En electromecánica, hay muchos accionamientos que funcionan con cargas constantes sin cambiar la velocidad de rotación. Se utilizan en equipos industriales y domésticos como ventiladores, compresores y otros. Si se desconocen las características nominales, se utiliza la fórmula para la potencia del motor eléctrico para los cálculos. Los cálculos de parámetros son especialmente relevantes para unidades nuevas y poco conocidas. El cálculo se realiza utilizando coeficientes especiales, así como sobre la base de la experiencia acumulada con mecanismos similares. Los datos son imprescindibles para el correcto funcionamiento de las instalaciones eléctricas.
¿Qué es un motor eléctrico?
Un motor eléctrico es un dispositivo que convierte la energía eléctrica en energía mecánica. El funcionamiento de la mayoría de las unidades depende de la interacción del campo magnético.campos con el devanado del rotor, que se expresa en su rotación. Funcionan con fuentes de alimentación de CC o CA. La fuente de alimentación puede ser una batería, un inversor o una toma de corriente. En algunos casos, el motor funciona a la inversa, es decir, convierte la energía mecánica en energía eléctrica. Este tipo de instalaciones se utilizan ampliamente en centrales eléctricas alimentadas por flujo de aire o agua.
Los motores eléctricos se clasifican según el tipo de fuente de alimentación, diseño interno, aplicación y potencia. Además, las unidades de CA pueden tener cepillos especiales. Funcionan con tensión monofásica, bifásica o trifásica, tienen refrigeración por aire o líquido. Fórmula de potencia del motor de CA
P=U x I, donde P es potencia, U es voltaje, I es corriente.
Los variadores de propósito general con su tamaño y características se utilizan en la industria. Los motores más grandes con una capacidad de más de 100 megavatios se utilizan en las plantas de energía de los barcos, compresores y estaciones de bombeo. Los tamaños más pequeños se utilizan en electrodomésticos como aspiradoras o ventiladores.
Diseño de motor eléctrico
Drive incluye:
- Rotor.
- Estator.
- Rodamientos.
- Entrehierro.
- Rebobinado.
- Cambiar.
El rotor es la única parte móvil del accionamiento que gira alrededor de su propio eje. Corriente que pasa a través de conductoresforma una perturbación inductiva en el devanado. El campo magnético generado interactúa con los imanes permanentes del estator, lo que pone en movimiento el eje. Se calculan según la fórmula de la potencia del motor eléctrico por corriente, para lo cual se toman el rendimiento y el factor de potencia, incluyendo todas las características dinámicas del eje.
Los cojinetes están ubicados en el eje del rotor y contribuyen a su rotación alrededor de su eje. La parte exterior van unidos a la carcasa del motor. El eje pasa a través de ellos y sale. Dado que la carga va más allá del área de trabajo de los rodamientos, se denomina voladizo.
El estator es un elemento fijo del circuito electromagnético del motor. Puede incluir bobinado o imanes permanentes. El núcleo del estator está hecho de placas de metal delgadas, que se denominan paquete de armadura. Está diseñado para reducir la pérdida de energía, que suele ocurrir con varillas macizas.
El entrehierro es la distancia entre el rotor y el estator. Un pequeño espacio es efectivo, ya que afecta el bajo coeficiente de operación del motor eléctrico. La corriente de magnetización aumenta con el tamaño del espacio. Por lo tanto, siempre intentan que sea mínimo, pero dentro de límites razonables. Una distancia demasiado pequeña provoca fricción y aflojamiento de los elementos de bloqueo.
El devanado consta de alambre de cobre ensamblado en una sola bobina. Por lo general, se coloca alrededor de un núcleo magnetizado blando, que consta de varias capas de metal. La perturbación del campo de inducción ocurre en el momentocorriente que pasa a través de los alambres del devanado. En este punto, la unidad entra en modo de configuración de polos explícitos e implícitos. En el primer caso, el campo magnético de la instalación crea un arrollamiento alrededor de la pieza polar. En el segundo caso, las ranuras de la pieza polar del rotor están dispersas en el campo distribuido. El motor de polo sombreado tiene un devanado que suprime las perturbaciones magnéticas.
El interruptor se utiliza para cambiar el voltaje de entrada. Consiste en anillos de contacto ubicados en el eje y aislados entre sí. La corriente del inducido se aplica a las escobillas de contacto del conmutador giratorio, lo que provoca un cambio de polaridad y hace que el rotor gire de polo a polo. Si no hay voltaje, el motor deja de girar. Las máquinas modernas están equipadas con electrónica adicional que controla el proceso de rotación.
Principio de funcionamiento
Según la ley de Arquímedes, la corriente en el conductor crea un campo magnético en el que actúa la fuerza F1. Si se hace un marco de metal con este conductor y se coloca en el campo en un ángulo de 90°, entonces los bordes experimentarán fuerzas dirigidas en direcciones opuestas entre sí. Crean un par alrededor del eje, que comienza a girarlo. Las bobinas de armadura proporcionan una torsión constante. El campo es creado por imanes eléctricos o permanentes. La primera opción está hecha en forma de bobina enrollada en un núcleo de acero. Por lo tanto, la corriente de bucle genera un campo de inducción en el devanado del electroimán, lo que genera un electromotor.fuerza.
Consideremos con más detalle el funcionamiento de motores asíncronos utilizando el ejemplo de instalaciones con rotor de fase. Tales máquinas funcionan con corriente alterna con una velocidad de armadura que no es igual a la pulsación del campo magnético. Por lo tanto, también se les llama inductivos. El rotor es impulsado por la interacción de la corriente eléctrica en las bobinas con el campo magnético.
Cuando no hay tensión en el devanado auxiliar, el dispositivo está en reposo. Tan pronto como aparece una corriente eléctrica en los contactos del estator, se forma un campo magnético constante en el espacio con una ondulación de + F y -F. Se puede representar con la siguiente fórmula:
pr=nrev=f1 × 60 ÷ p=n1
donde:
pr - el número de revoluciones que hace el campo magnético en la dirección de avance, rpm;
rev - número de vueltas del campo en la dirección opuesta, rpm;
f1 - frecuencia de ondulación de la corriente eléctrica, Hz;
p - número de polos;
1 - RPM totales.
Al experimentar las pulsaciones del campo magnético, el rotor recibe el movimiento inicial. Debido al impacto no uniforme del flujo, desarrollará un par. Según la ley de inducción, en un devanado cortocircuitado se forma una fuerza electromotriz que genera una corriente. Su frecuencia es proporcional al deslizamiento del rotor. Debido a la interacción de la corriente eléctrica con un campo magnético, se crea un par en el eje.
Hay tres fórmulas para los cálculos de rendimientopotencia de un motor eléctrico asíncrono. Por cambio de fase use
S=P ÷ cos (alfa), donde:
S es la potencia aparente medida en voltios-amperios.
P - potencia activa en vatios.
alfa - cambio de fase.
La potencia máxima se refiere al indicador real y la potencia activa es la calculada.
Tipos de motores eléctricos
Según la fuente de alimentación, los variadores se dividen en aquellos que funcionan desde:
- CC.
- CA.
Según el principio de funcionamiento, a su vez se dividen en:
- Coleccionista.
- Válvula.
- Asíncrono.
- Sincrónico.
Los motores de ventilación no pertenecen a una clase separada, ya que su dispositivo es una variación del accionamiento del colector. Su diseño incluye un convertidor electrónico y un sensor de posición del rotor. Por lo general, se integran junto con el tablero de control. A su costa, se produce la conmutación coordinada de la armadura.
Los motores síncronos y asíncronos funcionan exclusivamente con corriente alterna. La rotación está controlada por una electrónica sofisticada. Los asíncronos se dividen en:
- Trifásico.
- Bifásico.
- Monofásico.
Fórmula teórica de la potencia de un motor eléctrico trifásico conectado en estrella o en triángulo
P=3Uf If cos(alfa).
Sin embargo, para voltaje lineal y corriente se ve así
P=1, 73 × Uf × If × cos(alfa).
Este será un indicador real de cuánta potenciael motor recoge de la red.
Sincrónico subdividido en:
- Paso.
- Híbrido.
- Inductor.
- Histéresis.
- Reactivo.
Los motores paso a paso tienen imanes permanentes en su diseño, por lo que no se clasifican como una categoría separada. El funcionamiento de los mecanismos se controla mediante convertidores de frecuencia. También hay motores universales que funcionan con CA y CC.
Características generales de los motores
Todos los motores tienen parámetros comunes que se utilizan en la fórmula para determinar la potencia de un motor eléctrico. En base a ellos, puede calcular las propiedades de la máquina. En literatura diferente, pueden llamarse de manera diferente, pero significan lo mismo. La lista de dichos parámetros incluye:
- Torque.
- Potencia del motor.
- Eficiencia.
- Número nominal de revoluciones.
- Momento de inercia del rotor.
- Tensión nominal.
- Constante de tiempo eléctrica.
Los parámetros anteriores son necesarios, en primer lugar, para determinar la eficiencia de las instalaciones eléctricas alimentadas por la fuerza mecánica de los motores. Los valores calculados dan solo una idea aproximada de las características reales del producto. Sin embargo, estos indicadores se utilizan a menudo en la fórmula de la potencia del motor eléctrico. Es ella quien determina la eficacia de las máquinas.
Torque
Este término tiene varios sinónimos: momento de fuerza, momento del motor, Torque, torque. Todos ellos se utilizan para denotar un indicador, aunque desde el punto de vista de la física, estos conceptos no siempre son idénticos.
Con el fin de unificar la terminología, se han desarrollado estándares que reúnen todo en un solo sistema. Por lo tanto, en la documentación técnica, siempre se usa la frase "torque". Es una cantidad física vectorial, que es igual al producto de los valores vectoriales de fuerza y radio. El radio vector se dibuja desde el eje de rotación hasta el punto de aplicación de la fuerza. Desde el punto de vista de la física, la diferencia entre el par y el momento de rotación radica en el punto de aplicación de la fuerza. En el primer caso, este es un esfuerzo interno, en el segundo, uno externo. El valor se mide en newton metros. Sin embargo, la fórmula de potencia del motor utiliza el par como valor base.
Se calcula como
M=F × r donde:
M - par, Nm;
F - fuerza aplicada, H;
r - radio, m.
Para calcular el par nominal del actuador, utilice la fórmula
Mnom=30Rnom ÷ pi × nnom, donde:
Rnom - potencia nominal del motor eléctrico, W;
nnom - velocidad nominal, min-1.
En consecuencia, la fórmula para la potencia nominal del motor eléctrico debería verse así:
Nom=Mnom pinnom / 30.
Por lo general, todas las características se indican en la especificación. Pero sucede que tienes que trabajar con instalaciones completamente nuevas,cuya información es muy difícil de encontrar. Para calcular los parámetros técnicos de dichos dispositivos, se toman los datos de sus análogos. Además, siempre se conocen solo las características nominales, que se dan en la especificación. Los datos reales deben ser calculados por usted mismo.
Potencia del motor
En sentido general, este parámetro es una cantidad física escalar, que se expresa en la tasa de consumo o transformación de la energía del sistema. Muestra cuánto trabajo realizará el mecanismo en una cierta unidad de tiempo. En ingeniería eléctrica, la característica muestra la potencia mecánica útil en el eje central. Para indicar el indicador, se utiliza la letra P o W. La principal unidad de medida es Watt. La fórmula general para calcular la potencia de un motor eléctrico se puede representar como:
P=dA ÷ dt donde:
A - trabajo mecánico (útil) (energía), J;
t - tiempo transcurrido, seg.
El trabajo mecánico es también una cantidad física escalar, expresada por la acción de una fuerza sobre un objeto, y que depende de la dirección y el desplazamiento de este objeto. Es el producto del vector fuerza y el camino:
dA=F × ds donde:
s - distancia recorrida, m.
Expresa la distancia que superará un punto de fuerza aplicada. Para movimientos de rotación, se expresa como:
ds=r × d(teta), donde:
teta - ángulo de rotación, rad.
Así puedes calcular la frecuencia angular de rotación del rotor:
omega=d(teta) ÷ dt.
De ahí se deduce la fórmula para la potencia del motor eléctrico en el eje: P \u003d M ×omega.
Eficiencia del motor eléctrico
La eficiencia es una característica que refleja la eficiencia del sistema al convertir energía en energía mecánica. Se expresa como la relación entre la energía útil y la energía gastada. Según el sistema unificado de unidades de medida, se designa como "eta" y es un valor adimensional, calculado como porcentaje. La fórmula para la eficiencia de un motor eléctrico en términos de potencia:
eta=P2 ÷ P1 donde:
P1 - potencia eléctrica (suministro), W;
P2 - potencia útil (mecánica), W;
También se puede expresar como:
eta=A ÷ Q × 100%, donde:
A - trabajo útil, J;
Q - energía gastada, J.
Más a menudo, el coeficiente se calcula utilizando la fórmula para el consumo de energía de un motor eléctrico, ya que estos indicadores siempre son más fáciles de medir.
La disminución de la eficiencia del motor eléctrico se debe a:
- Pérdidas eléctricas. Esto ocurre como resultado del calentamiento de los conductores por el paso de la corriente a través de ellos.
- Pérdida magnética. Debido a la magnetización excesiva del núcleo, aparecen histéresis y corrientes parásitas, lo cual es importante tener en cuenta en la fórmula de potencia del motor.
- Pérdida mecánica. Están relacionados con la fricción y la ventilación.
- Pérdidas adicionales. Aparecen debido a los armónicos del campo magnético, ya que el estator y el rotor están dentados. También en el devanado existen armónicos superiores de la fuerza magnetomotriz.
Cabe señalar que la eficiencia es uno de los componentes más importantesfórmulas para calcular la potencia de un motor eléctrico, ya que permite obtener números más cercanos a la realidad. En promedio, esta cifra varía del 10% al 99%. Depende del diseño del mecanismo.
Número nominal de revoluciones
Otro indicador clave de las características electromecánicas del motor es la velocidad del eje. Se expresa en revoluciones por minuto. A menudo se utiliza en la fórmula de potencia del motor de la bomba para averiguar su rendimiento. Pero debe recordarse que el indicador siempre es diferente para el ralentí y el trabajo bajo carga. El indicador representa un valor físico igual al número de revoluciones completas durante un cierto período de tiempo.
Fórmula de cálculo de RPM:
n=30 × omega ÷ pi donde:
n - velocidad del motor, rpm.
Para encontrar la potencia del motor eléctrico según la fórmula de la velocidad del eje, es necesario llevarla al cálculo de la velocidad angular. Así que P=M × omega se vería así:
P=M × (2pi × n ÷ 60)=M × (n ÷ 9, 55) donde
t=60 segundos.
Momento de inercia
Este indicador es una cantidad física escalar que refleja una medida de la inercia del movimiento de rotación alrededor de su propio eje. En este caso, la masa del cuerpo es el valor de su inercia durante el movimiento de traslación. La principal característica del parámetro se expresa por la distribución de las masas corporales, que es igual a la suma de los productos del cuadrado de la distancia del eje al punto base y las masas del objeto. En el Sistema Internacional de Unidadesmedida se denota como kg m2 y se calcula mediante la fórmula:
J=∑ r2 × dm donde
J - momento de inercia, kg m2;
m - masa del objeto, kg.
Los momentos de inercia y las fuerzas están relacionados por la relación:
M - J × épsilon, donde
epsilon - aceleración angular, s-2.
El indicador se calcula como:
épsilon=d(omega) × dt.
Así, conociendo la masa y el radio del rotor, se pueden calcular los parámetros de rendimiento de los mecanismos. La fórmula de potencia del motor incluye todas estas características.
Tensión nominal
También se le llama nominal. Representa el voltaje base, representado por un conjunto estándar de voltajes, que está determinado por el grado de aislamiento de los equipos eléctricos y la red. En realidad, puede diferir en diferentes puntos del equipo, pero no debe exceder las condiciones de funcionamiento máximas permitidas, diseñadas para el funcionamiento continuo de los mecanismos.
Para instalaciones convencionales, se entiende por tensión nominal los valores calculados para los cuales son proporcionados por el desarrollador en funcionamiento normal. La lista de voltaje de red estándar se proporciona en GOST. Estos parámetros siempre se describen en las especificaciones técnicas de los mecanismos. Para calcular el rendimiento, use la fórmula para la potencia del motor eléctrico por corriente:
P=U × I.
Constante de tiempo eléctrica
Representa el tiempo requerido para alcanzar el nivel actual hasta el 63% después de energizar eldevanados de accionamiento. El parámetro se debe a procesos transitorios de características electromecánicas, ya que son fugaces debido a la gran resistencia activa. La fórmula general para calcular la constante de tiempo es:
te=L ÷ D.
Sin embargo, la constante de tiempo electromecánica tm siempre es mayor que la constante de tiempo electromecánica te. el rotor acelera a velocidad cero a la velocidad de ralentí máxima. En este caso, la ecuación toma la forma
M=Mst + J × (d(omega) ÷ dt), donde
Mst=0.
De aquí obtenemos la fórmula:
M=J × (d(omega) ÷ dt).
De hecho, la constante de tiempo electromecánica se calcula a partir del par de arranque - Mp. Un mecanismo que funcione en condiciones ideales con características rectilíneas tendrá la fórmula:
M=Mp × (1 - omega ÷ omega0), donde
omega0 - velocidad de ralentí.
Estos cálculos se utilizan en la fórmula de potencia del motor de la bomba cuando la carrera del pistón depende directamente de la velocidad del eje.
Fórmulas básicas para calcular la potencia del motor
Para calcular las características reales de los mecanismos, siempre es necesario tener en cuenta muchos parámetros. en primer lugar, debe saber qué corriente se suministra a los devanados del motor: directa o alterna. El principio de su trabajo es diferente, por lo tanto, el método de cálculo es diferente. Si la vista simplificada del cálculo de la potencia del variador se ve así:
Pel=U × I donde
I - fuerza actual, A;
U - voltaje, V;
Pel - energía eléctrica suministrada. Mar.
En la fórmula de potencia del motor de CA, también se debe tener en cuenta el cambio de fase (alfa). En consecuencia, los cálculos para una unidad asíncrona son los siguientes:
Pel=U × I × cos(alfa).
Además de la potencia activa (suministro), también hay:
- S - reactivo, VA. S=P ÷ cos(alfa).
- Q - completo, VA. Q=I × U × sin(alfa).
Los cálculos también deben tener en cuenta las pérdidas térmicas e inductivas, así como la fricción. Por lo tanto, un modelo de fórmula simplificado para un motor de CC se ve así:
Pel=Pmech + Rtep + Rind + Rtr, donde
Рmeh - potencia útil generada, W;
Rtep - pérdida de calor, W;
Cáscara - costo de carga en la bobina de inducción, W;
RT - pérdida por fricción, W.
Conclusión
Los motores eléctricos se utilizan en casi todas las áreas de la vida humana: en la vida cotidiana, en la producción. Para el correcto uso del variador, es necesario conocer no solo sus características nominales, sino también las reales. Esto aumentará su eficiencia y reducirá los costos.
