂ совпадает по фазе с э. д. с. Е₂, т. е. что он активный (Ψ₂ = 0). На рис. 10-22 представлен момент пуска, когда направление э. д. с. в проводах ротора соответствует обозначенному на рис. 10-19, а ток показан отстающим от э. д. с. на угол Ψ₂. Тогда шесть проводов ротора (три под полюсом N и три под полюсом S) создают усилия, действующие в направлении вращения потока, а два провода вызывают противодействующие усилия. В результате этого вращающий момент будет тем меньше, чем больше сдвиг фаз между током I₂и э. д. с. E₂.

Рис. 10-22. Ток в роторе двигателя в момент пуска.

По мере увеличения скорости вращения ротора реактивное сопротивление обмотки ротора x₂s = x₂s уменьшается, а вместе с этим уменьшается угол Ψ₂, так как сопротивление r₂ ≈ const. Наступает такое положение (рис 10-21), когда при некотором скольжении s_м ≈ 0,1—0,15 реактивное сопротивление x₂s становится равным активному r₂, угол Ψ — 45° и э. д. с. E_2s уравновешивает два равных падения напряжения I₂r₂ и I₂x_2s.В это время активная слагающая тока I₂ cos Ψ₂ и вращающий момент М_мстановятся максимальными, несмотря на некоторое уменьшение тока I₂.

Обычно М_м/М_м = 1,8—2,5 и называется способностью к перегрузкe.

При дальнейшем разгоне ротора x_2s становится значительно меньшим, чем r₂, им можно пренебречь и считать ток ротора активным (I₂ ≈ I₂ cos Ψ₂). Так как E_2s = E₂s тоже продолжает уменьшаться, то вместе с током I₂ уменьшается и вращающий момент.

Максимальная скоростьn вращения будет при холостом ходе двигателя и тогда n₂ ≈ n₁, a s ≈ 0. Зависимость вращающего момента от скольжения М = f (s) представлена на рис. 10-23.

Рис. 10-23. Зависимость вращающего момента двигателя от скольжения.

Нормальная работа двигателя возможна только на участке кривой при скольжениях s от нуля до s_м, так как в этом случае при увеличении тормозного момента и значит s вращающий момент возрастает. На участке от s = s_м до s = 1 работа двигателя неустойчива. Номинальный момент М_нсоответствует обычно номинальному скольжению s_н = 1—6%.

Поток Ф пропорционален напряжению U₁, подводимому к трансформатору. Сказанное остается в силе и для асинхронного двигателя. Так как М ≡ ФI₂ cos Ψ₂, то можно написать, что

I₂ cos Ψ₂ ≡ E_2s ≡ Ф ≡ U₁

Отсюда можно сделать очень важный для асинхронных двигателей вывод

M ≡ U₁U₁ ≡U²₁

т. е. вращающий момент пропорционален квадрату подведенного к статору напряжения. Таким образом, падение напряжения в сети, например до 0,9 U_1н, вызовет уменьшение момента до 0,9 • 0,9 М_н = 0,81 М_ни нагруженный двигатель может остановиться. Указанным обстоятельством и объясняется, частично, нормирование падения напряжения в распределительных сетях, питающих асинхронные двигатели.

В практике потребителя часто интересует механическая характеристика двигателя

п₂ = f (М) при U₁ = const и f₁ = const. Для удобства пользования по осям откладывают (n₂/n₁)100% и (М/М_н)100%.

Рис. 10-24. Механическая характеристика двигателя.

Эта характеристика получается простым перестроением рис, 10-23 и показана на рис. 10-24, где рабочая часть обозначена сплошной линией. Кривая 1 для двигателей нормального исполнения показывает, что асинхронный двигатель обладает жесткой характеристикой скорости, подобно двигателю постоянного тока параллельного возбуждения. Асинхронный двигатель с фазным ротором для регулирования скорости вращения, например для крановых и подъемных устройств, имеет более мягкую характеристику (кривая 2).

РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Трехфазный ток I₁протекая в трехфазной обмотке статора, создает н. F₁, вращающуюся со скоростью п₁= (f₁•60)/p (рис. 10-4, 10-5). Трехфазный ток ротора I₂ создает в трехфазной обмотке ротора н. с. F₂вращающуюся вокруг ротора со скоростью п₃ = (f₁•60)/p . Сам ротор вращается в сто-

рону н. с. со скоростью n₂. Тогда скорость вращения н. с F₂ относительно статора равна:

п₂ + п₃ = п₂ +(f₂• 60)/p = n2 + (f₁s • 60)/p = n₂ + n₁s = n₂ + n₁((n₁ — n₂)/n₁) = n₁

Таким образом, обе н. с. F₁и F₂ вращаются с одной скоростью n₁, друг относительно друга неподвижны и создают сообща вращающийся магнитный поток Ф. Следовательно, все приведенное на рис. 9-8 и 9-9 справедливо и для асинхронного двигателя.

Следует отметить, что благодаря воздушному зазору между ротором и статором ток холостого хода (рис. 9-7) двигателя очень велик (20—40)% I_1Н. Поэтому для улучшения cos φ₁ сети двигатель необходимо нагружать полностью.

Статья на тему Вращающий момент электродвигателя

Зависимость момента шагового двигателя от скорости

Момент, создаваемый шаговым двигателем, зависит от скорости, тока в обмотках и схемы драйвера. На рис. 1а
показана
зависимость момента от угла поворота ротора.

Рис. 1. Возникновение мертвых зон в результате действия трения

У идеального шагового двигателя эта зависимость синусоидальная. Точки S являются положениями равновесия
ротора для
негруженного двигателя и соответствуют нескольким последовательным шагам. Если к валу двигателя приложить
внешний
момент, меньший момента удержания, то угловое положение ротора изменится на некоторый угол Ф.

Ф = (N/(2*pi))*sin(Ta/Th),
где Ф – угловое смещение,
N – количество шагов двигателя на оборот,
Ta – внешний приложенный момент,
Th – момент удержания.

Угловое смещение Ф является ошибкой позиционирования нагруженного двигателя. Если к валу двигателя приложить
момент,
превышающий момент удержания, то под действием этого момента вал провернется. В таком режиме положение
ротора является
неконтролируемым.

На практике всегда имеется приложенный к двигателю внешний момент, хотя бы потому, что двигателю приходится
преодолевать трение. Силы трения могут быть расделены на две категории: статическое трение или трение покоя,
для
преодоления которого требуется постоянный момент и динамическое трение или вязкое трение, которое зависит от
скорости.
Рассмотрим статическое трение. Предположим, что для его преодоления требуется момент в половину от пикового.
На рис.
1а штриховыми линиями показан момент трения. Таким образом, для вращения ротора остается только момент,
лежащий на
графике за пределами штриховых линий. Отсюда следуют два вывода: трение снижает момент на валу двигателя и
появляются
мертвые зоны вокруг каждого положения равновесия ротора (рис. 1б):

d = 2 (S / (pi/2)) arcsin(Tf /Th) = (S / (pi/4)) arcsin(Tf / Th),
где d – ширина мертвой зоны в радианах,
S – угол шага в радианах,
Tf – момент трения,
Th – момент удержания.

Мертвые зоны ограничивают точность позиционирования. Например, наличие статического трения в половину от
пикового
момента двигателя с шагом 90 град. вызовет наличие мертвых зон в 60 град. Это означает, что шаг двигателя
может
колебаться от 30 до 150 град., в зависимости от того, в какой точке мертвой зоны остановится ротор после
очередного
шага.

Наличие мертвых зон является очень важным для микрошагового режима. Если, например, имеются мертвые зоны
величиной d,
то микрошаг величиной менее d вообще не сдвинет ротор с места. Поэтому для систем с использованием
микрошагов очень
важно минимизировать трение покоя.

Когда двигатель работает под нагрузкой, всегда существует некоторый сдвиг между угловым положением ротора и
ориентацией магнитного поля статора. Особенно неблагоприятной
является ситуация, когда двигатель начинает торможение и момент нагрузки реверсируется. Нужно отметить, что
запаздывание или опережение относится только к положению, но не к скорости. В любом случае, если
синхронность работы
двигателя не потеряна, это запаздывание или опережение не может превышать величины двух полных шагов. Это
весьма
приятный факт.

Каждый раз, когда шаговый двигатель осуществляет шаг, ротор поворачивается на S радиан. При этом
минимальный момент
имеет в место, когда ротор находится ровно между соседними положениями равновесия (рис. 2).

Рис. 2. Момент удержания и рабочий момент шагового двигателя.

Этот момент называют рабочим моментом, он означает, какой наибольший момент может преодолевать двигатель
при вращении
с малой скоростью. При синусоидальной зависимости момента от угла поворота ротора, этот момент Tr =
Th/(2^0.5). Если двигатель делает шаг с двумя запитанными обмотками, то рабочий момент равен
моменту
удержания для одной запитанной обмотки.

Параметры привода на основе шагового двигателя сильно зависят от характеристик нагрузки. Кроме трения,
реальная
нагрузка обладает инерцией. Инерция препятствует изменению скорости. Инерционная нагрузка требует от
двигателя больших
моментов на разгоне и торможении, ограничивая таким образом максимальное ускорение. С другой стороны,
увеличение
инерционности нагрузки увеличивает стабильность скорости.

Такой параметр шагового двигателя, как зависимость момента от скорости является важнейшим при выборе типа
двигателя,
выборе метода управления фазами и выборе схемы драйвера. При конструировании высокоскоростных драйверов
шаговых
двигателей нужно учитывать, что обмотки двигателя представляют собой индуктивность. Эта индуктивность
определяет время
нарастания и спада тока. Поэтому если к обмотке приложено напряжение прямоугольной формы, форма тока не
будет
прямоугольной. При низких скоростях (рис. 3а) время нарастания и спада тока не способно сильно повлиять на
момент,
однако на высоких скоростях момент падает. Связано это с тем, что на высоких скоростях ток в обмотках
двигателя не
успевает достигнуть номинального значения (рис. 3б).

Рис. 3. Форма тока в обмотках двигателя на разных скоростях работы.

Для того, чтобы момент падал как можно меньше, необходимо обеспечить высокую скорость нарастания тока в
обмотках
двигателя, что достигается применением специальных схем для их питания.

Поведение момента при увеличении частоты коммутации фаз примерно таково: начиная с некоторой частоты среза
момент
монотонно падает. Обычно для шагового двигателя приводятся две кривые зависимости момента от скорости (рис.
4).

Рис. 4. Зависимость момента от скорости.

Внутренняя кривая (кривая старта, или pull-in curve) показывает, при каком максимальном моменте трения для
данной
скорости шаговый двигатель способен тронуться. Эта кривая пересекает ось скоростей в точке, называемой
максимальной
частотой старта или частотой приемистости. Она определяет максимальную скорость, на которой ненагруженный
двигатель
может тронуться. На практике эта величина лежит в пределах 200 – 500 полных шагов в секунду. Инерционность
нагрузки
сильно влияет на вид внутренней кривой. Большая инерционность соответствует меньшей области под кривой. Эта
область
называется областью старта. Внешняя кривая (кривая разгона, или pull-out curve) показывает, при каком
максимальном
моменте трения для данной скорости шаговый двигатель способен поддерживать вращение без пропуска шагов. Эта
кривая
пересекает ось скоростей в точке, называемой максимальной частотой разгона. Она показывает максимальную
скорость для
данного двигателя без нагрузки. При измерении максимальной скорости нужно иметь в виду, что из-за явления
резонанса
момент равен нулю еще и на резонансной частоте. Область, которая лежит между кривыми, называется областью
разгона.

Выражения момента асинхронного электродвигателя

Эквивалентная схема асинхронного электродвигателя, рассмотренная в предыдущей статье, дает возможность получить выражение электромагнитного момента, который развивает асинхронный электродвигатель. Мощность, которая потребляется электрической машиной из сети, будет расходоваться не только на полезную работу, но и потери в контуре намагничивания и в обмотках.

Поэтому выражение мощности будет иметь вид:

На основании формулы (1) можно получить такое уравнение:

В свою очередь мощность электромагнитную можно выразить и таким способом:

Из выше перечисленных уравнений можем получить значение электромагнитного момента:

Помножив знаменатель и числитель этого выражения на S² и в целях упрощения вида уравнения примем значение Х_к = Х₁ + Х₂^/. Х_к – сопротивление индуктивное асинхронного электродвигателя при коротком замыкании:

Для упрощения записи, как в равенстве (5), индекс «эм» будет пропускаться.

Момент электромагнитный асинхронной машины представляет собой довольно сложную функцию скольжения S. Для того, чтоб найти максимум момента асинхронной машины приравняем производную S нулю:

Производная станет равна нулю только в том случае, если стоящий в скобках числителя множитель равен будет нулю:

Или же:

Откуда можно выразить скольжение:

S_кназывают критическим, так как при переходе S = S_кмомент двигателя уменьшится. Это происходит из-за того, что при увеличении роторного тока (S > S_к) его активная часть не вырастет, а наоборот, уменьшится, что в свою очередь приведет к снижению момента.

Если S_кположительно – это режим работы двигательный, а если отрицательный – генераторный.

В асинхронных машин большой мощности r₁ значительно меньше, чем Х_к, и, как правило, лежит в пределах r₁= 0,1 – 0,12Х_к. Поэтому величина r₁² существенно мала, по сравнению Х_к, и ею можно пренебречь без ущерба для точности:

Подставив положительные значения S_к (6) в выражение (5), найдем значение критического момента для двигательного режима:

Раскрыв скобки в знаменателе (8) и сократив дробь величине М_кд получим:

Для машин большой мощности для которых величиной r₁ можно пренебречь выражение (9) примет вид:

Аналогичным образом получается значение критического момента для генераторного режима:

Отношение моментов генераторного и двигательного режимов работы АД:

Поделив числитель и знаменатель на и обозначив соотношение выражение (12) примет вид:

Также ε можно еще выразить как:

Так как асинхронные электродвигатели обычно имеют r₁ ≈ r₂^/, то приближенно можем принять:

Из выражений (12) и (13) можно увидеть, что в генераторном режиме значение критического момента будет больше, чем в двигательном. Это объясняется влиянием падения напряжения в активном сопротивлении статорной обмотки.

Отношение момента электромагнитного, к его критическому значению в двигательном режиме М_дк = М_к, будет иметь вид:

Откуда выражаем:

Данное выражение представляет собой уточненное уравнение механической характеристики асинхронного электродвигателя.

Если принять, как это делалось выше, r₁ = 0, то тогда ε = 0 и взамен (15) получим упрощенное уравнение для механической характеристики:

М, выраженный формулами (5), (15) и (16), является функцией скольжения S. Задаваясь различными значениями скольжения S можно построить механическую характеристику асинхронной машины.

Ниже показана механическая характеристика построенная по формуле (15):

Для машин асинхронных трехфазных с короткозамкнутым ротором общего применение мощностью 0,6 – 100 кВт соотношение должны лежать в пределах 1,7 – 2,2; причем большее значение соответствует большей скорости вращения ротора 3000 об/мин, а меньшее — 750 об/мин. Для машин мощность свыше 100 кВт должны иметь λ_м = 1,7 – 1,8. Для крановых и металлургических:

Уравнения (15) и (16) имеют значительное преимущество перед уравнением (5) в том, что нет необходимости знать параметры обмоток асинхронной машины и можно вести расчет по каталожным данным электродвигателя.

Но в каталожных данных значение критического скольжения не приводится и их приходится определять из соотношений (15) и (16), используя значения перегрузочных способностей машин λ_м.

Записав уравнение механической характеристики для М_ном получим:

Использовав приближенное равенство ε ≈ S_к, получим:

Данное равенство можно представить в виде квадратного уравнения относительно S_к:

Решив его:

В электрических двигателях большой мощности ε ≈ 0 и уравнение для S_к будет иметь вид более простой:

В выражениях (17) и (18) перед корнем следует брать знак плюс, так как отрицательный знак соответствует нахождению точки S_ном, М_номна механической характеристике в зоне где S>S_к. Практического применения данный случай не имеет, поэтому второе решение отбрасывается.

Приведенные выше механические характеристики (5), (15), (16) справедливы только при оговоренных выше ограничениях. Асинхронные электродвигатели имеющие фазный ротор имеют характеристики достаточно точно описываемые данными уравнениями. В машинах с короткозамкнутым ротором имеется процесс вытеснения тока в стержнях ротора. Следствием чего становится непостоянство их параметров и механические характеристики могут значительно отличатся от построенных по формулам (5), (15), (16). Однако от этого данные формулы (особенно (15), (16)) не теряют своего значения, так как благодаря своей простоте они позволяют производить многие расчеты и делать общие заключения о работе асинхронных машин. В случаях когда необходима большая точность применяют экспериментально снятые или специально рассчитанные механические характеристики.

В качестве примера ниже показаны механические характеристики некоторых типов электродвигателей с КЗ ротором:

Построение нагрузочных диаграмм электроприводов по упрощенной методике

Как правило, нагрузочные диаграммы электропривода строятся на основании расчетов переходных режимов. Однако, если точность в определении длительности переходных процессов и характера изменения момента электродвигателя не имеет существенного значения, то нагрузочную диаграмму можно построить упрощенным методом. В этом случае действительное изменение тока или момента при пуске и торможении по экспоненциальным кривым заменяют прямоугольным графиком, то есть предполагают, что в переходных режимах ток и момент остаются неизменными и равными их среднему значению. Если статический момент постоянен, то при принятых допущениях ускорение электропривода в процессах торможения и разгона остается постоянным, а скорость будет изменяться по линейному закону.

Типичным примером такого электропривода может послужить шахтный подъемник с уравновешенным канатом. Шахтный подъемник может быть выполнен со шкивом трения или с барабаном для намотки каната. В случае со шкивом трения (рисунок ниже), канат не закрепляется и удерживается на шкиве исключительно силой трения.

Шкив трения обычно сочленяется непосредственно с валом электрической машины и поэтому скорость вращения последней выбирается равной расчетной скорости вращения шкива. Диаграмма изменения скорости вращения подъемника во времени за один цикл задается в соответствии с необходимой производительностью подъемника и допустимым ускорением. Выполнение данной диаграммы должно быть обеспечено системой управления электроприводом.

Для построения нагрузочной диаграммы электроприводы М = f(t) необходимо отдельно найти графики изменения статического и динамического моментов и просуммировать их. Так как веса канатов и клетей уравновешены, то величина статического момента, преодолеваемого электрической машиной, определяется лишь весом полезного груза и силами трения, которые принимаются равными 0,2 G_г:

Где: G_г – вес подымаемого груза, R_шт – радиус шкива трения.

При наличии уравновешенного каната, диаметр которого принимается равным диаметру основного каната, величина статического момента остается неизменной в течении всего промежутка работы t₁ + t₂ + t₃:

Динамический момент возникает лишь при изменении скорости, то есть на участках t₁и t₃. На участке t₁ в процессе разгона электродвигатель должен ускорять маховые массы. На участке t₃ наоборот, энергия, запасенная в маховых массах разряжается, тем самым помогает электрической машине преодолевать статическую нагрузку. Таким образом, на этом участке момент электродвигателя либо значительно уменьшается, либо становится отрицательным. Так как ускорение в процессе торможения и разгона принимается постоянным, то и величина динамического момента на участках t₁и t₃также будет постоянной.

Величину динамического момента можно определить, приведя все движущиеся массы либо к вращательному, либо к поступательному движению.

В первом случае:

Где: J – момент инерции системы, приведенный к угловой скорости вращения ω шкива трения и электродвигателя;

Во втором случае:

Где: m – приведенная масса всей системы, отнесенная к линейной скорости движения ν каната и клетей.

Момент инерции всей системы может определен по равенству:

Где: J_д – момент инерции шкива трения, J_шт — /—/ направляющего шкива, ω_шн – угловая скорость вращения направляющих шкивов, G – суммарный вес всех вращающихся поступательно частей, ν – скорость движения клетей.

J электродвигателя определяется по каталогу. Ориентировочное значение М_ном электрической машины можно определить по формуле 1, что в данном случае принято статическому моменту М_с на рабочем участке. Вследствие наличия пауз в рабочем цикле М_с больше среднего значения статического момента за весь цикл.

Соответственно номинальная мощность электрической машины может быть определена по формуле:

Момент инерции шкивов определяется по формуле:

В которой: m_ш – масса шкива, G_ш – вес шкива, ρ_ш – радиус инерции.

Приближенно можно принять:

Где R_ш – наружный радиус шкива.

При приведении к поступательному движению все массы должны быть отнесены к скорости вращения клетей. Если m_ш = G_ш/g – истинная масса шкива, то масса, отнесенная к наружному радиусу, то есть к окружной скорости шкива, будет равна:

График изменения момента электродвигателя может быть получен в результате суммирования динамических и статических моментов (рисунок 2 г). При торможении, в зависимости от соотношений М_с и М_дин момент электрической машины может быть как положительным, так и отрицательным. Если М_дин > М_с, то машина переходит в режим генератора (тормозной режим). При этом часть энергии будет либо отдаваться в сеть, либо расходоваться на тормозных резисторах.

На основе полученной нагрузочной диаграммы электродвигателя может быть получено эквивалентное значение момента электрической машины:

И произведена проверка выбранного предварительно электродвигателя по нагреву. Также машина должна быть проверена по перегрузочной способности. Необходимо, чтобы соблюдалось условие:

В случае, если , необходимо либо увеличение мощности электрической машины и выбор ее из условий допустимой перегрузки, либо изменение диаграммы скорости, что связано с уменьшением производительности подъемной машины.

К построению упрощенной нагрузочной диаграммы прибегают также и при расчете мощности электрической машины электропривода продольно-строгального станка. Для осуществления возвратно-поступательных движения стола электродвигатель продольно-строгального станка в крайних положениях реверсируется. Таким образом, рабочий цикл состоит из двух основных участков, соответствующих рабочему и обратному ходу. Статический момент М_с на большей части рабочего хода равен сумме М_с, определяемого процессом резания металла, и момента, обусловленного потерями в самом станке. На остальной части рабочего хода и при обратном ходе М_с = М_хх. Для повышения производительности станка его обратный ход, как правило, осуществляют с большей скоростью, чем рабочий ход. При этом возрастут потери, зависящие от скорости и момента холостого хода М_хх, который при обратном ходе оказывается больше, чем при рабочем.

График изменения скорости и М_с станка представлен ниже:

В случае использования электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения увеличения скорости при обратном ходе достигают путем ослабления магнитного потока машины. В таком случае при подсчете эквивалентного момента необходимо вносить правки.

Известно, что нагрев электродвигателя определяется графиком тока. Метод эквивалентного момента можно использовать лишь в случае, когда момент пропорционален току. В случае ослабления магнитного потока машины момент уже оказывается не пропорциональным току. Поэтому приходится перестраивать график и фактически переходить к графику тока, построенному в масштабе моментов. Ток при ослаблении потока возрастет согласно равенству:

Где: I^/ — действительное значение тока; I – ток, который имел бы место при номинальном значении магнитного потока; n^/ — скорость на данном участке при ослабленном магнитном потоке; n_осн — скорость при номинальном значении потока.

Соответственно необходимо перестроить и график моментов:

Фактическая диаграмма момента электродвигателя М_д и та же диаграмма после внесения поправок М_д^/, то есть фактически диаграмма тока, используемая для проверки электрической машины по нагреву, представлена на рисунке 3 в). Необходимо, чтобы соблюдалось условие:

Проверка на перегрузку должна исходить из предельного значения тока.

Выбор оптимального типоразмера электродвигателя

Правильное определение типоразмера является важным аспектом выбора электродвигателя. Если параметры привода окажутся ниже необходимых, управление нагрузкой будет невозможно, что может привести к перегрузкам. Превышение необходимых параметров также нежелательно. Нагрузку можно будет контролировать, но система окажется массивнее и дороже с точки зрения закупочной стоимости и эксплуатационных расходов. Кроме того, привод может не подойти по массогабаритным характеристикам, что также приведет к дополнительным тратам.

Ошибочный подход

Зачастую поставщики оборудования получают запросы на двигатели определенной мощности. Как правило, заказчик руководствуется простой логикой — выбирает тот же типоразмер, что и у двигателя, подлежащего замене, при этом добавляет значительный коэффициент запаса и использует соотношение нагрузки и инерции системы к инерции двигателя 10 : 1 или 5 : 1. Однако более разумным является подход, когда параметры двигателя подбираются в зависимости от скорости, ускорения и крутящего момента, необходимых для нагрузки в конкретных условиях эксплуатации. При этом выбор коэффициента запаса должен быть обоснованным и опираться на предварительные расчеты.

Типичной ошибкой является покупка электродвигателя с постоянным крутящим моментом, равным максимально необходимому моменту для соответствующей области применения. Управление ходом нередко заключается в управлении кратковременным ускорением. Выбирая двигатель, рассчитанный на постоянный крутящий момент, вы фактически платите за привод большего типоразмера, чем тот, который вам необходим.

Определение параметров двигателя

Для определения номинальных параметров электродвигателя необходимо рассчитать инерцию нагрузки. Отношение инерции нагрузки к инерции двигателя (фактически инерция ротора) служит показателем того, насколько эффективно может контролироваться нагрузка привода. При высоком отношении крутящего момента к моменту инерции с управлением нагрузкой будут возникать трудности. Низкое отношение (например, 4:1 или 1:1) указывает на превышение типоразмера двигателя.

Часто при выполнении расчетов инженеры учитывают значения фактической нагрузки редуктора и двигателя, но упускают из виду влияние на систему ремней, шкивов и других механических компонентов. Они либо просто подбирают более мощный двигатель следующего типоразмера, либо используют двигатель аналогичного типоразмера, но с более высоким крутящим моментом. В этом случае превышение типоразмера может достигать 10%.

Процесс выбора привода заключается в сборе данных и их последующем анализе. При этом необходимым условием является наличие сведений о механической системе, рабочих параметрах, режимах и условиях эксплуатации оборудования. Если эти данные не будут приняты во внимание, выбранный двигатель может оказаться непригодным для использования.

Основные параметры, которые необходимо учитывать при определении типоразмера:

максимальный пусковой момент

среднеквадратичный момент

максимальная скорость вращения

соотношение момента и скорости двигателя

Кроме того необходимо принимать во внимание режимы эксплуатации:

режим непрерывной нагрузки

режим переменной нагрузки

Разницу между этими режимами можно продемонстрировать на примере работы токарного станка. Главный привод станка эксплуатируется в режиме непрерывной нагрузки, поскольку работает с постоянной скоростью при постоянной нагрузке. Приводы подачи ускоряются и замедляются в целях обеспечения необходимой траектории хода инструмента (переменная нагрузка).

Напряжение, инерция, крутящий момент

Поскольку максимальная скорость двигателя зависит от напряжения питания, необходимо учитывать возможные падения напряжения в сети. Обычно номинальные параметры привода подбираются таким образом, чтобы обеспечить возможность его работы на максимальной скорости при 80%-ном напряжении питания. Если электропитание осуществляется от источника электроснабжения, чувствительного к кратковременному/длительному прекращению подачи энергии, необходимо позаботиться о защите двигателя, его контроллера и нагрузки. Особенно это касается микропроцессорных систем, которые при неправильной настройке могут без предупреждения вызывать блокировки или сбросы, приводящих к аварийным ситуациям.

В тех случаях, когда важны показатели ускорения, инерция двигателя должна быть сложена с инерцией отраженной нагрузки. Следует рассчитать крутящий момент, необходимый для ускорения этой суммарной инерции до необходимого уровня. Максимальный крутящий момент мотор-редуктора должен быть как минимум в 1,5-2 раза выше расчетного значения.

Кроме того, значение максимального крутящего момента нужно выбирать с запасом не менее 15% с учетом предполагаемого момента трения и ускорения, а также любой непрерывной нагрузки, возникающей во время ускорения. Если такой запас невозможно обеспечить, необходимо выбрать другой двигатель или редуктор с большим передаточным отношением.

Компоненты силовой передачи

Требования к механическим характеристикам двигателя должны быть определены на ранней стадии выбора типоразмера. Очень часто проектировщики не учитывают габаритные размеры и монтажное исполнение двигателя, что приводит к проблемам после его монтажа. Например, при установке двигателя в вертикальном положении могут потребоваться специальные подкладки.

Редукторы

Обычный зубчатый редуктор (цилиндрический, конический и проч.) включает в себя две и более передаточные ступени для изменения угловой скорости и крутящего момента между входным и выходным валами. Редуктор является важным инструментом управления инерцией, позволяя снижать ее значение на квадрат передаточного отношения. Обратный эффект работы редуктора — снижение скорости вращения двигателя. Правда, большинство электродвигателей вращаются со скоростью 2000 — 6000 об/мин, и это позволяет им работать на полезной скорости даже при использовании с редуктором, имеющим высокие передаточные числа.

В стандартных механических приводах обычно используются зубчатые редукторы с прямозубыми и косозубыми шестернями. Прямозубые зубчатые колеса создают минимальную осевую нагрузку, снижая проблемы с вращением подшипников. Косозубые шестерни широко используются в роботизированных системах, поскольку имеют увеличенную площадь контакта, обеспечивающую более высокий предельный крутящий момент. Их главный недостаток — повышенная осевая нагрузка.

Другие полезные материалы:
Выбор мотор-редуктора для буровой
Принципы программирования ПЛК

Какие моменты бывают у асинхронного электродвигателя?

В рамках современной теории асинхронных электрических машин применяют ряд терминов связанных с понятием момента. Часть этих терминов относится к моменту создаваемому на валу (на роторе) электродвигателя. Другая группа терминов определяет моменты создаваемые механической нагрузкой подключенной к валу электрического двигателя.

Эти термины определяют как сам момент развиваемый двигателем, так и различный состояния момента на выходном валу двигателя. Под состоянием подразумевается значение момента в кретических точках. Например номинальный момент или пусковой момент.

Вот перечень терминов, которые нам приходилось встречать в литературе:

Электромагнитный момент под которым понимают момент ротора двигателя возникающий при воздействии электромагнитного поля. Данный термин часто заменяют синонимами: вращающий момент или крутящий момент. На нашем сайте есть более полная статья про электромагнитный момент асинхронного двигателя.

Пусковой момент — это значение момента в момент трогания ротора. Данный момент в литературе часто называют моментом трогания или начальным пусковым моментом электродвигателя. Более полную информацию можно получить в материале про пусковой момент асинхронника.

Номинальный момент — значение момента создаваемое электромагинитным полем на валу двигателя при номинальных параметрах двигателя и номинальных внешинх условиях. Дополнительные сведения про термин номинальный момент можно получить в статье про асинхронные двигатели и их номинальный момент.

Под критическим моментом понимают наивысшее или максимльно возможное значение. В случае если момент нагрузки превысит величину критического момента, то двигатель остановится. Поэтому в литературе в качестве синонима встречается так же термин: максимальный вращающий момент электродвигателя переменного тока. Данный термин подробно рассмотрен в статье про критический момент асинхронного двигателя.

Тормозной момент — момент возникающий под действием электромагнитных сил на роторо асинхронного двигателя и противоположный по знаку вращающему моменту. Часто встречается в литературе термин синоним: тормозящий момент. Подробное обсуждение понятия тормозной момент асинхронного двигателя здесь.

Момент нагрузки, называемый еще и момент сопротивления — параметр относящийся к механической системе подключенной к валу асинхронного двигателя. Здесь более полный анализ термина момент сопротивления.

Другие статьи про момент электродвигателя на нашем сайте:

Нужно ли рассчитывать крутящий момент асинхронного двигателя?

Учебное пособие по крутящему моменту / кривой скорости двигателя постоянного тока

::: Видео и изображения

Кривые крутящего момента / скорости
1.1 Примеры из 2.007
1.2 Примеры мультимедиа
кривые мощности
2.1 Пример из 2.007

Кривые крутящего момента / скорости

Раздел 1.1 Примеры из 2.007

Кривая крутящего момента / скорости справа для зеленого maxon с редуктором D.C. мотор, использованный в курсе Массачусетского технологического института:
2.007 Проектирование и производство I.

(зеленый мотор maxon)

Примечание:
Кривая для мощности коробки передач.
На графике указаны единицы измерения крутящего момента в Н · м и оборотов в минуту для скорости вращения.
Скорость холостого хода, = 600 об / мин
крутящий момент, = 0,325 Н · м
максимальная выходная мощность, (P _макс = [31,416 рад / с * 0,163 Н · м] = 5.105 Вт) происходит при
= 300 об / мин, и = 0,163 Н · м
Единицы измерения должны быть согласованы во всех расчетах.

Вторая кривая крутящего момента / скорости, изображенная здесь, относится к серебристому двигателю maxon D.C., используемому в 2.007.

(серебристый мотор maxon)

Примечание:
Кривая относится к выходному валу двигателя (без редуктора).
На графике снова указаны единицы измерения крутящего момента в Н · м и оборотов в минуту для скорости вращения.
Скорость холостого хода, = 3750 об / мин
крутящий момент, = 0,0722 Н · м
максимальная выходная мощность (P _макс = [196,350 рад / с * 0,0361 Н · м] = 7,088 Вт) происходит при
= 1875 об / мин, и = 0,0361 Н · м
Единицы измерения должны быть согласованы во всех расчетах.

Эта кривая крутящего момента / скорости предназначена для червячного двигателя bosch D.C., используемого в 2.007.

(мотор червячной передачи bosch)

Примечание:
Кривая не является линейной из-за выхода червячной передачи
Кривая соответствует выходной мощности червячной передачи двигателя (выходной вал двигателя имеет специальную червячную передачу.
шестерня и водило).
На графике снова указаны единицы измерения крутящего момента в Н · м и оборотов в минуту для скорости вращения.
Скорость холостого хода, = 92 об / мин
тормозной момент, = 1,6 Н · м
максимальная выходная мощность (P _макс = [4,82 рад / с * 0,80 Н · м] = 3,85 Вт) все еще происходит примерно при
= 46 об / мин, и = 0,80 Н · м
Единицы измерения должны быть согласованы во всех расчетах.

Некоторые полезные преобразования единиц приведены ниже и в
Раздел «Крутящий момент» на странице «Характеристики».

Раздел 1.2 Примеры мультимедиа

Вот несколько изображений и видеоклипов умного устройства, созданного здесь, в Массачусетском технологическом институте, чтобы проиллюстрировать, как диаграмма крутящего момента / скорости представляет
характеристики реального двигателя.

Обязательно слушайте мотор во время воспроизведения видео.
Вы можете слышать напряжение мотора, когда он замедляется.

По мере того, как двигатель вращается, красные грузы отводятся от вала двигателя центробежным движением.
сила, которая тянет перо по оси скорости.Когда экспериментатор замедляет стержень рукой, веса перемещаются внутрь,
толкая перо влево. Между тем, к валу двигателя рукой человека прилагается крутящий момент, чтобы замедлить его.
вниз. Двигатель может вращаться, ограниченный пружиной, прикрепленной к области участка, и кабелем, который наматывается на
мотор. Из третьего закона Ньютона мы знаем, что каждое действие имеет равную и противоположную реакцию, поэтому двигатель вращается, как крутящий момент.
прикладывается, натягивая кабель и перемещая участок, чтобы нарисовать крутящий момент на вертикальной оси.Обязательно слушайте мотор как он есть
замедлился. Тенденция двигателя вращаться при замедлении вала такая же, как у электрической отвертки.
вращает винт. Вы должны крепко держать отвертку, чтобы она не вращалась в руке.

Quicktime Видео устройства при включении, набирает скорость, дважды останавливается и отключается.
(1,11 МБ)


1.В покое (без вращения).	2. На полной скорости (без нагрузки).

3. Загружен примерно на половину скорости.	4. Заглох (максимальный крутящий момент, без вращения).

Это видео представляет собой крупный план участка графика, когда кривая отслеживается машиной, как указано выше.
(0,744 МБ)


1. В состоянии покоя (без вращения).	2. На полной скорости (без нагрузки).

3. Загружен примерно на половину скорости.	4. Заглох (максимальный крутящий момент, без вращения).

Кривые мощности

Раздел 2.1 Пример из 2.007

Ниже приведена кривая мощности зеленого двигателя maxon, изображенная в разделе крутящий момент / скорость выше. Желтая параболическая кривая
представляет собой график зависимости мощности от скорости, а белая линейная кривая представляет собой график зависимости мощности от крутящего момента. Напомним, что сила — это продукт
крутящий момент и скорость вращения. Как видно из графика, мощность максимальна в точке кривой крутящего момента / скорости, где
крутящий момент и скорость равны половине их максимальных значений.

* Обратите внимание, что максимальная мощность достигается при половине скорости холостого хода и половине крутящего момента при остановке.

Некоторые полезные преобразования

английский

1 м = 100 см
1 м = 1000 мм
1 см = 10 мм

1 м = 3.280 футов
1 м = 39,370 дюймов
1 см = 0,394 дюйма

1 Н = 0,225 фунта-силы
1 Н = 3,597 унции
1 кН = 1000 Н

1 фут = 12 дюймов
1 дюйм = 0,0833 фута

1 фут = 0,305 м
1 дюйм = 2.540 см

1 фунт-сила = 4,448 Н
1 унция = 0,278 Н

1 Вт = 1 Н · м / с
1 кВт = 1000 Вт>

1 Вт = 1.341E-03 л.с.
1 Вт = 0,738 фут · фунт / с

1 кг = 2,205 фунта *
1 г = 2.205E-03 фунта *
1 г = 0,035 унции *

1 фут-фунт / с = 1,818E-03 л.с.
1 фут · фунт / с = 192 дюйм · фунт / с

1 фут · фунт / с = 1.2)

Подробную информацию о единицах можно найти на этом сайте:
http://www.unc.edu/~rowlett/units/index.html

Дом
вступление
Как они работают
Характеристики
ПРИМЕРЫ
Электродвигатели

— мощность и крутящий момент в зависимости от скорости

Движущая сила электродвигателя составляет крутящий момент — не мощность.

Крутящий момент — это крутящая сила, которая заставляет двигатель вращаться, а крутящий момент активен от 0% до 100% рабочей скорости.

Мощность, производимая двигателем, зависит от скорости двигателя и составляет

ноль при 0% скорости и
обычно на максимальной скорости при рабочей скорости

Примечание ! — полный крутящий момент с нулевой скорости является большим преимуществом для электромобилей.

Для полного стола — повернуть экран!

1000

_f футов)

26 10 14111

1,5

9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 126

158

9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011

9011 0 41

9010 901 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011

9011 0 142

9010 3710

9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9010

9 0110 210

9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011

9011 9011 9011 9011 9010 9011 9011 9011 7510 9011 9011 9011 9011

9010 25101 9011 9011 9011 9011 9011 9010 2510 9011 9011 9011 9010 2510 9011 9011

9010 2211

9010 3110 3110 2611

9010 31101 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011

201 9011 9011 9010 73010

9011 7011 9010 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 901 675

9010 866106

9011 9010 866106

9010 710 62011

9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011

11010 910 5310 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 7

9011 9011

9011 9011 9011 9011 9011

9011 901 901 901 901 901 901 9011 901 901

9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011

9010 913

9010 1239

Мощность		Скорость двигателя (об / мин)
		3450			2000			1750			1000			500
		500
9030 9030															9030 9030 9018 9030 9030 9018 9030	(фунт _на дюйм)	(фунт _на фут)	(Нм)	(фунт _на дюйм)	(Нм)	(фунт _f дюйм)	(фунт _f фут)		(фунт _на дюймов)	(фунт _на футов)	(Нм)	(фунт _на дюймов) 90 184	(фунт _на футов)	(Нм)
1	0.75	18	1,5	2,1	32	2,6	3,6	36	3,0	4,1	63	5,3	7,1	1,1	27	2,3	3,1	47	3,9	5,3	54	4,5	6,1	95	7.9	10,7	189	15,8	21,4
2	1,5	37	3,0	4,1	63	5,3	10,5	14,2	252	21,0	28,5
3	2,2	55	4,6	6,2	95	7.9	10,7	108	9,0	12	189	15,8	21,4	378	31,5	42,7
1	13,1	18	180	15	20	315	26,3	36	630	52,5	71
5	5,6	137	11	15	236	20	27	270	23	31	473	39	9111 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011
10	7,5	183	15	21	315	26	36	360	30	41	610 7110	142
15	11	274	23	31	473	39	53	540	45	6110	6110	6110	158	214
20	15	365	30	630	53	71	720	60	81	1260	105	142	2521	210	285	285	285	38	52	788	66	89	900	75	102	1576	131	178	3151	261 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9010	548	46	62	945	79	107	1080	90	122	1891	158	214	30	731	61	83	1260	105	1441	120	163	2521	210	285	5042	420	570
50		131	178	1801	150	204	3151	263	356	6302	525	712
1891	158	214	2161	180	244	3781	315	427	7563	630	8510 9011 9011 9011 9011 9011 9010 8510 9011 9011 9011 9011	8510 9011 9011 9011 9011	145	2206	184	249	2521	285	4412	368	499	8823	735	997
80	60	1461	16510 122	16510 122 9011	2881	240	326	5042	420	570	10084	840	1140
90	67	1644 9011	321	3241	270	366	5672	473	641	11344	945	1282
10010	263	356	3601	300	407	6302	525	712	12605	1050	1425
125	93	2283	190	509	7878	657	891	15756	1313	1781
150	112	2740	22101	2740	2210	450	611	9454	788	1069	18907	1576	2137
175	131	131	6302	525	712	1 1029	919	1247	22058	1838	2494
200	149	3654		413	304 814	12605	1050	1425	25210	2101	2850
225	168	4110	916	14180	1182	1603	28361	2363	3206
250	187	4567 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 901 9003	750	1018	15756 90 111	1313	1781	31512	2626	3562
275	205	5024	419	568
17332	1444	1959	34663	2889	3918
300	224	5480	457	1221	18907	1576	2137	37814	3151	4275
350	261
350	261	6394	1050	1425	22058	1838	2494	44117	3676	4987
400	298	7307	609	826	25210	2101	2850	50419	4202	5699
450	336	8221	685
1832	28361	2363	3206	56722	4727	6412
550	410	1651	2239	34663	2889	3918	69326	5777	7837
600	448	10961	913	1239	1239	2443	37814	3151	4275	75629	6302	8549

Мощность электродвигателя, скорость и крутящий момент Уравнения
922 922 Момент в британской системе мер _{дюйм-фунт} = P _л.с. 63025 / n (1)
где
T _{дюйм-фунт} = крутящий момент (фунт _f)
P _л.с. = мощность, выдаваемая электрическим двигатель (л.с.)

n = число оборотов в минуту (об / мин)
Альтернативно
T _{фут-фунт} = P _л.с. 5252 / n (1b)
где
T _{фут-фунт} = крутящий момент (фунт _фут фут)
Крутящий момент в единицах СИ можно рассчитать как
T _Нм = P _W 9.549 / n (2)
где
T _Нм = крутящий момент (Нм)
P _Вт = мощность (Вт)
n = число оборотов в минуту (об / мин)

Электродвигатель — зависимость крутящего момента от мощности и скорости

мощность (кВт)

скорость (об / мин)

Электродвигатель — мощность в зависимости от крутящего момента и скорости

крутящий момент (Нм)

скорость (об / мин)

Электродвигатель — Зависимость скоростиМощность и крутящий момент

мощность (кВт)

крутящий момент (Нм)

Пример — крутящий момент от электродвигателя

Крутящий момент, передаваемый электродвигателем, производящим 0,75 кВт (750 Вт) при скорости 2000 об / мин можно рассчитать как

T = ( 750 Вт ) 9,549 / (2000 об / мин)
= 3,6 (Нм)

Пример — Крутящий момент от электрического двигателя

Крутящий момент, передаваемый от электродвигателя мощностью 100 л.с. при скорости 1000 об / мин можно рассчитать как

T = (100 л.с.) 63025 / (1000 об / мин)
= 6303 (фунт _на дюймов)

Для преобразования в фунт-сила-фут — разделите крутящий момент на 12 .

Выполненная работа и переданная мощность

Выполненная работа

Выполненная работа — это сила, умноженная на расстояние, перемещенное на силу , и может быть выражена как

W = F s (1)
где
W = проделанная работа (Дж, Нм)
F = сила (Н)
s = расстояние, перемещаемое силой (с)

Для углового перемещения

работа done может быть выражено как

W = F θ r
= T θ (2)
, где
W = работа (Джоуль)
θ = угол (радианы)
r = радиус (м)
T = крутящий момент или момент (Нм)

Передаваемая мощность

Мощность — это соотношение между выполненная работа и затраченное время могут быть выражены как

P = W / dt
= T θ / dt
= T ω
= 2 π n T
= 2 π (n _{об / мин}/60) T
= 0.105 n _{об / мин} T (3)
где
P = мощность (Вт)
dt = затраченное время (с)
ω = θ / dt = 2 π n = угловая скорость (рад / с)
n = скорость (об / с)
n _{об / мин} = скорость (об / мин, об / мин)

Примечание! — машина должна вращаться, чтобы производить энергию! Машина без вращения может передавать крутящий момент, как электродвигатель, но поскольку расстояние не перемещается силой, мощность не производится.Как только машина начинает вращаться, вырабатывается мощность.

Пример — требуемый крутящий момент для получения мощности

Машина вращается со скоростью 3000 об / мин (об / мин) и потребляет 5 кВт . Крутящий момент на валу можно рассчитать, изменив (3) на

T = P / 2 π n
= (5 кВт) (1000 Вт / кВт) / 2 π (3000 об / мин) / (60 сек / мин)
= 15,9 Нм

Кривые крутящего момента для шаговых двигателей

Как они созданы и что они означают

При выборе шагового двигателя вы пытаетесь выбрать двигатель, который соответствует вашим требованиям к скорости и крутящему моменту плюс некоторый запас прочности.Но как сравнить характеристики двигателей разных поставщиков? Большинство поставщиков предоставляют кривые характеристики «скорость — крутящий момент», чтобы получить представление о том, какие характеристики можно ожидать от двигателя. Кривые скорости шагового двигателя — крутящего момента показывают, какой крутящий момент доступен от шагового двигателя на данной скорости в сочетании с конкретным драйвером. Это означает, что в зависимости от различных комбинаций двигателей и драйверов от системы шагового двигателя можно ожидать разную производительность. В этой статье будет описано, как создается кривая скорость — крутящий момент для шагового двигателя, и на какие важные моменты следует обращать внимание на кривой.

Четко определенная кривая скорость — крутящий момент, например, показанная ниже, должна включать следующую информацию.

1. Потребляемая мощность: Это напряжение, которое подается на драйвер. Для драйверов входного напряжения постоянного тока это же напряжение обычно подается непосредственно на обмотки двигателя. Для драйверов входного напряжения переменного тока напряжение переменного тока выпрямляется до напряжения постоянного тока перед подачей на обмотки двигателя. Например, для драйвера 115 В переменного тока приложенное напряжение к обмоткам двигателя составляет 162 В постоянного тока.

2. Тип драйвера: Указывает, какой тип драйвера использовался для создания кривой. Должен быть показан либо однополярный, либо биполярный драйвер. Тип драйвера также будет указывать, относится ли он к типу постоянного тока или постоянного напряжения.

3. Использование демпфера: Демпфер, хотя и не требуется, может помочь создать более типичную характеристическую кривую, представляя инерционную нагрузку на двигатель. Кривая должна показывать, использовался ли демпфер и каковы его характеристики.

4. Угол шага: Это угол шага, под которым двигался двигатель при создании кривой. Кривые обычно показывают, какой основной угол шага (1,8 °, 0,9 °, 0,72 °, 0,36 °) двигателя или какое разрешение драйвера (полное, половинное, микрошаговое деление) использовалось.

5. Конфигурация обмотки двигателя: Здесь описывается, как двигатель был подключен к приводу и какой ток подавался на обмотки. Соединения двигателя могут быть униполярными, биполярными последовательными, биполярными полукатушками и биполярными параллельными.

6. Единицы крутящего момента: Вертикальная ось показывает величину крутящего момента и в каких единицах (например, унция-дюйм, Н-м и т. Д.).

7. Скорость: Горизонтальная ось показывает скорость вала двигателя и в каких единицах (например, об / мин, pps, Гц и т. Д.).

8. Максимальная пусковая скорость без нагрузки: Максимальная пусковая скорость без нагрузки — это максимальная скорость, при которой двигатель может запускаться синхронно без нагрузки и без использования ускорения.Обычно это отображается в виде отметки «fs» на горизонтальной оси.

9. Удерживающий момент: Это крутящий момент, который двигатель будет создавать, когда двигатель находится в состоянии покоя и номинальный ток подается на обмотки.

10. Кривая крутящего момента отрыва: Эта кривая представляет собой максимальный крутящий момент, который шаговый двигатель может передать нагрузке при любой заданной скорости. Любой требуемый крутящий момент или скорость, превышающие (превышающие) эту кривую, приведут к потере синхронизма двигателем.

11. Кривая крутящего момента при втягивании (без нагрузки): Эта кривая представляет максимальное сочетание крутящего момента и скорости, которое ненагруженный шаговый двигатель может запускать или останавливать без какого-либо ускорения или замедления. Поскольку кривая момента втягивания для шагового двигателя изменяется в зависимости от инерционной нагрузки, приложенной к двигателю, кривые момента втягивания не показаны на кривых скорость — крутящий момент, приведенных в каталогах. Чтобы работать выше кривой крутящего момента при втягивании, двигатель должен быть ускорен или замедлен за пределами диапазона поворота.

12. Кривая момента втягивания (инерционная нагрузка): Эта кривая представляет максимальное сочетание крутящего момента и скорости, которое шаговый двигатель с инерционной нагрузкой (т. Е. Демпфер) может передать нагрузке и запустить или остановить без какого-либо ускорения или замедление. Чтобы работать выше кривой крутящего момента при втягивании, двигатель должен быть ускорен или замедлен за пределами диапазона поворота.

13. Диапазон самозапуска (область запуска / остановки): В этой области шаговый двигатель может запускать, останавливать или изменять направление синхронно с входным импульсом без необходимости ускорения или замедления.

14. Диапазон поворота: В диапазоне поворота обычно работают шаговые двигатели. Шаговый двигатель не может быть запущен непосредственно в диапазоне поворота. После запуска двигателя где-то в диапазоне самозапуска двигатель может быть ускорен или приложена нагрузка в диапазоне поворота. Затем двигатель необходимо замедлить или уменьшить нагрузку до диапазона самозапуска, прежде чем двигатель можно будет остановить.

15. Максимальная частота срабатывания: Это максимальная скорость, с которой двигатель может работать без нагрузки на вал.

Кривые скорость — крутящий момент создаются путем раскрутки шагового двигателя до известной скорости, а затем постепенного приложения крутящего момента к выходному валу с помощью тормоза и измерения с помощью датчика крутящего момента. Нагрузка прилагается медленно, пока двигатель не потеряет синхронизм (остановится). В момент, когда двигатель теряет синхронизм, записывается крутящий момент, который был приложен к валу двигателя в тот же момент. Этот процесс повторяется трижды на каждой точке скорости. Среднее из трех значений крутящего момента затем используется в качестве значения, которое будет отображаться на кривой скорость — крутящий момент.Этот процесс повторяется в нескольких точках скорости. Затем точки крутящего момента наносятся на различные точки скорости, чтобы создать полную кривую. См. Рисунок ниже.

Как упоминалось ранее, характеристики скорость — крутящий момент определяются комбинацией шагового двигателя и драйвера. Как правило, чем выше напряжение, приложенное к обмоткам двигателя, тем быстрее двигатель вращается. Например, на приведенных ниже кривых кривая скорость — крутящий момент для шагового драйвера CVK245AK / CVK245BK показывает, что на обмотки двигателя подается 24 В постоянного тока, в то время как кривая для шагового драйвера RKS545 была создана с 162 В постоянного тока, подаваемым на обмотки.Как видите, крутящий момент на скорости шагового драйвера RKS545 выдерживается на гораздо более высокой скорости.

Таким образом, кривая скорость-крутящий момент может быть полезным инструментом для выбора подходящего шагового двигателя для вашего приложения.

Ник Йохантген
Менеджер по техническим вопросам и обучению в Северной Америке
Oriental Motor USA Corporation

Расчет крутящего момента и КПД | Простые электродвигатели

Измерение крутящего момента — сложная задача.Для действительно надежных измерений вам может потребоваться специальное оборудование, такое как регулируемая крутящая нагрузка (это может быть тормоз мелких частиц, соединенный с валом двигателя) и измерительный инструмент, например динамометр. Это дорогое лабораторное оборудование. Мы пришли к относительно простому и недорогому решению, которое может быть не очень точным, но достаточным для экспериментов в научных проектах.

Пожалуйста, см. Наш раздел «Расчеты», чтобы узнать формулы, которые мы использовали для определения крутящего момента.

Наша основная идея основана на том, что крутящий момент можно рассчитать, зная выходную мощность и угловую скорость.С помощью измерительных инструментов, имеющихся в нашем магазине, легко точно измерить скорость двигателя, а затем преобразовать скорость вращения в об / мин в угловую скорость в рад / с.

Выходная мощность двигателя для любой заданной скорости и крутящего момента может быть рассчитана как входная мощность за вычетом потерь; или входная мощность x КПД двигателя.

Входная электрическая мощность может быть легко рассчитана путем измерения потребляемого тока и напряжения и их умножения. Так что неизвестно только об эффективности мотора.Как мы могли это оценить?

КПД мотора — это не число, это график. Это может быть что угодно от 0 до максимальной эффективности. Обычно производители указывают для своих двигателей максимальную эффективность при оптимальной скорости. Малые двигатели постоянного тока обычно имеют максимальный КПД 50-60%.

Мы решили оценить эффективность двигателей, построенных из нашего комплекта, сравнив их с промышленными двигателями, которые мы поставляем в генераторных комплектах. По этим двигателям у нас есть данные от производителей (см. Ссылки).Нам понадобились два одинаковых двигателя, поэтому мы использовали два комплекта генератора. Мы также использовали стабилизированный источник питания, так как он позволяет точно регулировать входное напряжение.

Другими словами, мы использовали один двигатель с известными параметрами для сравнения с двигателем нашего комплекта. Мы попытались измерить и сравнить, сколько мощности требуется этим двигателям для выполнения той же работы. Второй двигатель работал как генератор, и мы могли изменять подключенную к нему нагрузку.

Сначала мы подключили наш моторный комплект к генератору.При 6 В потребляемый ток составлял 115 мА, а выходная мощность генератора составляла 4,5 В. К клеммам генератора не было подключено никакой электрической нагрузки, только вольтметр для измерений. Скорость мотора была около 2100 об / мин. Мощность, необходимая для создания этого напряжения, составляет 0,115 A X 6 В = 0,69 Вт (Вт).

Затем мы заменили двигатель комплекта вторым генератором и отрегулировали входное напряжение, чтобы получить такое же выходное напряжение 4,5 В. В этом случае входное напряжение составляло 5 Вольт, а входной ток — 38 мА.Мощность, необходимая для выработки 4,5 В, составляет 0,038 А X 5 В = 0,19 Вт.

Для подключения второго мотора необходимо обрезать один из фланцев кронштейна сверхмощными ножницами. Вы можете использовать двустороннюю липкую подушку или подключить их напрямую, как показано в инструкциях по сборке генератора.

Как видно из этих измерений, для выполнения той же работы двигателю комплекта требовалось в 3,6 раза больше энергии, чем промышленному (0,69 / 0,19 = 3,6).

Затем мы провели серию экспериментов с повышенной нагрузкой, когда генератор был подключен к светодиоду.

Вот одно из измерений. Мотор комплекта подключается к генератору, питающему красный светодиод. Входное напряжение 4,5 Вольт, входной ток 125 мА. Выходное напряжение было немного выше 1,8 В при выходном токе 11 мА, которого было достаточно для включения светодиода. Скорость мотора была около 900 об / мин. Входная мощность 0,125 А X 4,5 В = 0,56 Вт.

Теперь мы заменили двигатель комплекта на генератор и отрегулировали входное напряжение, чтобы добиться того же (или близкого к нему) напряжения и тока на светодиодах.Входное напряжение при этом измерении составляло 2,3 В при токе 42 мА, поэтому входная мощность составляла 0,042 А X 2,3 В = 0,097 Вт.

В этом измерении для обеспечения такой же выходной мощности двигателю комплекта потребовалось в 5,8 раза больше энергии, чем промышленному двигателю.

Будьте осторожны при такой настройке! Если вы подадите большее напряжение, генератор может выдать слишком большую мощность и мгновенно сжечь светодиод. Вам действительно может понадобиться токоограничивающий резистор, подключенный последовательно со светодиодом.

В другом измерении с той же настройкой мы увеличили входное напряжение на двигателе комплекта до 5.5 Вольт. Потребляемый ток 160 мА; выходное напряжение светодиода составляло 2 В при токе 26 мА. Для такого же выхода промышленному двигателю необходимо 3 Вольт с током 60 мА. Скорость была около 1000 об / мин. Подсчитайте сами — мотору комплекта требовалось в 4,9 раза больше мощности.

В результате этих (и многих других) измерений мы обнаружили, что двигателю комплекта для выполнения идентичной работы требуется в 3,5-6 раз больше мощности, чем промышленному двигателю; или другими словами был в 3,5-6 раз менее эффективен. Эффективность была лучше на более высоких скоростях.Поскольку у нас есть кривые мощности и КПД для промышленного двигателя из генераторного комплекта и известен его максимальный КПД (60% для тестируемых двигателей), мы можем приблизительно оценить максимальный КПД для электродвигателя комплекта примерно в 4 раза меньше, чем КПД протестированного электродвигателя-генератора. т.е. 15% при 1800-2200 об / мин. С генератором / светодиодом, подключенным к двигателю, скорость может составлять около 1000 об / мин, а КПД двигателя составляет 10% или даже меньше. Это приблизительные оценки, которые вы можете использовать в своем проекте.

Насколько точна эта оценка эффективности? Это не очень точно, так как при таком упрощенном подходе не учитывается множество факторов.Также мы предоставляем комплекты, а не идентичные моторы. Созданный вами двигатель может иметь разный КПД.

Если вы решите провести аналогичные эксперименты со своим двигателем, вот несколько советов. Для начала вам понадобится блок питания с регулируемым выходным напряжением. Многие из них доступны в Интернете, или вы можете собрать их самостоятельно, используя, например, микросхему LM317 и несколько дополнительных деталей.

Если вы хотите получить больше данных, необходимых для построения кривых КПД двигателя и мощности, вы можете поэкспериментировать с напряжениями выше 6 вольт.В этом случае резистор ограничения тока для светодиода абсолютно необходим. На самом деле вам может быть лучше использовать переменный резистор (иногда в этой настройке его называют тормозным резистором), подключенный к генератору вместо светодиода.

Как правило, для небольших электродвигателей (и двигатель комплекта не является исключением) максимальная мощность составляет примерно 50% от крутящего момента при остановке, тогда как скорость обычно составляет 50% от максимальной скорости холостого хода. Максимальный КПД обычно составляет 10–30% крутящего момента двигателя при остановке или 70–90% скорости холостого хода.

Несмотря на то, что наши расчеты эффективности и крутящего момента могут быть не очень точными, мы твердо уверены, что это должно быть приемлемо для большинства уровней научных проектов.

В конце концов, это отличный опыт обучения!

Что нужно знать

Обновлено ноябрь 2019 г. || Сервомотор, когда он соединен с устройством обратной связи, сервоусилителем и контурами управления с коррекцией ошибок, может поддерживать строго контролируемое положение, крутящий момент или скорость в приложениях, которые требуют работы с обратной связью и способности реагировать на помехи.

Но еще одним преимуществом серводвигателей является их способность создавать значительный крутящий момент в широком диапазоне скоростей.

Таким образом, кривая крутящего момента серводвигателя, которая отображает величину крутящего момента, который двигатель может создать в своем диапазоне рабочих скоростей, является одним из наиболее полезных инструментов при определении размеров и выбора сервомотора.

Кривая крутящего момента серводвигателя показывает две рабочие зоны — непрерывную и прерывистую. Зона непрерывной работы включает в себя комбинации крутящего момента и скорости, которые двигатель может создавать бесконечно.

При оценке того, находится ли приложение в зоне непрерывного режима работы, используется среднеквадратичный (RMS) крутящий момент двигателя. Среднеквадратичный крутящий момент учитывает изменяющиеся требования к крутящему моменту во время полного рабочего цикла двигателя, включая ускорение, постоянную скорость, замедление и выдержку, а также количество времени, в течение которого должен создаваться каждый уровень крутящего момента. Целью среднеквадратичного крутящего момента является определение значения крутящего момента, которое, если бы оно постоянно создавалось двигателем, привело бы к тому же уровню нагрева двигателя, что и все различные крутящие моменты и длительности, которые двигатель испытывает во время своего рабочего цикла.

Температура окружающей среды также влияет на то, как быстро двигатель достигнет своего теплового предела, и, следовательно, на его номинальный постоянный крутящий момент. Если двигатель будет эксплуатироваться в зоне с температурой окружающей среды, превышающей указанную производителем, кривую крутящего момента серводвигателя необходимо будет соответствующим образом отрегулировать (снизить номинальные характеристики). И наоборот, если температура окружающей среды вокруг двигателя значительно ниже температуры окружающей среды, указанной производителем, номинальный постоянный крутящий момент двигателя может быть увеличен.

Серводвигатели имеют две рабочие зоны: непрерывный режим и прерывистый (пиковый) режим.
Изображение предоставлено: Moog Animatics

Кривые крутящего момента серводвигателя относительно плоские вплоть до максимальной скорости двигателя, в отличие от шаговых двигателей, крутящий момент которых резко падает за пределы определенной рабочей скорости.

Максимальный крутящий момент, требуемый двигателем, обычно представляет собой сумму крутящего момента во время ускорения, крутящего момента из-за нагрузки и крутящего момента для преодоления трения. Поскольку максимальный крутящий момент требуется только в течение короткого промежутка времени, он может выходить за пределы зоны непрерывной работы двигателя, но должен попадать в зону прерывистой работы.

Однако есть два предостережения при рассмотрении максимального значения приложения и его отношения к зоне прерывистой работы двигателя:

1) Продолжительность максимального крутящего момента должна находиться в пределах временного интервала, определенного изготовителем двигателя для прерывистой работы

2) Максимальный крутящий момент и максимальная скорость должны находиться в пределах неустойчивой зоны. Если какой-либо параметр выходит за рабочие пределы двигателя, это может привести к повреждению двигателя).

Максимальная скорость двигателя ограничена напряжением… или, точнее, напряжением обратной ЭДС. Обратная ЭДС создается вращением двигателя и противодействует приложенному напряжению. С увеличением скорости увеличивается и обратная ЭДС, и в какой-то момент обратная ЭДС может достигать или превышать напряжение, подаваемое приводом.

Обратите внимание, что сервоусилитель (также известный как сервопривод) может ограничивать максимальные рабочие параметры двигателя, поэтому кривые крутящего момента-скорости часто разрабатываются для конкретных комбинаций двигатель-усилитель.Использование усилителя, отличного от указанного для кривой крутящий момент-скорость, может изменить пределы продолжительной и прерывистой работы двигателя.

alexxlab

Посмотреть все записи автора alexxlab →