En électromécanique, il existe de nombreux variateurs qui fonctionnent avec des charges constantes sans modifier la vitesse de rotation. Ils sont utilisés dans les équipements industriels et domestiques tels que les ventilateurs, les compresseurs et autres. Si les caractéristiques nominales sont inconnues, la formule de la puissance du moteur électrique est utilisée pour les calculs. Les calculs de paramètres sont particulièrement pertinents pour les variateurs nouveaux et peu connus. Le calcul est effectué à l'aide de coefficients spéciaux, ainsi que sur la base de l'expérience accumulée avec des mécanismes similaires. Les données sont indispensables au bon fonctionnement des installations électriques.
Qu'est-ce qu'un moteur électrique ?
Un moteur électrique est un appareil qui convertit l'énergie électrique en énergie mécanique. Le fonctionnement de la plupart des unités dépend de l'interaction du champ magnétiquechamps avec l'enroulement du rotor, qui s'exprime dans sa rotation. Ils fonctionnent à partir de sources d'alimentation CC ou CA. L'alimentation peut être une batterie, un onduleur ou une prise de courant. Dans certains cas, le moteur fonctionne en sens inverse, c'est-à-dire qu'il convertit l'énergie mécanique en énergie électrique. De telles installations sont largement utilisées dans les centrales électriques alimentées par air ou eau.
Les moteurs électriques sont classés selon le type de source d'alimentation, la conception interne, l'application et la puissance. De plus, les variateurs de fréquence peuvent avoir des balais spéciaux. Ils fonctionnent en tension monophasée, biphasée ou triphasée, sont refroidis par air ou par liquide. Formule de puissance du moteur AC
P=U x I, où P est la puissance, U est la tension, I est le courant.
Les variateurs à usage général, avec leur taille et leurs caractéristiques, sont utilisés dans l'industrie. Les plus gros moteurs d'une capacité de plus de 100 mégawatts sont utilisés dans les centrales électriques des navires, des compresseurs et des stations de pompage. Les petites tailles sont utilisées dans les appareils électroménagers comme les aspirateurs ou les ventilateurs.
Conception de moteurs électriques
Drive comprend:
- Rotor.
- Stator.
- Roulements.
- Espace d'air.
- Enroulement.
- Commutateur.
Rotor est la seule partie mobile du disque qui tourne autour de son propre axe. Courant traversant les conducteursforme une perturbation inductive dans le bobinage. Le champ magnétique généré interagit avec les aimants permanents du stator, ce qui met l'arbre en mouvement. Ils sont calculés selon la formule de la puissance du moteur électrique par courant, pour laquelle le rendement et le facteur de puissance sont pris, y compris toutes les caractéristiques dynamiques de l'arbre.
Les roulements sont situés sur l'arbre du rotor et contribuent à sa rotation autour de son axe. La partie extérieure, ils sont attachés au carter du moteur. L'arbre les traverse et sort. Comme la charge dépasse la zone de travail des roulements, on parle de surplomb.
Le stator est un élément fixe du circuit électromagnétique du moteur. Peut inclure des aimants bobinés ou permanents. Le noyau du stator est constitué de fines plaques métalliques, appelées ensemble d'induit. Il est conçu pour réduire la perte d'énergie, ce qui se produit souvent avec des tiges solides.
L'entrefer est la distance entre le rotor et le stator. Un petit écart est efficace, car il affecte le faible coefficient de fonctionnement du moteur électrique. Le courant magnétisant augmente avec la taille de l'entrefer. Par conséquent, ils essaient toujours de le rendre minimal, mais dans des limites raisonnables. Une distance trop petite provoque un frottement et un desserrage des éléments de verrouillage.
L'enroulement est constitué de fil de cuivre assemblé en une seule bobine. Généralement posé autour d'un noyau magnétisé doux, composé de plusieurs couches de métal. La perturbation du champ d'induction se produit au momentcourant traversant les fils de bobinage. À ce stade, l'unité entre en mode de configuration explicite et implicite des pôles. Dans le premier cas, le champ magnétique de l'installation crée un bobinage autour de la pièce polaire. Dans le second cas, les encoches de la pièce polaire du rotor sont dispersées dans le champ distribué. Le moteur du pôle ombragé a un enroulement qui supprime les perturbations magnétiques.
Le commutateur est utilisé pour commuter la tension d'entrée. Il est constitué d'anneaux de contact situés sur l'arbre et isolés les uns des autres. Le courant d'induit est appliqué aux balais de contact du commutateur rotatif, ce qui entraîne un changement de polarité et fait tourner le rotor de pôle à pôle. S'il n'y a pas de tension, le moteur s'arrête de tourner. Les machines modernes sont équipées d'une électronique supplémentaire qui contrôle le processus de rotation.
Principe de fonctionnement
Selon la loi d'Archimède, le courant dans le conducteur crée un champ magnétique dans lequel agit la force F1. Si un cadre métallique est fabriqué à partir de ce conducteur et placé dans le champ à un angle de 90°, les bords subiront des forces dirigées dans la direction opposée l'une par rapport à l'autre. Ils créent un couple autour de l'axe, qui commence à le faire tourner. Les bobines d'armature fournissent une torsion constante. Le champ est créé par des aimants électriques ou permanents. La première option est réalisée sous la forme d'une bobine enroulée sur un noyau en acier. Ainsi, le courant de boucle génère un champ d'induction dans l'enroulement de l'électroaimant, qui génère un électromoteurforce.
Considérons plus en détail le fonctionnement des moteurs asynchrones en utilisant l'exemple des installations avec un rotor de phase. De telles machines fonctionnent en courant alternatif avec une vitesse d'induit qui n'est pas égale à la pulsation du champ magnétique. Par conséquent, ils sont également appelés inductifs. Le rotor est entraîné par l'interaction du courant électrique dans les bobines avec le champ magnétique.
Lorsqu'il n'y a pas de tension dans l'enroulement auxiliaire, l'appareil est au repos. Dès qu'un courant électrique apparaît sur les contacts du stator, un champ magnétique constant dans l'espace se forme avec une ondulation de +F et -F. Il peut être représenté par la formule suivante:
pr=nrev=f1 × 60 ÷ p=n1
où:
pr - le nombre de tours que le champ magnétique fait dans le sens direct, rpm;
rev - nombre de tours du champ dans la direction opposée, rpm;
f1 - fréquence d'ondulation du courant électrique, Hz;
p - nombre de pôles;
1 - RPM total.
En proie aux pulsations du champ magnétique, le rotor reçoit un mouvement initial. En raison de l'impact non uniforme du flux, il développera un couple. Selon la loi de l'induction, une force électromotrice se forme dans un enroulement court-circuité, ce qui génère un courant. Sa fréquence est proportionnelle au glissement du rotor. En raison de l'interaction du courant électrique avec un champ magnétique, un couple d'arbre est créé.
Il existe trois formules pour le calcul des performancespuissance d'un moteur électrique asynchrone. Par déphasage, utilisez
S=P ÷ cos (alpha), où:
S est la puissance apparente mesurée en Volt-Amps.
P - puissance active en Watts.
alpha - déphasage.
La pleine puissance fait référence à l'indicateur réel et la puissance active est celle calculée.
Types de moteurs électriques
Selon la source d'alimentation, les variateurs sont divisés en ceux fonctionnant à partir de:
- DC.
- AC.
Selon le principe de fonctionnement, ils sont à leur tour divisés en:
- Collecteur.
- Valve.
- Asynchrone.
- Synchrone.
Les moteurs de ventilation n'appartiennent pas à une classe distincte, car leur dispositif est une variante de l'entraînement du collecteur. Leur conception comprend un convertisseur électronique et un capteur de position du rotor. Habituellement, ils sont intégrés avec le tableau de commande. À leurs dépens, une commutation coordonnée de l'armature se produit.
Les moteurs synchrones et asynchrones fonctionnent exclusivement en courant alternatif. La rotation est contrôlée par une électronique sophistiquée. Les asynchrones sont divisés en:
- Triphasé.
- Biphasé.
- Monophasé.
Formule théorique de la puissance d'un moteur électrique triphasé connecté en étoile ou en triangle
P=3Uf If cos(alpha).
Cependant, pour la tension et le courant linéaires, cela ressemble à ceci
P=1, 73 × Uf × If × cos(alpha).
Ce sera un véritable indicateur de la puissancele moteur capte depuis le réseau.
Synchrone subdivisé en:
- Étape.
- Hybride.
- Inducteur.
- Hystérésis.
- Réactif.
Les moteurs pas à pas ont des aimants permanents dans leur conception, ils ne sont donc pas classés dans une catégorie distincte. Le fonctionnement des mécanismes est contrôlé à l'aide de convertisseurs de fréquence. Il existe également des moteurs universels qui fonctionnent en courant alternatif et en courant continu.
Caractéristiques générales des moteurs
Tous les moteurs ont des paramètres communs qui sont utilisés dans la formule pour déterminer la puissance d'un moteur électrique. Sur cette base, vous pouvez calculer les propriétés de la machine. Dans différentes littératures, ils peuvent être appelés différemment, mais ils signifient la même chose. La liste de ces paramètres comprend:
- Couple.
- Puissance du moteur.
- Efficacité.
- Nombre nominal de tours.
- Moment d'inertie du rotor.
- Tension nominale.
- Constante de temps électrique.
Les paramètres ci-dessus sont nécessaires, tout d'abord, pour déterminer l'efficacité des installations électriques alimentées par la force mécanique des moteurs. Les valeurs calculées ne donnent qu'une idée approximative des caractéristiques réelles du produit. Cependant, ces indicateurs sont souvent utilisés dans la formule de la puissance du moteur électrique. C'est elle qui détermine l'efficacité des machines.
Couple
Ce terme a plusieurs synonymes: moment de force, moment moteur, couple, couple. Tous sont utilisés pour désigner un indicateur, bien que du point de vue de la physique, ces concepts ne soient pas toujours identiques.
Afin d'unifier la terminologie, des normes ont été développées qui rassemblent tout dans un seul système. Par conséquent, dans la documentation technique, l'expression "couple" est toujours utilisée. C'est une grandeur physique vectorielle, qui est égale au produit des valeurs vectorielles de la force et du rayon. Le rayon vecteur est tracé de l'axe de rotation au point de force appliquée. D'un point de vue physique, la différence entre couple et moment de rotation réside dans le point d'application de la force. Dans le premier cas, il s'agit d'un effort interne, dans le second - d'un effort externe. La valeur est mesurée en newtons mètres. Cependant, la formule de puissance du moteur utilise le couple comme valeur de base.
Il est calculé comme
M=F × r où:
M - couple, Nm;
F - force appliquée, H;
r - rayon, m.
Pour calculer le couple nominal de l'actionneur, utilisez la formule
Mnom=30Rnom ÷ pi × nnom, où:
Rnom - puissance nominale du moteur électrique, W;
nnom - vitesse nominale, min-1.
En conséquence, la formule de la puissance nominale du moteur électrique devrait ressembler à ceci:
Pnom=Mnom pinnom / 30.
Habituellement, toutes les caractéristiques sont indiquées dans la spécification. Mais il arrive que vous deviez travailler avec des installations complètement nouvelles,informations sur lesquelles il est très difficile de trouver. Pour calculer les paramètres techniques de tels appareils, les données de leurs analogues sont prises. Aussi, seules les caractéristiques nominales sont toujours connues, qui sont données dans le cahier des charges. Les données réelles doivent être calculées par vous-même.
Puissance du moteur
Dans un sens général, ce paramètre est une grandeur physique scalaire, qui s'exprime dans le taux de consommation ou de transformation de l'énergie du système. Il montre la quantité de travail que le mécanisme effectuera dans une certaine unité de temps. En électrotechnique, la caractéristique affiche la puissance mécanique utile sur l'arbre central. Pour indiquer l'indicateur, on utilise la lettre P ou W. L'unité de mesure principale est le watt. La formule générale de calcul de la puissance d'un moteur électrique peut être représentée par:
P=dA ÷ dt où:
A - travail mécanique (utile) (énergie), J;
t - temps écoulé, sec.
Le travail mécanique est aussi une grandeur physique scalaire, exprimée par l'action d'une force sur un objet, et dépendant de la direction et du déplacement de cet objet. C'est le produit du vecteur force et de la trajectoire:
dA=F × ds où:
s - distance parcourue, m.
Il exprime la distance qu'un point de force appliquée franchira. Pour les mouvements de rotation, il s'exprime par:
ds=r × d(teta), où:
teta - angle de rotation, rad.
De cette façon, vous pouvez calculer la fréquence angulaire de rotation du rotor:
omega=d(teta) ÷ dt.
De là suit la formule de la puissance du moteur électrique sur l'arbre: P \u003d M ×oméga.
Efficacité du moteur électrique
L'efficacité est une caractéristique qui reflète l'efficacité du système lors de la conversion de l'énergie en énergie mécanique. Elle s'exprime par le rapport entre l'énergie utile et l'énergie dépensée. Selon le système unifié d'unités de mesure, il est désigné par "eta" et est une valeur sans dimension, calculée en pourcentage. La formule du rendement d'un moteur électrique en termes de puissance:
eta=P2 ÷ P1 où:
P1 - puissance électrique (alimentation), W;
P2 - puissance (mécanique) utile, W;
Il peut aussi être exprimé comme:
eta=A ÷ Q × 100 %, où:
A - travail utile, J;
Q - énergie dépensée, J.
Plus souvent, le coefficient est calculé à l'aide de la formule de la consommation électrique d'un moteur électrique, car ces indicateurs sont toujours plus faciles à mesurer.
La diminution du rendement du moteur électrique est due à:
- Pertes électriques. Cela se produit à la suite de l'échauffement des conducteurs dû au passage du courant à travers eux.
- Perte magnétique. En raison d'une magnétisation excessive du noyau, une hystérésis et des courants de Foucault apparaissent, ce qu'il est important de prendre en compte dans la formule de puissance du moteur.
- Perte mécanique. Ils sont liés au frottement et à la ventilation.
- Pertes supplémentaires. Ils apparaissent en raison des harmoniques du champ magnétique, puisque le stator et le rotor sont dentés. Également dans l'enroulement, il y a des harmoniques plus élevées de la force magnétomotrice.
Il convient de noter que l'efficacité est l'un des éléments les plus importantsformules de calcul de la puissance d'un moteur électrique, car cela permet d'obtenir des chiffres les plus proches de la réalité. En moyenne, ce chiffre varie de 10% à 99%. Cela dépend de la conception du mécanisme.
Nombre nominal de tours
Un autre indicateur clé des caractéristiques électromécaniques du moteur est la vitesse de l'arbre. Elle est exprimée en tours par minute. Il est souvent utilisé dans la formule de puissance du moteur de la pompe pour connaître ses performances. Mais il faut se rappeler que l'indicateur est toujours différent pour le ralenti et le travail sous charge. L'indicateur représente une valeur physique égale au nombre de tours complets pendant une certaine période de temps.
Formule de calcul RPM:
n=30 × oméga ÷ pi où:
n - régime moteur, tr/min.
Afin de trouver la puissance du moteur électrique selon la formule de la vitesse de l'arbre, il est nécessaire de l'amener au calcul de la vitesse angulaire. Donc P=M × oméga ressemblerait à ceci:
P=M × (2pi × n ÷ 60)=M × (n ÷ 9, 55) où
t=60 secondes.
Moment d'inertie
Cet indicateur est une grandeur physique scalaire qui reflète une mesure de l'inertie du mouvement de rotation autour de son propre axe. Dans ce cas, la masse du corps est la valeur de son inertie lors du mouvement de translation. La caractéristique principale du paramètre est exprimée par la distribution des masses corporelles, qui est égale à la somme des produits du carré de la distance de l'axe au point de base et des masses de l'objet.mesure il est noté kg m2 et a est calculé par la formule:
J=∑ r2 × dm où
J - moment d'inertie, kg m2;
m - masse de l'objet, kg.
Moments d'inertie et efforts sont liés par la relation:
M - J × epsilon, où
epsilon - accélération angulaire, s-2.
L'indicateur est calculé comme suit:
epsilon=d(omega) × dt.
Ainsi, connaissant la masse et le rayon du rotor, vous pouvez calculer les paramètres de performance des mécanismes. La formule de puissance du moteur inclut toutes ces caractéristiques.
Tension nominale
Il est aussi appelé nominal. Il représente la tension de base, représentée par un ensemble standard de tensions, qui est déterminée par le degré d'isolation des équipements électriques et du réseau. En réalité, il peut différer en différents points de l'équipement, mais ne doit pas dépasser les conditions de fonctionnement maximales autorisées, conçues pour un fonctionnement continu des mécanismes.
Pour les installations conventionnelles, la tension nominale s'entend comme les valeurs calculées pour lesquelles elles sont fournies par le développeur en fonctionnement normal. La liste des tensions de réseau standard est fournie dans GOST. Ces paramètres sont toujours décrits dans les spécifications techniques des mécanismes. Pour calculer les performances, utilisez la formule de la puissance du moteur électrique par courant:
P=U × I.
Constante de temps électrique
Représente le temps nécessaire pour atteindre le niveau de courant jusqu'à 63 % après la mise sous tension duenroulements d'entraînement. Le paramètre est dû aux processus transitoires de caractéristiques électromécaniques, car ils sont fugaces en raison de la grande résistance active. La formule générale de calcul de la constante de temps est:
te=L ÷ R.
Cependant, la constante de temps électromécanique tm est toujours supérieure à la constante de temps électromagnétique te. le rotor accélère à vitesse nulle au ralenti maximum. Dans ce cas, l'équation prend la forme
M=Mst + J × (d(oméga) ÷ dt), où
Mst=0.
De là, nous obtenons la formule:
M=J × (d(oméga) ÷ dt).
En fait, la constante de temps électromécanique est calculée à partir du couple de démarrage - Mp. Un mécanisme fonctionnant dans des conditions idéales avec des caractéristiques rectilignes aura la formule:
M=Mp × (1 - oméga ÷ oméga0), où
omega0 - ralenti.
De tels calculs sont utilisés dans la formule de puissance du moteur de la pompe lorsque la course du piston dépend directement de la vitesse de l'arbre.
Formules de base pour le calcul de la puissance du moteur
Pour calculer les caractéristiques réelles des mécanismes, il faut toujours prendre en compte de nombreux paramètres. tout d'abord, vous devez savoir quel courant est fourni aux enroulements du moteur: continu ou alternatif. Le principe de leur travail est différent, par conséquent, la méthode de calcul est différente. Si la vue simplifiée du calcul de la puissance du variateur ressemble à ceci:
Pel=U × I où
I - force actuelle, A;
U - tension, V;
Pel - alimentation électrique fournie. mar.
Dans la formule de puissance du moteur AC, le déphasage (alpha) doit également être pris en compte. En conséquence, les calculs pour un entraînement asynchrone ressemblent à:
Pel=U × I × cos(alpha).
En plus de la puissance active (d'alimentation), il y a aussi:
- S - réactif, VA. S=P ÷ cos(alpha).
- Q - complet, VA. Q=je × U × sin(alpha).
Les calculs doivent également tenir compte des pertes thermiques et inductives, ainsi que des frottements. Par conséquent, un modèle de formule simplifié pour un moteur à courant continu ressemble à ceci:
Pel=Pmech + Rtep + Rind + Rtr, où
Рmeh - puissance générée utile, W;
Rtep - perte de chaleur, W;
Rind - coût de charge dans la bobine d'induction, W;
RT - perte due au frottement, W.
Conclusion
Les moteurs électriques sont utilisés dans presque tous les domaines de la vie humaine: dans la vie quotidienne, dans la production. Pour une utilisation correcte du variateur, il est nécessaire de connaître non seulement ses caractéristiques nominales, mais également les caractéristiques réelles. Cela augmentera son efficacité et réduira les coûts.
