Добавлено 28 июля 2022 в 14:30
Сохранить или поделиться
Узнайте о крутящем моменте, его применении к двигателям, и почему значения крутящего момента так важны для ваших проектов.
В базовой физике вы, вероятно, привыкли думать о линейных силах, например, о силе тяжести, притягивающей предметы вниз, или о силе, которую вы прикладываете к тележке для покупок, толкая ее. Крутящий момент аналогичен линейным силам, но в то время как линейные силы заставляют объект двигаться по прямой линии, крутящий момент заставляет объекты вращаться.
Если вы когда-либо открывали дверь, у вас должно быть интуитивное понимание крутящего момента. Когда вы открываете дверь, вы прикладываете силу на той стороне двери, которая находится дальше всего от петель. Поскольку дверь твердая, ваша сила, действующая на расстоянии от центра вращения двери (петли), заставляет дверь вращаться и открываться. Вы можете открыть дверь, нажав на сторону двери, ближайшую к петлям, однако, как вы знаете, для открытия двери в этом случае потребуется гораздо больше усилий. Это потому, что, уменьшая расстояние между вами и центром вращения двери, вы создаете меньший крутящий момент.
Крутящий момент рассчитывается путем умножения линейной силы на расстояние, на котором эта сила действует от центра вращения. Классическим примером крутящего момента является гаечный ключ при откручивании гайки. Если у вас есть гаечный ключ длиной 20 см, и вы нажимаете на ключ с силой 2 кг, крутящий момент на гайке составит (20 см x 2 кг =) 40 кг·см.
Рисунок 1 – Классический пример крутящего момента можно увидеть, когда вы используете гаечный ключ для закручивания гайки.
Когда мы смотрим на двигатели, расчет крутящего момента аналогичен – сила, умноженная на расстояние.
Единственное отличие состоит в том, что в отличие от гаечного ключа, где сила прикладывается к рычагу, в случае с двигателем крутящий момент прикладывается непосредственно в центре вращения, создавая линейную силу на конце рычага. Размышляя о крутящем моменте двигателя, вы можете представить себе двигатель, использующий руку для поднятия веса. Максимальный вес, который может поднять двигатель, будет соответствовать максимальному крутящему моменту.
Рисунок 2 – В двигателях крутящий момент прикладывается в центре вращения для создания линейной силы.
Двигатели, предназначенные для обеспечения большего крутящего момента, способны оказывать большее воздействие на другие объекты.
Работа и мощность
Теперь остановимся на таком понятии как «работа», которое в данном контексте имеет особое значение. Работа совершается всякий раз, когда сила — любая сила — вызывает движение. Работа равна силе, умноженной на расстояние. Для линейного движения мощность выражается как работа в определённый момент времени.
Если мы говорим о вращении, мощность выражается как вращающий момент (T), умноженный на частоту вращения (w).
Частота вращения объекта определяется измерением времени, за которое определённая точка вращающегося объекта совершит полный оборот. Обычно эта величина выражается в оборотах в минуту, т.е. мин-1 или об/мин. Например, если объект совершает 10 полных оборотов в минуту, это означает, что его частота вращения: 10 мин-1 или 10 об/мин.
Итак, частота вращения измеряется в оборотах в минуту, т.е. мин-1.
Приведем единицы измерения к общему виду.
Для наглядности возьмём разные электродвигатели, чтобы более подробно проанализировать соотношение между мощностью, вращающим моментом и частотой вращения. Несмотря на то, что вращающий момент и частота вращения электродвигателей сильно различаются, они могут иметь одинаковую мощность.
Например, предположим, что у нас 2-полюсный электродвигатель (с частотой вращения 3000 мин-1) и 4-полюсной электродвигатель (с частотой вращения 1500 мин-1). Мощность обоих электродвигателей 3,0 кВт, но их вращающие моменты отличаются.
Таким образом, вращающий момент 4-полюсного электродвигателя в два раза больше вращающего момента двухполюсного электродвигателя с той же мощностью.
Как образуется вращающий момент и частота вращения?
Теперь, после того, как мы изучили основы вращающего момента и скорости вращения, следует остановиться на том, как они создаются.
В электродвигателях переменного тока вращающий момент и частота вращения создаются в результате взаимодействия между ротором и вращающимся магнитным полем. Магнитное поле вокруг обмоток ротора будет стремиться к магнитному полю статора. В реальных рабочих условиях частота вращения ротора всегда отстаёт от магнитного поля. Таким образом, магнитное поле ротора пересекает магнитное поле статора и отстает от него и создаёт вращающий момент. Разницу в частоте вращения ротора и статора, которая измеряется в %, называют скоростью скольжения.
Скольжение является основным параметром электродвигателя, характеризующий его режим работы и нагрузку. Чем больше нагрузка, с которой должен работать электродвигатель, тем больше скольжение.
Помня о том, что было сказано выше, разберём ещё несколько формул. Вращающий момент индукционного электродвигателя зависит от силы магнитных полей ротора и статора, а также от фазового соотношения между этими полями. Это соотношение показано в следующей формуле:
Сила магнитного поля, в первую очередь, зависит от конструкции статора и материалов, из которых статор изготовлен. Однако напряжение и частота тока также играют важную роль. Отношение вращающих моментов пропорционально квадрату отношения напряжений, т.е. если подаваемое напряжение падает на 2%, вращающий момент, следовательно, уменьшается на 4%.
Измерьте крутящий момент двигателя сами
Мы рассмотрели, почему так важно оставаться в пределах максимального крутящего момента двигателя. Так что же делать, если вы думаете, что ваш двигатель не соответствует требованиям? Не бойтесь! У нас есть проект, который может показать вам, как измерить крутящий момент серводвигателя (в следующей статье).
Дважды проверьте крутящий момент вашего серводвигателя перед тем, как добавить его в свой проект. Это поможет вам избавиться от разочарований от сборки и от повторного переделывания.
Оригинал статьи:
- Scott Hatfield. What is Torque and Why Does it Matter?
Потребляемая мощность электродвигателя
Ток ротора индуцируется через источник питания, к которому подсоединён электродвигатель, а магнитное поле частично создаётся напряжением. Входную мощность можно вычислить, если нам известны данные источника питания электродвигателя, т.е. напряжение, коэффициент мощности, потребляемый ток и КПД.
В Европе мощность на валу обычно измеряется в киловаттах. В США мощность на валу измеряется в лошадиных силах (л.с.).
Если вам необходимо перевести лошадиные силы в киловатты, просто умножьте соответствующую величину (в лошадиных силах) на 0,746. Например, 20 л.с. равняется (20 • 0,746) = 14,92 кВт.
И наоборот, киловатты можно перевести в лошадиные силы умножением величины в киловаттах на 1,341. Это значит, что 15 кВт равняется 20,11 л.с.
Вычисление пускового момента однофазного АЭД при включенной и отключенной обмотке
ПМ для ротора однофазного мотора соответствует нулю, потому что одна обмотка создает два одинаковых по амплитуде магнитных поля только противоположных по направлению, и сумма их векторов будет равна 0. Пусковым моментом однофазного АЭД называется вращающий момент, развивающийся на валу АЭД, когда ротор статичен, а статор тока закреплен на обмотках. Ключевыми элементами каждого асинхронника можно по праву считать ротор (вращающийся элемент) и статор (неподвижная часть). За счет статора обеспечивается магнитное поле для вращения ротора. ПМ однофазного АЭД без пусковой обмотки соответствует 1/2 максимального момента.
Момент электродвигателя
Мощность [кВт или л.с.] связывает вращающий момент с частотой вращения, чтобы определить общий объём работы, который должен быть выполнен за определённый промежуток времени.
Рассмотрим взаимодействие между вращающим моментом, мощностью и частотой вращения, а также их связь с электрическим напряжением на примере электродвигателей Grundfos. Электродвигатели имеют одну и ту же номинальную мощность как при 50 Гц, так и при 60 Гц.
Это влечёт за собой резкое снижение вращающего момента при 60 Гц: частота 60 Гц вызывает 20%-ное увеличение числа оборотов, что приводит к 20%-ному уменьшению вращающего момента. Большинство производителей предпочитают указывать мощность электродвигателя при 60 Гц, таким образом, при снижении частоты тока в сети до 50 Гц электродвигатели будут обеспечивать меньшую мощность на валу и вращающий момент. Электродвигатели обеспечивают одинаковую мощность при 50 и 60 Гц.
Графическое представление вращающего момента электродвигателя изображено на рисунке.
Иллюстрация представляет типичную характеристику вращающий момент/частота вращения. Ниже приведены термины, используемые для характеристики вращающего момента электродвигателя переменного тока.
Пусковой момент (Мп): Механический вращающий момент, развиваемый электродвигателем на валу при пуске, т.е. когда через электродвигатель пропускается ток при полном напряжении, при этом вал застопорен.
Минимальный пусковой момент (Ммин): Этот термин используется для обозначения самой низкой точки на кривой вращающий момент/частота вращения электродвигателя, нагрузка которого увеличивается до полной скорости вращения. Для большинства электродвигателей Grundfos величина минимального пускового момента отдельно не указывается, так как самая низкая точка находится в точке заторможенного ротора. В результате для большинства электродвигателей Grundfos минимальный пусковой момент такой же, как пусковой момент.
Блокировочный момент (Мблок): Максимальный вращающий момент — момент, который создаёт электродвигатель переменного тока с номинальным напряжением, подаваемым при номинальной частоте, без резких скачков скорости вращения. Его называют предельным перегрузочным моментом или максимальным вращающим моментом.
Вращающий момент при полной нагрузке (Мп.н.): Вращающий момент, необходимый для создания номинальной мощности при полной нагрузке.
Увеличение пускового момента
Пусковой момент удастся увеличить за счет частотного преобразователя. Если сменить показатель сопротивления пускового реостата, удастся достичь большего пускового момента. Но что произойдет, если уменьшить напряжение пускового момента вдвое? Он резко упадет. Изменение первичного тока определяется загрузкой электрического двигателя. При большой нагрузке асинхронного двигателя уменьшение напряжения на его зажимах приводит к перегрузке обмоток двигателя токами со всеми вытекающими отсюда последствиями. Наоборот, пусковой момент асинхронного двигателя при введении реостата в фазный ротор увеличивается. Существуют правила, в соответствии с которыми должен проводиться запуск асинхронного электродвигателя. При каком способе пуска увеличивается пусковой момент асинхронного двигателя? Соединение ротора с реостатом во время включения подойдет для включения в работу моторов с разным ротором. Если в цепь входит реостат, то уровень сопротивления увеличивается. Это обеспечивает увеличение пускового момента. Асинхронные моторы, обладающие повышенным пусковым моментом созданы специально для приводов механизмов, характеризующихся высокими нагрузками на момент запуска. А вот моторы с повышенным показателем скольжения используют для оборудования, имеющего неравномерные ударные характеристики нагрузки и высокую частоту запусков и реверсов. Как повысить пусковой момент? Нужно использовать АЭД с высоким ПМ. Его дальнейшее увеличение можно произвести, если использовать двигатели с обмоткой ротора по типу двойной «беличьей клетки», паз обязательно должен быть глубоким. У такого АЭД на роторе будет присутствовать пара короткозамкнутых обмоток. Одна из них пусковая, а другая рабочая. Чтобы повысить ПМ обмотка для запуска должна обладать большим активным сопротивлением, нежели рабочая.
Нагрузка насосов и типы нагрузки электродвигателя
Выделяют следующие типы нагрузок:
Постоянная мощность
Термин «постоянная мощность» используется для определённых типов нагрузки, в которых требуется меньший вращающий момент при увеличении скорости вращения, и наоборот. Нагрузки при постоянной мощности обычно применяются в металлообработке, например, сверлении, прокатке и т.п.
Постоянный вращающий момент
Как видно из названия — «постоянный вращающий момент» — подразумевается, что величина вращающего момента, необходимого для приведения в действие какого- либо механизма, постоянна, независимо от скорости вращения. Примером такого режима работы могут служить конвейеры.
Переменный вращающий момент и мощность
«Переменный вращающий момент» — эта категория представляет для нас наибольший интерес. Этот момент имеет отношение к нагрузкам, для которых требуется низкий вращающий момент при низкой частоте вращения, а при увеличении скорости вращения требуется более высокий вращающий момент. Типичным примером являются центробежные насосы.
Вся остальная часть данного раздела будет посвящена исключительно переменному вращающему моменту и мощности.
Определив, что для центробежных насосов типичным является переменный вращающий момент, мы должны проанализировать и оценить некоторые характеристики центробежного насоса. Использование приводов с переменной частотой вращения обусловлено особыми законами физики. В данном случае это законы подобия, которые описывают соотношение между разностями давления и расходами.
Во-первых, подача насоса прямо пропорциональна частоте вращения. Это означает, что если насос будет работать с частотой вращения на 25% больше, подача увеличится на 25%.
Во-вторых, напор насоса будет меняться пропорционально квадрату изменения скорости вращения. Если частота вращения увеличивается на 25%, напор возрастает на 56%.
В-третьих, что особенно интересно, мощность пропорциональна кубу изменения скорости вращения. Это означает, что если требуемая частота вращения уменьшается на 50%, это равняется 87,5%-ному уменьшению потребляемой мощности.
Итак, законы подобия объясняют, почему использование приводов с переменной частотой вращения более целесообразно в тех областях применения, где требуются переменные значения расхода и давления. Grundfos предлагает ряд электродвигателей со встроенным частотным преобразователем, который регулирует частоту вращения для достижения именно этой цели.
Так же как подача, давление и мощность, потребная величина вращающего момента зависит от скорости вращения.
На рисунке показан центробежный насос в разрезе. Требования к вращающему моменту для такого типа нагрузки почти противоположны требованиям при «постоянной мощности». Для нагрузок при переменном вращающем моменте потребный вращающий момент при низкой частоте вращения — мал, а потребный вращающий момент при высокой частоте вращения — велик. В математическом выражении вращающий момент пропорционален квадрату скорости вращения, а мощность — кубу скорости вращения.
Это можно проиллюстрировать на примере характеристики вращающий момент/частота вращения, которую мы использовали ранее, когда рассказывали о вращающем моменте электродвигателя:
Когда электродвигатель набирает скорость от нуля до номинальной скорости, вращающий момент может значительно меняться. Величина вращающего момента, необходимая при определённой нагрузке, также изменяется с частотой вращения. Чтобы электродвигатель подходил для определённой нагрузки, необходимо чтобы величина вращающего момента электродвигателя всегда превышала вращающий момент, необходимый для данной нагрузки.
В примере, центробежный насос при номинальной нагрузке имеет вращающий момент, равный 70 Нм, что соответствует 22 кВт при номинальной частоте вращения 3000 мин-1. В данном случае насосу при пуске требуется 20% вращающего момента при номинальной нагрузке, т.е. приблизительно 14 Нм. После пуска вращающий момент немного падает, а затем, по мере того, как насос набирает скорость, увеличивается до величины полной нагрузки.
Очевидно, что нам необходим насос, который будет обеспечивать требуемые значения расход/напор (Q/H). Это значит, что нельзя допускать остановок электродвигателя, кроме того, электродвигатель должен постоянно ускоряться до тех пор, пока не достигнет номинальной скорости. Следовательно, необходимо, чтобы характеристика вращающего момента совпадала или превышала характеристику нагрузки на всём диапазоне от 0% до 100% скорости вращения. Любой «избыточный» момент, т.е. разница между кривой нагрузки и кривой электродвигателя, используется как ускорение вращения.
Какому двигателю отдать предпочтение
Сегодня множество моделей производители оснащают разными типами моторов: бензиновым или дизельным. Эти модели идентичны только по цене и другим характеристикам.
Из-за разных типов мотора одна и та же модель может отличаться по показателям мощности мотора и крутящему моменту, при этом разница может быть значительной.
Бензиновый двигатель
Бензиновый двигатель формирует воздушно-топливную смесь, заполняющую цилиндр. Температура внутри него поднимается до примерно 500 градусов. У таких моторов номинальный коэффициент сжатия составляет порядка 9-10, реже 11 единиц. Поэтому, когда происходит впрыск необходимо использование свечей зажигания.
Дизельный двигатель
В цилиндрах работающего на дизеле движка коэффициент сжатия смеси может достигать показателя в 25 единиц, температура – 900 градусов. Поэтому смесь зажигается без использования свечи.
Электродвигатель
Автомобильный трехфазный асинхронный электродвигатель работает по совершенно другим законам, поэтому его мощность и КМ отличаются от традиционных кардинально. Электромотор состоит из ротора и статора, кратность которых позволяет выдавать пиковый КМ (600 Нм) на любой скорости. При этом мощность электродвигателя, например, у Теслы, составляет 416 л. с.
Чтобы ответить на вопрос – дизельный, бензиновый или электродвигатель лучше, надо сначала исключить третий вариант, поскольку электродвигатели пока не так распространены, как первые два типа.
ВАЖНО! Что касается выбора между бензиновым и дизельным двигателями, они в первую очередь отличаются мощностью и крутящим моментом. На практике это означает, что при одинаковом объеме двигателя дизельный быстрее разгоняется, а бензиновый позволяет давать более высокую скорость.
Кроме того, благодаря большему крутящему момент автомобиль, использующийся как грузовой, обладает большей грузоподъемностью за счет двигателя. Особенно если двигатель дизель-генераторный.
Соответствие электродвигателя нагрузке
Если нужно определить, отвечает ли вращающий момент определённого электродвигателя требованиям нагрузки, Вы можете сравнить характеристики скорости вращения/вращающего момента электродвигателя с характеристикой скорости вращения/ вращающего момента нагрузки. Вращающий момент, создаваемый электродвигателем, должен превышать потребный для нагрузки вращающий момент, включая периоды ускорения и полной скорости вращения.
Характеристика зависимости вращающего момента от скорости вращения стандартного электродвигателя и центробежного насоса.
Если мы посмотрим на характеристику , то увидим, что при ускорении электродвигателя его пуск производится при токе, соответствующем 550% тока полной нагрузки.
Когда двигатель приближается к своему номинальному значению скорости вращения, ток снижается. Как и следовало ожидать, во время начального периода пуска потери на электродвигателе высоки, поэтому этот период не должен быть продолжительным, чтобы не допустить перегрева.
Очень важно, чтобы максимальная скорость вращения достигалась как можно точнее. Это связано с потребляемой мощностью: например, увеличение скорости вращения на 1% по сравнению со стандартным максимумом приводит к 3%-ному увеличению потребляемой мощности.
Потребляемая мощность пропорциональна диаметру рабочего колеса насоса в четвертой степени.
Уменьшение диаметра рабочего колеса насоса на 10% приводит к уменьшению потребляемой мощности на (1- (0.9 * 0.9 * 0.9 * 0.9)) * 100 = 34%, что равно 66% номинальной мощности. Эта зависимость определяется исключительно на практике, так как зависит от типа насоса, конструкции рабочего колеса и от того, насколько вы уменьшаете диаметр рабочего колеса.
Почему крутящий момент важен?
Крутящий момент, в особенности при разработке систем с двигателями, которые обеспечивают правильную величину крутящего момента, невероятно важен в широком диапазоне различных применений.
Допустим, вы строите робота. Если вы хотите построить более крупного робота или робота, способного поднимать тяжелые предметы, вам понадобятся более мощные двигатели, способные создавать больший крутящий момент, чтобы заставить робота двигаться.
Для летательных аппаратов крутящий момент, создаваемый двигателями, напрямую определяет максимальную подъемную силу, которую могут создавать пропеллеры.
Рисунок 3 – Создание подъемной силы крутящим моментом.
Если вы строите автомобиль и хотите, чтобы он ускорялся быстрее, вам потребуется от двигателей больший крутящий момент – в автомобиле сила, движущая его вперед, равна (примерно) крутящему моменту двигателя, деленному на радиус колес.
Электромобили, такие как Tesla Model S, известны своим быстрым ускорением, потому что их электродвигатели генерируют огромную величину крутящего момента. Этот крутящий момент непосредственно передается в большую силу, применяемую колесами к поверхности дороги. Как учат основы физики, воздействие на объект большей силы заставит его ускоряться быстрее.
Время пуска электрдвигателя
Если нам необходимо подобрать типоразмер электродвигателя для определённой нагрузки, например для центробежных насосов, основная наша задача состоит в том, чтобы обеспечить соответствующий вращающий момент и мощность в номинальной рабочей точке, потому что пусковой момент для центробежных насосов довольно низкий. Время пуска достаточно ограниченно, так как вращающий момент довольно высокий.
Нередко для сложных систем защиты и контроля электродвигателей требуется некоторое время для их пуска, чтобы они могли замерить пусковой ток электродвигателя. Время пуска электродвигателя и насоса рассчитывается с помощью следующей формулы:
tпуск = время, необходимое электродвигателю насоса, чтобы достичь частоты вращения при полной нагрузке
n = частота вращения электродвигателя при полной нагрузке
Iобщ = инерция, которая требует ускорения, т.е. инерция вала электродвигателя, ротора, вала насоса и рабочих колёс.
Момент инерции для насосов и электродвигателей можно найти в соответствующих технических данных.
Мизб = избыточный момент, ускоряющий вращение. Избыточный момент равен вращающему моменту электродвигателя минус вращающий момент насоса при различных частотах вращения.
Мизб можно рассчитать по следующим формулам:
Как видно из приведённых вычислений, выполненных для данного примера с электродвигателем мощностью 4 кВт насоса CR, время пуска составляет 0,11 секунды.
Расчет пускового момента
Он определяется по определенной формуле. Величина кратности может варьироваться в промежутке от 1.5 до 6. Важно соблюдать правило, в соответствии с которым статический момент всегда должен оказываться меньше пускового. Без этого невозможно добиться корректной работы мотора. Чтобы понять, как определяется кратность ПМ асинхронника, нужно разобраться в самом механизме работы устройства. Непосредственно при запуске электрический мотор будет потреблять пусковой ток, показатель его существенно выше, чем у рабочего. Именно величина, которая обозначает разницу между указанными токами, обозначается как кратность, ее принято учитывать, как коэффициент. Но номинальный и рабочий токи – это разные обозначения, которые не стоит путать. Кратность тока обусловлена мощностью мотора. Если мощность невелика, то пусковой ток высокий. Как определить пусковой момент электродвигателя и как определить пусковой момент асинхронного двигателя? Существует формула пусковой момент АЭД для расчета. Можно воспользоваться методом электрических измерений или воспользоваться специальными таблицами.
Число пусков электродвигателя в час
Современные сложные системы управления электродвигателями могут контролировать число пусков в час каждого конкретного насоса и электродвигателя. Необходимость контроля этого параметра состоит в том, что каждый раз, когда осуществляется пуск электродвигателя с последующим ускорением, отмечается высокое потребление пускового тока. Пусковой ток нагревает электродвигатель. Если электродвигатель не остывает, продолжительная нагрузка от пускового тока значительно нагревает обмотки статора электродвигателя, что приводит к выходу из строя электродвигателя или сокращению срока службы изоляции.
Обычно за количество пусков, которое может выполнить электродвигатель в час, отвечает поставщик электродвигателя. Например, Grundfos указывает максимальное число пусков в час в технических данных на насос, так как максимальное количество пусков зависит от момента инерции насоса.
Какой максимальный вращающий момент и как его можно увеличить?
Мощность двигателя – важнейший его показатель. Как в плане эксплуатации, так и в плане начисления налогов на авто. Крутящий момент нередко путают с мощностью или упускают его из виду в процессе оценки ходовых качеств авто. Многие упрощают автомобиль, считая, что большое количество лошадиных сил – главное преимущество любого мотора. Однако, вращающий момент – более важный показатель. Особенно, если автомобиль не предполагается использовать в качестве спортивного.
