Какая физическая величина характеризует электрическую эффективность электродвигателя

Какая физическая величина характеризует электрический ток?

Пожалуйста, войдите или зарегистрируйтесь для публикации ответа на этот вопрос.

решение вопроса

Связанных вопросов не найдено

Обучайтесь и развивайтесь всесторонне вместе с нами, делитесь знаниями и накопленным опытом, расширяйте границы знаний и ваших умений.

• Все категории
• экономические 43,679
• гуманитарные 33,657
• юридические 17,917
• школьный раздел 612,708
• разное 16,911

Популярное на сайте:

Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.

Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.

Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.

Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.

• Обратная связь
• Правила сайта

Компенсация реактивной мощности

Немногие помнят школьный курс физики, в котором рассматривается такая физическая величина, как электрическая мощность. Напомним ее определение — это физическая величина, которая характеризует работу совершаемую электрическим током в единицу времени. Понятие мощности может относиться как к постоянному так и к переменному току. Второй тип подразделяется на активную электрическую мощность и реактивную электрическую мощность. С активным видом все просто, этот тип электрической мощности характеризует преобразование электрической энергии в другие виды энергии за единицу времени, ну например, тепловую или механическую. А вот второй вид электрической мощности переменного тока, именуемый реактивной, имеет другой физический смысл и определяет нагрузки, которые создает электромагнитное поле в различных электротехнических установках. В описании реактивной мощности мы отметили, что данная величина имеет иной физический смысл, нежели активная мощность.

Физическим смыслом реактивной мощности является энергия, которая перекачивается от источника электрического тока на активные элементы приемника (трансформатора, электродвигателя, дросселя, индукционной печи), а затем возвращается этими же элементами в источник. Реактивная мощность может иметь два значения, как положительное, тогда устройство потребляет ее, если значение отрицательное- то производит. Выражаясь профессиональным языком, положительное значение означает, что нагрузка имеет активно-индуктивный характер, а отрицательное — активно-емкостный. Однако такое деление достаточно условное, так как большинство устройств, потребляющих электроэнергию, а также активная нагрузка, которая подключается через трансформаторы, всегда носят активно-индуктивный характер.

Однако реактивная мощность, которая не совершает полезной работы в создании электрического тока, все же необходима для работы электрооборудования, основным условием нормальной эксплуатации для которого является создание магнитных полей. Но реактивная мощность снижает способность протекания активного тока в электроустановках, тем самым вызывает активные потери, а именно вызывает дополнительные потери на нагрев в проводниках. В связи с этим, к большому сожалению, промышленные потребители электрического тока вынуждены нести дополнительные финансовые затраты по оплате электроэнергии. Ведь им приходится платить дважды, а именно по счетчику реактивной энергии, а второй раз по показаниям, которые учитываются счетчиком активной энергии. Чтобы уменьшить влияние реактивной мощности и разгрузить электрические сети от реактивного тока, либо вовсе исключить этот недостаток в работе электроустановок, требующих для работы присутствия электромагнитного поля, были разработаны такие фазосдвигающие элементы, как конденсаторные установки, позволяющие производить реактивную энергию прямо у потребителей, тем самым максимально «скомпенсировать» индуктивную реактивную мощность.

Именно установка компенсации реактивной мощности способна значительно снизить нагрузки, которые создает реактивная мощность на электроустановки или питающие линии электропередач, что дает возможность повысить уровень надежности электрических сетей, тем самым существенно оптимизируется расход финансов на оплату электроэнергии. Одним из вариантов такой установки может служить конденсаторная установка УКМ58, которая одновременно и позволяет снизить потери электроэнергии, одновременно повысить как эффективность работы электроустановок, так и качество электроэнергии в электрических сетях.

Основные параметры электродвигателя

Мощность электродвигателя — это полезная механическая мощность на валу электродвигателя.

Механическая мощность

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

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

Для вращательного движения

• где θ – угол, рад

• где ω – углавая частота, рад/с,

Таким образом можно вычислить значение механической мощности на валу вращающегося электродвигателя

Справка: Номинальное значение — значение параметра электротехнического изделия (устройства), указанное изготовителем, при котором оно должно работать, являющееся исходным для отсчета отклонений.

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

Справка: В английской системе мер момент инерции измеряется в унция-сила-дюйм (oz∙in∙s 2 )

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

Справка: Определение момента инерции вращающейся части электродвигателя описано в ГОСТ 11828-86

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.



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

Справка: Номинальный вращающий момент М_ном, Нм, определяют по формуле



• где P_ном – номинальная мощность двигателя, Вт,
• n_ном — номинальная частота вращения, мин -1

Начальный пусковой момент — момент электродвигателя при пуске.

Справка: В английской системе мер сила измеряется в унция-сила (oz, ozf, ounce-force) или фунт-сила (lb, lbf, pound-force)

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.

Электродвигатели используются повсеместно, основные области применения:
• промышленность: насосы, вентиляторы, компрессоры, конвейеры, движущая сила для других машин и др.
• строительство: насосы, вентиляторы, конвейеры, лифты, системы отопления, вентиляции и кондиционирование воздуха и др.
• потребительские устройства: холодильники, кондиционеры, персональные компьютеры и ноутбуки (жесткие диски, вентиляторы), пылесосы, стиральные машинки, миксеры и др.

ЭД 1	Функции	Области применения
Вращающиеся электродвигатели	Насосы	Системы водоснабжения и водоотведения
		Системы перекачки охлажденной или нагретой воды, системы отопления, ОВК 2 , системы полива
		Системы канализации
		Перекачка нефтепродуктов
	Вентиляторы	Приточно-вытяжная вентиляция, ОВК 2 , вентиляторы
	Компрессоры	Системы вентиляции, холодильные и морозильные установки, ОВК 2
		Накопление и распределение сжатого воздуха, пневматические системы
		Системы сжижения газа, системы перекачки природного газа
	Вращение, смешивание, движение	Прокатный стан, станки: обработка металла, камня, пластика
		Прессовое оборудование: обработка алюминия, пластиков
		Обработка текстиля: ткачество, стирка, сушка
		Смешивание, взбалтывание: еда, краски, пластики
	Транспорт	Пассажирские лифты, эскалаторы, конвейеры
		Грузовые лифты, подъемные краны, подъемники, конвейеры, лебедки
		Транспортные средства: поезда, трамваи, троллейбусы, автомобили, электромобили, автобусы, мотоциклы, велосипеды, зубчатая железная дорога, канатная дорога
	Угловые перемещения (шаговые двигатели, серводвигатели)	Вентили (открыть/закрыть)
		Серво (установка положения)
Линейные электродвигатели	Открыть/закрыть	Вентили
	Сортировка	Производство
	Хватать и перемещать	Роботы

Примечание:

1. ЭД — электродвигатель
2. ОВК — системы отопления, вентиляции и кондиционирование воздуха

Что такое электродвигатель?

Электродвигатели – очень распространённые и полезные агрегаты, осуществляющие преобразование электрической энергии в механическую, которая в дальнейшем используется для передачи усилия различным рабочим агрегатам. Существует несколько видов электрических двигателей, которые имеют различия в конструкции и принципе действия, а также применяются для выполнения разных задач.

Конструкция и принцип работы силовых агрегатов

Электродвигатели работают на основе эффекта электромагнитной индукции. Преобразование электричества в механическую энергию обеспечивается за счёт специального магнита. Внутри электромагнитного поля появляются электрические частицы, которые подвергаются действию механической силы, что способствует нарушению вектора их движения и положения. Их движение происходит под 90-градусным углом относительно силовых линий магнита. При протекании электрического заряда по стальным элементам, под действием механической силы положение всех проводников (включая обмотку) пытается измениться в согласии с правилом буравчика.

Важно знать! В целом электродвигатели являются валовыми механизмами, которые способствуют созданию вращательного движения.



В конструкции любого электрического двигателя обязательно имеется статор и ротор. Статор является неподвижной частью, функция которой определяется типом силового агрегата – она обеспечивает генерирование неподвижного магнитного поля (постоянные магниты или электромагниты) либо создание вращающегося магнитного поля (обмотки, для питания которых используется переменный ток). Ротор является подвижной частью двигателей, которая зачастую располагается в статоре. Данная составляющая может быть представлена:

• постоянными магнитами;
• обмотками на сердечнике, по которым протекает электрический ток (подключение осуществляется посредством щёточно-коллекторного узла);
• короткозамкнутой обмоткой («беличьим колесом»), для возникновения токов в которой используется вращающийся статор.

Взаимодействие магнитного поля статора с полем ротора способствует возникновению вращающего момента, благодаря чему ротор начинает двигаться, а уже потом механическая энергия вращения позволяет приводить в движение различные механизмы.

Основные характеристики электрического двигателя



Такие силовые агрегаты характеризуются следующими рабочими параметрами:

• вращающим (крутящим) моментом: векторный физический параметр, который представляет собой произведение радиуса вектора, проложенного от оси к месту приложенной силы, и вектора самой силы;
• мощностью: физическое значение полезной механической силы (работы), совершаемой за определённую единицу времени;
• коэффициентом полезного действия (КПД): показатель эффективности трансформации электроэнергии в механическую энергию;
• частотой вращения вала ротора (количество оборотов за единицу времени);
• моментом инерции: скалярный физический показатель инертности ротора при вращательных движениях вокруг оси;
• номинальным напряжением: характеристика подаваемого электрического тока;
• электрической постоянной времени: промежуток времени между двумя моментами – начало подачи напряжения – достижение тока отметки 63,21% (1-1/e) от своего максимального параметра;
• механической характеристикой: графически выраженное соотношение между частотой вращения ротора и электромагнитным моментом при постоянном напряжении.

Классификация электродвигателей



Вращательные силовые агрегаты классифицируются по нескольким признакам. Так, исходя из типа тока питания, существуют двигатели AC и DC. При этом устройства, работающие на переменном токе, подразделяются на синхронные и асинхронные. Рассмотрим особенности каждого вида электродвигателей.

Особенности электродвигателей постоянного тока



Данные агрегаты обладают высоким КПД преобразования электроэнергии в механическую. Электрическая цепь статора и ротора соединяются с помощью щёточно-коллекторного узла, которые могут быть коллекторными и бесколлекторными. Коллекторные электрические двигатели бывают самовозбуждающимися или возбуждающимися от постоянных электромагнитов. Агрегаты с независимой системой возбуждения имеют низкую мощность, поэтому их зачастую применяют для выполнения малоответственных работ с невысокими нагрузками.

В свою очередь двигатели с самовозбуждением могут иметь разный тип возбуждения:

• последовательное: подключение якоря и обмотки осуществляется последовательно;
• параллельное: якорь включён в цепь параллельно обмотке;
• смешанное: в агрегатах совместно используется параллельное и последовательное соединение якоря и обмотки.

Особенности электродвигателей переменного тока

Такие силовые агрегаты широко применяют в качестве приводов большинства технологических систем, электрических инструментов, авторегуляторов. Исходя из того, с какой скоростью вращается магнитное поле статора и какова частота вращения ротора, АС электродвигатели бывают синхронными и асинхронными.

Особенности синхронных двигателей



В данных силовых агрегатах ротор вращается с такой же скоростью, как и частота магнитного поля, которая создаётся статорными обмотками. Для питания устройства используют трёхфазное постоянное напряжение. В таких электродвигателях обмотки могут быть явнополюсными и неявнополюсными. Маломощные синхронные двигатели оснащаются постоянными магнитами.

Важно знать! Несмотря на синхронность частоты вращения ротора и статора, данные силовые агрегаты запускаются и разгоняются в асинхронном режиме. Для этого ротор выполняется с обмоткой «беличье колесо». Подача постоянного напряжения на электромагниты выполняется только после того, как ротор разгонится до номинального показателя частоты вращения.

Синхронные электродвигатели характеризуются такими особенностями:

• постоянной скоростью вращения ротора, несмотря на переменную нагрузку;
• высоким КПД, коэффициентом мощности;
• небольшой реактивной составляющей;
• допустимостью перегрузок.

Недостатками двигателей синхронного типа можно назвать высокую стоимость, сложную конструкцию, потребность в постоянном напряжении, затруднительный пуск, сложности контроля скорости вращения вала и момента инерции.

Особенности асинхронных двигателей



Данные агрегаты являются более дешёвыми и простыми по конструкции, благодаря чему они более распространены. Принципиальным отличием асинхронных двигателей является «скольжение» – разность частоты вращения, имеющей магнитное поле статора, и скорости вращения ротора. Индуцирование напряжения на роторе происходит благодаря переменному магнитному полю обмоток статора, которое возникает вследствие наведенного в них вихревого тока.

Исходя из особенностей статорной обмотки, асинхронные электродвигатели бывают:

• однофазными: запуск осуществляется с помощью внешних фазосдвигающих элементов (пусковые конденсаторы или индуктивные устройства);
• двухфазными: агрегаты с двумя обмотками, имеющими смещённые фазы;
• трёх- и многофазными: самые распространённые двигатели минимум с тремя обмотками, сдвинутыми по фазе.

Электродвигатели асинхронного типа могут иметь короткозамкнутый или фазный ротор. В первом случае роторная обмотка представлена несколькими неизолированными стержнями из медных или алюминиевых сплавов, которые с каждой стороны замкнуты кольцами (по типу «беличье колесо»). Данные агрегаты обладают довольно простой схемой пуска, допустимостью кратковременной перегрузки, относительно высокой мощностью, лёгкостью ТО и ремонта, невысокой ценой. Минусом считается техническая сложность регулировки частоты вращения ротора, высокий пусковой ток.

Фазный ротор электродвигателей выполнен с обмоткой по схеме «звезда». Данные агрегаты позволяют ограничивать пусковой ток посредством резистора, обладают бо́льшим пусковым моментом, лёгкостью регулировки частоты вращения. К недостаткам можно отнести большие размеры и вес, высокую стоимость, сложность ремонта и обслуживания.

Универсальные электродвигатели



Существуют универсальные электрические двигатели, которые способны работать от сетей АС и источников DC. Конструктивно они схожи с агрегатами постоянного тока, а главные отличия заключаются в магнитной системе и обмотках ротора. В данном случае магнит представлен изолированными секциями, что способствует снижению потерь. Обмотки ротора в таких двигателях разделены на две части – если питание осуществляется от АС, то подача напряжения идет только на одну половину.

Области применения



Электродвигатели – крупнейшие потребители электроэнергии, которые применяются в различных сферах:

• в промышленности: они выступают в качестве приводов насосов, вентиляторов, компрессоров, конвейеров и прочих устройств;
• в строительстве: с их помощью работают лифты, отопительные и вентиляционные системы и т. д.;
• в потребительских устройствах: электродвигатели являются главной силовой частью холодильников, кондиционеров, персональных компьютеров и ноутбуков (в жестких дисках, вентиляторах), пылесосов, стиральных машин, миксеров и пр.

Двигатели способны выполнять различные функции: усиление мощности электросигналов, преобразование величин напряжения или тока, приведение во вращение разных рабочих механизмов.

Похожие публикации:
1. Полюса в электродвигателе что это
2. Почему используют переменный ток а не постоянный
3. Что такое трансформаторный щит в футболе
4. Ящик щрн 12 ip31 что это