Меню

Что такое мощность электродвигателя станка

Как рассчитать потребляемую мощность двигателя

В этой статье мы разберем, что такое мощность трехфазного асинхронного двигателя и как ее рассчитать.

Понятие мощности электродвигателя

Мощность – пожалуй, самый важный параметр при выборе электродвигателя. Традиционно она указывается в киловаттах (кВт), у импортных моделей – в киловаттах и лошадиных силах (л.с., HP, Horse Power). Для справки: 1 л.с. приблизительно равна 0,75 кВт.

На шильдике двигателя указана номинальная полезная (отдаваемая механическая) мощность. Это та мощность, которую двигатель может отдавать механической нагрузке с заявленными параметрами без перегрева. В формулах номинальная механическая мощность обозначается через Р2.

Электрическая (потребляемая) мощность двигателя Р1 всегда больше отдаваемой Р2, поскольку в любом устройстве преобразования энергии существуют потери. Основные потери в электродвигателе – механические, обусловленные трением. Как известно из курса физики, потери в любом устройстве определяются через КПД (ƞ), который всегда менее 100%. В данном случае справедлива формула:

КПД в двигателях зависит от номинальной мощности – у маломощных моделей он может быть менее 0,75, у мощных превышает 0,95. Приведенная формула справедлива для активной потребляемой мощности. Но, поскольку электродвигатель является активно-реактивной нагрузкой, для расчета полной потребляемой мощности S (с учетом реактивной составляющей) нужно учитывать реактивные потери. Реактивная составляющая выражается через коэффициент мощности (cosϕ). С её учетом формула номинальной мощности двигателя выглядит так:

Мощность и нагрев двигателя

Номинальная мощность обычно указывается для температуры окружающей среды 40°С и ограничена предельной температурой нагрева. Поскольку самым слабым местом в двигателе с точки зрения перегрева является изоляция, мощность ограничивается классом изоляции обмотки статора. Например, для наиболее распространенного класса изоляции F допустимый нагрев составляет 155°С при температуре окружающей среды 40°С.

В документации на электродвигатели приводятся данные, из которых видно, что номинальная мощность двигателя падает при повышении температуры окружающей среды. С другой стороны, при должном охлаждении двигатели могут длительное время работать на мощности выше номинала.

Мы рассмотрели потребляемую и отдаваемую мощности, но следует сказать, что реальная рабочая потребляемая мощность P (мощность на валу двигателя в данный момент) всегда должна быть меньше номинальной:

Если необходимо рассчитать потребляемую активную мощность, используем следующую формулу:

Р1 = 1,73 · U · I · ƞ

Именно активную мощность измеряют счетчики электроэнергии. В промышленности для измерения реактивной (и полной мощности S) применяют дополнительное оборудование. При данном способе можно не использовать приведенную формулу, а поступить проще – если двигатель подключен в «звезду», измеренное значение тока умножаем на 2 и получаем приблизительную мощность в кВт.

Расчет мощности при помощи счетчика электроэнергии

Этот способ прост и не требует дополнительных инструментов и знаний. Достаточно подключить двигатель через счетчик (трехфазный узел учета) и узнать разницу показаний за строго определенное время. Например, при работе двигателя в течении часа разница показаний счетчика будет численно равна активной мощности двигателя (Р1). Но чтобы получить номинальную мощность Р2, нужно воспользоваться приведенной выше формулой.

Источник



Определение мощности электродвигателя

Привода главного движения станков

Особенности проектирования и расчета

Алго­ритм проектирования главного привода металлорежущих станков включает следующие процедуры:

— предварительный анализ исходных тех­нологических данных по обработке заданной совокупности деталей и технических требова­ний к станку и определение технических ха­рактеристик — номинальной мощности Р ном, значений n шп. min, n шп. max диапазонов регули­рования скорости и других, необходимых для кинематического синтеза и проектировочных силовых расчетов;

— выбор схемы построения привода (табл. 1), обеспечивающей основные техниче­ские требования и характеристики;

— выбор приводного электродвигателя по номинальной мощности и схеме построения привода;

— синтез кинематики привода на основе выбранной схемы построения, определяющий кинематическую схему механизма;

— проектировочный силовой расчет при­водного механизма и эскизное проектирова­ние;

— разработка рабочего проекта и проведе­ние комплекса поверочных расчетов.

Мощность при­водного электродвигателя расходуется на по­лезную работу в процессе резания и на различного рода потери в приводе. Определение номинальной мощности двигателя осуществ­ляют на практике разными методами прибли­женно или более точно и надежно. Прибли­женный способ — по наиболее тяжелому режи­му, допускаемому режущим инструментом, или по станку-аналогу, применяется в основ­ном для универсальных станков различных типов и ведет, как правило, к завышению мощности, габаритов и стоимости привода и станка в целом. Более точный метод определе­ния на основе полной картины нагружения — распределения (гистограммы, нагрузочного графика) мощности резания Р эф и крутящего момента М эф, учета характера и длительности циклов обработки изделий, возникающих ди­намических нагрузок используется и для уни­версальных, и для специальных, специализи­рованных, агрегатных станков.

Значения Р эф и М эф подсчитывают по эмпирическим формулам для всех технологических переходов процесса обработки деталей-представителей (универсальные станки) или конкретных деталей, предназна­ченных для обработки на данном станке (специальные и специализированные станки), а затем пересчитывают для вала электродвига­теля с учетом потерь в механизме, кинемати­ческих соотношений и характеристик регули­рования. Для полученных распределений оп­ределяются характеристики, необходимые при выборе мощности и крутящего момента элек­тродвигателя — эквивалентные (среднеквад­ратичные) Р экв и М экв и максимальные (ра­бочие и пусковые) значения Р max, М max и М п.

Выбор мощности Р пот на основе распре­деления нагрузки на валу приводного электро­двигателя проводится по техническим крите­риям — предельно допустимому нагреву и пе­регрузкам и технико-экономическому крите­рию — наибольшей производительности или наименьшим приведенным затратам. Техниче­ские критерии для всех случаев берутся одни и те же. При определении мощности двигателя для станков специальных, специализирован­ных, а также некоторой части универсальных, используется критерий максимальной производительности в виде условия обеспечения наибольшей мощности рабочего режима. Выбор Р пот электродвигателя осуществляется по расчетному значению мощности Р расч, причем Р расч = Р экв, если , и Р расч = , если . Здесь К п -коэффициент нагрузочной способности двига­теля по мощности: отношение номинальных значений мощности при длительном непре­рывном режиме работы и при тридцати (пятнадцати) минутном режиме (обычно К п = 1,3. 1,4 для регулируемых электродвигате­лей и К п = 1,5. 1,6 для нерегулируемых асинхронных двигателей). Для станков с большими пусковыми нагрузками проводится дополнительная проверка двигателя по этому критерию.

Читайте также:  Как усилить мощность сабвуфера

Для проверки правильности выбора электродвигателя на последующих стадиях проектирования рекомендуется провести со­поставление диаграмм максимальных значений мощности (крутящих моментов) на шпинделе, соответствующих технологическим требовани­ям обработки (на различных n шп, инструмен­тами из разных материалов), с учетом пер­спективных режимов резания и располагаемых приводом.

Для универсальных станков целесообраз­но определять оптимальную мощность, соот­ветствующую минимуму приведенных затрат (на изготовление и эксплуатацию), если извес­тен весь набор конкретных экономических данных, входящих в функцию затрат, связан­ных с мощностью привода. На практике из-за упрощенного подхода к анализу исходных технологических данных и потерь мощности, отсутствию оценок оптимальности часто отме­чается завышение мощности двигателя по крайней мере на одну ступень или габарит.

Потери мощности и КПД механической части привода и элек­тропривода необходимо знать для определения обеспечиваемой станком мощности резания, правильного выбора типа привода и мощности электродвигателя, уточнения расчетных нагру­зок для силовых расчетов, оценки расхода и потерь электроэнергии.

В приводах современного автоматизиро­ванного оборудования при определении по­терь учитывают влияние регулирования скоро­сти и изменения уровня нагрузки, новые типы конструктивных элементов — ременных пере­дач, шпиндельных опор, новые виды смазоч­ных материалов, влияние температуры смазки и т.п.

Величина потерь в механической части зависит от типа и сложности кинематической схемы и схемы построения привода, смазки, вида вращающихся (перемещающихся) эле­ментов и их параметров, величины n шп и Р эф.

Для уменьшения потерь холостого хода и общих потерь в механической части привода выбирают схемы с короткими кинематическими цепями, применяют регулируемый элек­тродвигатель с упрощенным передаточным механизмом, сложенные кинематические структуры, используют для опор скоростных валов подшипники с малым трением и систе­мы минимальной смазки.

В приводах с регулируемыми электро­двигателями и короткими кинематическими цепями (табл. 1, схемы 6. 12) КПД по мощности механической части составляет при полной нагрузке η м ≈ 0,9. 0,95 на расчетной частоте вращения n шп.р и

η м = 0,7. 0,8 на n шп. max ( n шп. max ≤ 4000 мин -1 ). В приводах с асинхронным нерегулируемым двигателем и многоступенчатыми механизмами (схемы 1. 5) η м = 0,75. 0,85 (при n шп.р) и

Потери мощности электрической части привода определяются суммой потерь в элек­тродвигателе и преобразователе.

С учетом потерь в электроприводе об­щий КПД по мощности главного привода с регулируемым двигателем (схемы 6. 12) со­ставляет при полной нагрузке η о = η м η эл ≈ 0,7. 0,8 на n шп.р и η о = 0,5. 0,7 на n шп. max. В приводе с нерегулируемым элек­тродвигателем и развитым многоступенчатым механизмом (схемы 1. 5) η о = 0,65. 0,75 на n шп.р и η о = 0,5. 0,7 на n шп. max. Приводы с упрощенной механической частью, но более сложным электроприводом в отношении общего КПД и суммарных энергетических потерь примерно равнозначны приводам с простым односкоростным электродвигателем и многовальной многоступенчатой коробкой скоростей или редуктором.

КПД по электроэнергии привода (отно­шение расхода электроэнергии на работу, со­вершаемую на выходе привода станка, к рас­ходу электроэнергии на работу, совершаемую на входе привода, при заданных режимах нагружения и времени работы), определенное с учетом типовых переменных режимов работы главного привода, составляет: для механиче­ской части (по схемам 6. 12) η эм = 0,7. 0,9; 0,6. 0,7 (по схемам 1-5). Общий η эо = 0,5. 0,75 (схемы 6 — 12), η эо = 0,45. 0,65 (схемы 1. 5).

Синтез кинематики вклю­чает выбор подходящих вариантов схем построения привода, разбиение диапазона регулирования и общего передаточного числа и между электроприводом и соответствующими узлами механической части, расчет вариантов структурных сеток, построение графиков час­тот вращения и кинематической схемы меха­низма.

В приводе с регулируемым электродвига­телем разделение общего диапазона между двигателем и механической частью стремятся осуществить таким образом, чтобы обеспечить необходимое перекрытие соседних поддиапазонов частот вращения шпинделя или неболь­шой разрыв между ними (если это оправдано характером технологического процесса). При ступенчатом и комбинированном регулирова­нии для синтеза кинематики используют зако­номерности геометрического ряда ступеней скорости. При расчете структурных сеток передаточные отношения зубчатых передач огра­ничивают величиной редукции 4 и повышения 2.

Кинематические структуры применяют двух видов — множительные (с последовательно соединенными группами передач между соседними валами) и сложенные (с пропуском ряда валов при реализации некоторых ступе­ней скоростей). Множительные структуры обычно приводят к длинной многоваловой кинематической цели, а сложенные позволяют упростить конструкцию, уменьшить число зубчатых колес, сократить габариты, металло­емкость и стоимость привода. Сложенные структуры способствуют уменьшению потерь мощности на высоких скоростях, повышению КПД и надежности, улучшению динамиче­ского качества. При отборе подходящего гра­фика частот вращения (варианты которых представляют различные сочетания передаточ­ных отношений, удовлетворяющие заданным ограничениям) руководствуются в первую оче­редь следующими критериями: длиной кине­матических цепей привода, его габаритами и трудоемкостью изготовления.

Читайте также:  Регулятор мощности для телевизора

Сокращение длины и упрощение кинематических цепей улучшает экономические показатели, повыша­ет надежность привода и КПД, улучшает ди­намические характеристики и уменьшает чис­ло источников погрешностей.

Габариты пере­дач, влияющие на размеры и массу корпусных деталей, существенно зависят от частоты вра­щения валов n в, поскольку n в обратно про­порциональна диаметру вала в четвертой сте­пени и модулю зубчатого колеса в кубе. Реко­мендуют входной и первые промежуточные валы проектировать достаточно быстроходны­ми, наибольшую редукцию осуществлять в передачах на шпиндель и предшпиндельной, соблюдая, по возможности, принцип веерооб­разного построения графика частот вращения.

Трудоемкость и сроки проектирования и изго­товления привода значительно сокращаются для тех вариантов кинематики, которые позво­ляют компоновать привод (полностью или частично) из покупных, унифицированных узлов (модулей) — коробок передач, редукто­ров, мотор-редукторов, шпиндельных бабок и т.п. Централизованное изготовление таких узлов на специализированных производствах обеспечивает более высокое качество и надеж­ность привода, однако при непродуманной унификации могут ухудшиться возможности главного привода по обеспечению технологи­ческих характеристик станка.

Основные методы уменьше­ния динамических нагрузок и колебаний, возникающих в главном при­воде при переходных процессах и прерыви­стом резании:

оптимизация процессов разгона и тор­можения на любой частоте вращения шпинде­ля применением в главном приводе регули­руемых электроприводов, позволяющих на­стройку переходных процессов по требуемому закону; подбор рациональных параметров конст­рукции и кинематики привода, влияющих на величину изгибно-крутильной жесткости и собственных частот системы;

применение демпфирующих и предохра­нительных элементов и устройств (ременные передачи, муфты с упругими и упругодемпфирующими элементами, специальные демпферы и динамические гасители колеба­ний).

Значения динамических характеристик при переходных процессах в приводах с регу­лируемыми электродвигателями зависят от кратности приведенного момента инерции привода γ 0 и уста­новленного токоограничения в электроприводе. Время пуска и торможения для та­ких приводов зависит, кроме того, от типа реверса электропривода и некоторых других электротехнических характеристик.

Динамические характеристики при пуске и торможении в приводах с нерегулируемым асинхронным электродвигателем зависят от γ 0, коэффициента К λ max = М дв. max / М дв.н (из каталога электродвигателей), отношения низ­шей собственной частоты f 1 привода к частоте электросети f 0. При наличии в приводе авто­матизированной коробки скоростей (передач) АКС с электромагнитными муфтами динами­ческий момент в механизме определяется импульсом электромагнитной муфты на входном валу и соотношением час­тот вращения выходного и входного валов коробки.

При конструировании привода главного движения станков с прерывистым характером резания (фрезерных, зубофрезерных) установ­кой маховика вблизи шпинделя и введением упругой муфты (ременной передачи) в скоро­стную цепь достигают снижения перегрузок при переходных процессах и отстройки от резонанса ( f c f и, где f c — собственная частота привода; f и — частота врезания ножей фре­зы). При этом для избежания резонансных явлений при работе станков в нижней части диапазона частот вращения шпинделя со сравнительно невысокими значениями f и стремят­ся выполнять условие f c >> f и: увеличивают жесткость валов, избегают повышающих пере­дач в нижней части диапазона скоростей, рас­полагают понижающие передачи в конце це­пи — ближе к шпинделю. В приводах главного движения расточных, фрезерных, зубофрезер­ных, токарных и некоторых других станков находят применение динамические гасители колебаний и демпферы разных типов.

Расчеты привода глав­ного движения со сформированной кинематикой проводят: на прочность, нагру­зочную способность и жесткость деталей меха­низма, на крутильную жесткость механизма, для определения энергетических и динамиче­ских характеристик привода. Расчеты привода подразделяют на проектировочные, служащие для определения основных конструктивных параметров деталей и механизма в целом, и поверочные, позволяющие оценить работоспо­собность спроектированного привода.

Особенностью силовых расчетов привода главного движения является учет переменности режимов и характера нагружения деталей, отражающий специфику нагружения металло­режущих станков. Детали главного привода рассчитывают на выносливость и проверяют по условию прочности при действии макси­мальных нагрузок (напряжений) статического или ударного характера. Расчет на выносли­вость ведется по расчетной номинальной на­грузке, за которую принимают наибольшую длительно действующую нагрузку рабочего режима, и расчетному режиму нагружения.

Исходную расчетную нагрузку в станках об­щего назначения с ручным управлением опре­деляют на шпинделе по номинальной мощно­сти и расчетной частоте вращения (начиная с которой станок работает с исполь­зованием полной мощности). Выбор расчетной нагрузки для современных автоматизированных станков с ЧПУ (и других) реко­мендуют проводить исходя из технологических требований к величине наибольшего крутя­щего момента на шпинделе.

При расчете на прочность при макси­мальной нагрузке величина расчетной нагруз­ки выбирается по рекомендациям РТМг Н45-1-80 и др.

Расчетные режимы нагружения при рас­чете деталей на выносливость учитываются при определении допускаемых напряжений (эквивалентного числа циклов нагружений) или в форме коэффициента переменности (долговечности) при расчетной нагрузке. Оп­ределение расчетных режимов и соответст­вующих коэффициентов проводится на основе анализа фактических режимов нагружения или использования типовых режимов нагрузок.

Расчет зубчатых колес проводится по ГОСТ 21354-87 и РТМ2 Н45-1-80 — по крите­риям изгибной и контактной выносливости, прочности (при действии максимальной на­грузки), глубинной контактной прочности (для колес с поверхностно упрочненными зубьями).

Расчет конических зубчатых колес с круговым зубом, по форме унифицированный с расче­том цилиндрических зубчатых колес, учитывает опытные данные и рекомен­дации фирмы Глиссон.

Расчет цилиндриче­ских червячных передач с эвольвентными, конволютными и архимедовыми червяками ведут по критериям контактной и изгибной выносливости и прочности (при действии максимальной нагрузки) зубьев колеса.

Ременные передачи с клиновыми (нормального сечения и узкими), поликлиновыми, плоско­зубчатыми (с трапециевидным и полукруглым зубом) и плоскими ремнями рассчитывают по критериям тяговой способности и выносливо­сти по ГОСТ 1284.3-80, ОСТ 38 05227-81.

Читайте также:  Что такое мощность всасывания компрессора

Валы редукторов и коробок скоростей (двух- и многоопорных) рассчитывают на прочность и жесткость — при необходимости с учетом по­датливости опор.

Расчет подшипников каче­ния на статическую и динамическую грузо­подъемность проводят с использованием спра­вочников — каталогов подшипников.

Рас­чет шпоночных и шлицевых соединений вал-ступица проводят на смятие и, соответственно, на смятие и износ (с учетом неравномерности распределения нагрузки между шлицами, дав­ления, влияния приработки) по ГОСТ 21425-75.

Расчет муфт ведут по критериям: прочности сцепления и стойкости рабо­чих поверхностей (фрикционные сцепные муфты), прочности и ресурса кулачков (кулачковые сцепные муфты), стойкости рези­новых втулок и прочности пальцев (втулочно-пальцевые упругие муфты), прочности на срез штифта (предохранительные муфты с разру­шающимся элементом).

При расчете крутильной жесткости меха­низма на заданных частотах вращения шпин­деля определяют баланс крутильных деформа­ций, суммарный угол закручивания цепи при­вода, относительное линейное смешение инст­румента и изделия в зоне резания.

Расчет энергетических характеристик привода позволяет уточнить КПД механиче­ской части с учетом температуры смазки, влияния регулирования скорости и перемен­ных режимов нагружения, определить расход электроэнергии в главном приводе, включая потери в электроприводе и в механи­ческой части.

Динамические расчеты привода главного движения осуществляют для многомассовых систем, включающих, как передаточный меха­низм, так и электропривод (двигатель и систе­ма регулирования частоты вращения). При полном расчете учитывается влияние на колебательные процессы в системе зазоров в стыках моментов сил трения. Определяются ди­намические перегрузки в элементах привода, длительность пуска и торможения, перерегу­лирование по скорости, величина падения скорости под нагрузкой, амплитуды колебаний нагрузок и скорости при действии периодиче­ских возмущающих нагрузок, неравномерность вращения шпинделя и т.п. Возможны упрощенные динамические расчеты для опреде­ления ориентировочных значений характери­стик переходных процессов: времени пуска (разгона) и торможения, наибольших динами­ческих нагрузок — с помощью простых зависи­мостей, полученных для типовых схем по­строения привода (двух-, четырех массовых, систем).

Источник

Основные параметры электродвигателя

Основные параметры электродвигателя

  • Мощность электродвигателя
  • Номинальная частота вращения
  • Коэффициент полезного действия
  • Момент электродвигателя
  • Момент инерции ротора
  • Номинальное напряжение
  • Электрическая постоянная времени

Мощность электродвигателя

Мощность электродвигателя — это полезная механическая мощность на валу электродвигателя.

Механическая мощность

Мощность — физическая величина, показывающая какую работу механизм совершает в единицу времени.

  • где P – мощность, Вт,
  • A – работа, Дж,
  • t — время, с

Работа — скалярная физическая величина, равная произведению проекции силы на направление F и пути s, проходимого точкой приложения силы.

  • где s – расстояние, м

Для вращательного движения

  • где ω – углавая частота, рад/с,

Таким образом можно вычислить значение механической мощности на валу вращающегося электродвигателя

Частота вращения

  • где n — частота вращения электродвигателя, об/мин

Момент инерции ротора

Момент инерции — скалярная физическая величина, являющаяся мерой инертности тела во вращательном движении вокруг оси, равна сумме произведений масс материальных точек на квадраты их расстояний от оси

  • где J – момент инерции, кг∙м 2 ,
  • m — масса, кг

1 oz∙in∙s 2 = 0,007062 kg∙m 2 (кг∙м 2 )

Момент инерции связан с моментом силы следующим соотношением

  • где ε – угловое ускорение, с -2

Коэффициент полезного действия электродвигателя

Коэффициент полезного действия (КПД) электродвигателя — характеристика эффективности машины в отношении преобразования электрической энергии в механическую.

  • где η – коэффициент полезного действия электродвигателя,
  • P1 — подведенная мощность (электрическая), Вт,
  • P2 — полезная мощность (механическая), Вт
      При этом

потери в электродвигатели

    обусловлены:
  • электрическими потерями — в виде тепла в результате нагрева проводников с током;
  • магнитными потерями — потери на перемагничивание сердечника: потери на вихревые токи, на гистерезис и на магнитное последействие;
  • механическими потерями — потери на трение в подшипниках, на вентиляцию, на щетках (при их наличии);
  • дополнительными потерями — потери вызванные высшими гармониками магнитных полей, возникающих из-за зубчатого строения статора, ротора и наличия высших гармоник магнитодвижущей силы обмоток.

КПД электродвигателя может варьироваться от 10 до 99% в зависимости от типа и конструкции.

Международная электротехническая комиссия (International Electrotechnical Commission) определяет требования к эффективности электродвигателей. Согласно стандарту IEC 60034-31:2010 определено четыре класса эффективности для синхронных и асинхронных электродвигателей: IE1, IE2, IE3 и IE4.

IEC 60034-31

Номинальное напряжение

Номинальное напряжение (англ. rated voltage) — напряжение на которое спроектирована сеть или оборудование и к которому относят их рабочие характеристики.

Электрическая постоянная времени

Электрическая постоянная времени — это время, отсчитываемое с момента подачи постоянного напряжения на электродвигатель, за которое ток достигает уровня в 63,21% (1-1/e) от своего конечного значения.

  • где – постоянная времени, с

Момент электродвигателя

Вращающий момент (синонимы: вращательный момент, крутящий момент, момент силы) — векторная физическая величина, равная произведению радиус вектора, проведенного от оси вращения к точке приложения силы, на вектор этой силы.

  • где M – вращающий момент, Нм;
  • F – сила, Н;
  • r – радиус-вектор, м

  • где Pном – номинальная мощность двигателя, Вт,
  • nном — номинальная частота вращения, мин -1

Начальный пусковой момент — момент электродвигателя при пуске.

1 oz = 1/16 lb = 0,2780139 N (Н)
1 lb = 4,448222 N (Н)

момент измеряется в унция-сила на дюйм (oz∙in) или фунт-сила на дюйм (lb∙in)

1 oz∙in = 0,007062 Nm (Нм)
1 lb∙in = 0,112985 Nm (Нм)

Механическая характеристика

Механическая характеристика двигателя представляет собой графически выраженную зависимость частоты вращения вала от электромагнитного момента при неизменном напряжении питания.

Области применения электродвигателей

Электродвигатели являются крупнейшими потребителями электроэнергии в мире, на них приходится около 45% от всей потребляемой электроэнергии.

Источник

Adblock
detector