График мощности и крутящего момента
График мощности и крутящего момента — о чем он говорит?
Пример графика мощности и крутящего момента, полученный со стенда для испытания двигателей PowerTest.
Начнем с определений:
МОЩНОСТЬ (POWER, HORSEPOWER) — это работа, проделанная за единицу времени. Речь идет в данном случае о механической мощности, которая при вращении вала вокруг своей оси описывается выражением:
- ω — угловая скорость вращения вала
- M — крутящий момент
- π — число ~ 3.1416
- n — частота вращения, измеряемая в оборотах в единицу времени (в данном случае одна минута).
Важно отметить что мощность в этой формуле получается в ваттах, для получения результата в лошадиных силах мощность в кВт необходимо умножить на коэффициент 0,735499.
КРУТЯЩИЙ МОМЕНТ (TORQUE) — это произведение силы в Н, которая приложена к валу не напрямую, а через рычаг (плечо) длиной 1 м, прикрепленный к валу (точка измерения крутящего момента), отсюда и единица измерения Н*м. При такой нагрузке происходит деформация вала ,только не изгиб, который был бы при нулевой длине плеча, а скручивание, при котором отдельные сечения вала не повторяют друг друга, а оказываются повернутыми друг относительно друга на определённые углы, тем большие, чем больше приложенная сила, или чем больше рычаг при одной и той же силе. По этой причине момент называют крутящим. Не следует ожидать, что вы увидите эту закрутку стального вала диаметром, например, 20 мм, нанеся перед нагрузкой на поверхность вала линии, параллельные его оси. Величина закрутки будет в реальности настолько мала, что её непросто измерить даже с помощью специальных приборов, измерителей крутящего момента.
ОБОРОТЫ (RPM — Revolutions Per Minute) — здесь все еще проще, это число оборотов, которое совершает ВАЛ за одну минуту. Измеряется в об/мин.
Часто кажется, что люди не вполне понимают разницу между МОЩНОСТЬЮ и МОМЕНТОМ, тем более, последние связаны друг с другом через еще один ключевой параметр, как на стенде испытаний двигателя, так и в условиях реальной эксплуатации. Это угловая скорость вращения вала.
Например к нам часто приходят запросы «Нам нужно измерить параметры двигателя мощностью 200л.с.» или «какой гидротормоз вы посоветуете на 140 кВт?»
Ответить на этот вопрос можно, но это не гарантирует что заказчик получит желаемый результат. Потому что в вопросе отсутствует информация о скоростных режимах испытываемого на стенде двигателя.
И вопрос обычно задается так, как будто мощность и крутящий момент понятия если не взаимоисключающие, то по меньшей мере не связанные друг с другом.
- МОЩНОСТЬ (скорость выполнения РАБОТЫ) зависит от МОМЕНТА и СКОРОСТИ ВАЛА(ОБОРОТОВ В МИНУТУ).
- МОМЕНТ и ОБОРОТЫ В МИНУТУ — ИЗМЕРЕННЫЕ параметры, однозначно определяющие мощность двигателя.
- Мощность рассчитывается из крутящего момента и оборотов, по следующей формуле:
- МОЩНОСТЬ в Л.с. = КРУТЯЩИЙ МОМЕНТ х ОБОРОТЫ ÷ 5252
Почему это важно?
При выборе нагружающего устройства это критически важно, так как одну и ту же мощность двигатель может выдавать на стенде как при 1500 об/мин (дизельный двигатель), так и на 20 000 об/мин (двигатель гоночного мотоцикла). Для каждого типа двигателя необходимо подбирать соответствующее нагружающее устройство. А иногда даже не одно, а тандем из двух, первое из которых работает при низких оборотах, а второе при высоких. Если речь идет об испытаниях вновь создаваемых двигателей с широким скоростным диапазоном вращения вала.
Дизельный двигатель и двигатель гоночного мотоцикла.
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) превращает энергию, выделившуюся при сгорании топлива в работу движения поршня, тот в свою очередь передает ее на коленчатый вал, который может создавать определенный КРУТЯЩИЙ МОМЕНТ при заданных оборотах. Величина крутящего момента, который может создать двигатель, обычно существенно зависит от оборотов.
Для разных двигателей эти параметры будут разными в зависимости от геометрических параметров КШМ (кривошипно-шатунного механизма), типа топлива, массы деталей, формы распределительных валов, системы впрыска топлива и управления зажиганием и т.д.
Для маленьких и мощных двигателей необходимо использовать высокооборотистые гидротормоза и индуктивные тормоза
Ниже представлены графики различных гидротормозов для испытания двигателей.
Кривая нагружения для высокооборотистого гидротормоза.
А для больших дизельных двигателей используются гидротормоза, выдающие максимальное тормозное усилие и мощность на низких оборотах
Кривая нагружения гидротормоза для испытания мощных дизельных двигателей.
Что это означает на практике?
Если отойти от теории, то график мощности и крутящего момента — это основные характеристики двигателя. Когда вы въезжаете на своем автомобиле в горку и пытаетесь поддерживать одну и ту же скорость, вам приходится сильнее нажимать на педаль газа. Многим при этом кажется, что мощность останется та же, т.к. скорость не меняется. Но это не так!
При движении в горку двигатель выдает большую мощность при тех же оборотах.
(при неизменной передаче). Это легко проверить, взглянув на текущий расход топлива.
Также это объясняет, зачем двигателю нужна коробка передач, ведь для эффективного разгона и преодоления подъёмов нам необходимо поддерживать обороты в диапазоне максимальной мощности двигателя.
А вот электромобили обходятся без нее. Кривая крутящего момента и мощности у электродвигателя намного более линейна, и к тому же электродвигатель выдает куда большую мощность на низких оборотах.
Зачем измерять мощность и крутящий момент?
Во-первых это необходимая процедура при разработке и сертификации любого нового двигателя.
Во-вторых эти данные помогут при дальнейшей настройке и доработке двигателя, чтобы добиться наилучших эксплуатационных характеристик.
В третьих кривая мощности и крутящего момента, если её сравнить с паспортной — это прямой показатель технического состояния любого двигателя.
Графики мощности дизельного двигателя до ремонта и после ремонта, полученные с испытательного стенда на базе гидротормоза, который можно приобрести в нашей компании.
Что важнее: мощность или крутящий момент?
Многие считают, что самая важная характеристика любого электродвигателя — это мощность . Про такой важный параметр, как крутящий момент, не все слышали и не все понимают е го важность для тяговых электроприводов .
В погоне за мощностью
Главная цель большинства разработчиков — достижение максимально возможной удельной мощности электродвигателя, измеряемой в кВт/кг. То есть ставится важная для многих систем электродвижения задача обеспечения высокой мощности электродвигателей при их минимальных массогабаритах. Наиболее популярный способ решения задачи – это наращивание мощности путём увеличения номинальных оборотов до нескольких десятков или даже сотен тысяч оборотов в минуту!
Однако по мере увеличения оборотов электродвигателя лавинообразно нарастают неприятные проблемы с подшипниками, механической прочностью ротора и высокочастотными потерями. Основные высокочастотные проблемы и ограничения связаны с так называемым «скин-эффектом» в обмотках, вихревыми токами Фуко в сердечнике и недостаточным быстродействием силовых ключей частотных преобразователей. Преодоление всех этих проблем приводит к существенному увеличению стоимости и технологической сложности электродвигателя.
Далее возникает вопрос: а что делать с двигателем, который крутится на бешеных оборотах? Ведь обороты, на которых требуется крутить, например, колесо или воздушный винт могут оказаться во много раз меньше!
Вращающая сила
Разработчики проекта «ЭЛЕКТРОМОМЕНТ» выбрали совершенно другой подход для решения задачи обеспечения высоких силовых характеристик при сверхмалых массогабаритах электродвигателя. Дело в том, что колесо, насос или воздушный винт на самом деле приводится в движение не мощностью, а вращающей силой!
Немного теории: для тяговых электроприводов необходимо обеспечить требуемую вращающую силу, которую называют также моментом силы или крутящим моментом (М). В таких системах вращающая сила должна дос т игать максимальн ых значений , начиная со старта.
График зависимости мощности (P) и крутящего момента (M) от оборотов (n), где: Мном — номинальный крутящий момент (в режиме S1), Н·м; Ммакс — максимальный крутящий момент (в режиме S2), Н·м; Pном – номинальная мощность (в режиме S1), кВт; Pмакс – максимальная мощность (в режиме S2), кВт; N – номинальные обороты, об/мин
Из графика зависимости мощности синхронного электродвигателя от оборотов видно, ч то его мощность не является постоянной величиной, но в рабочем диапазоне оборотов линейно растёт по мере увеличения оборотов. Для точного определения мощности (P) электродвигателя в качестве его технической характеристики выбирается оптимальная точка на графике, которая определяет номинальную мощность (Pном) на номинальных оборотах (N) .
В отличие от асинхронных, именно у синхронных электродвигателей с независимым возбуждением номинальный и максимальный крутящие моменты остаются постоянными во всём рабочем диапазоне оборотов. Постоянный номинальный крутящий момент — это одно из важнейших преимуществ синхронных электродвигателей и обеспечивается даже на минимальной мощности. На графике соответствующие крутящие моменты обозначены «Mном» и «Ммакс».
Формула зависимости мощности (P), крутящего момента (M) и оборотов (N) для многополюсного синхронного двигателя с независимым возбуждением выглядит достаточно просто:
P = kMN, где k – коэффициент, зависящий от количества пар полюсов синхронного электродвигателя.
Таким образом, увеличивая обороты синхронного электродвигателя или крутящий момент, можно пропорционально увеличивать его мощность, что, в свою очередь, приводит к пропорциональному росту удельной мощности .
Преобразование мощности в крутящий момент
Перед создателем любого тягового электропривода с применением высокооборотного электродвигателя возникает необходимость преобразования мощности в крутящий момент, сопровождающийся переходом от высоких оборотов к низким. Такое преобразование осуществляется с помощью механического редуктора .
Однако применение редуктора приводит к неизбежному увеличению сложности, масса-габаритов и стоимости электропривода на фоне снижения КПД, надёжности и рабочего ресурса. Если речь идёт о сервоприводе, то любой механический редуктор, кроме всего прочего, снижает точность позиционирования.
Кроме того, в реальных условиях увеличение номинальных оборотов электродвигателя приводит к уменьшению удельного крутящего момента (M), который в системе СИ измеряется в Н·м/кг, а в метрической — кгс·м/кг. Если хочется получить минимальные массогабариты электродвигателя, то придётся выбирать между концепциями высокой удельной мощности за счёт высоких оборотов и высоким удельным крутящим моментом на малых или сверхмалых оборотах.
Избавляемся от редуктора!
Применение тяговых синхронных электродвигателей с высоким удельным крутящим моментом позволяет существенно снизить коэффициент редукции или полностью отказаться от механического редуктора, обеспечив переход на прямой привод со всеми вытекающими отсюда преимуществами.
Удельный крутящий момент синхронных электродвигателей «ЭЛЕКТРОМОМЕНТ» серий EM , iEM и sEM в 5-10 раз выше, чем у аналогичных по мощности асинхронных и коллекторных электродвигателей! Столь высокий крутящий момент электродвигателей EM/iEM/sEM позволяет либо существенно снизить коэффициент редукции, либо полностью отказаться от механического редуктора!
Благодаря запатентованным технологиям синхронные электродвигатели серий EM/iEM/sEM в 2-5 раз компактнее и легче других синхронных (в том числе, «вентильных») и коллекторных электродвигателей с таким же крутящим моментом!
Для продвинутых: режим постоянной мощности
На графике зависимости мощности и крутящего момента от оборотов видно, что при превышении номинальных оборотов (N) синхронного электродвигателя его крутящий момент (M) начинает снижаться. Также падает и КПД. Это происходит потому, что практически любая электрическая машина обратима и может одновременно работать и как электродвигатель, и как электрогенератор. При превышении номинальных оборотов, вырабатываемое электродвигателем напряжение начинает «бороться» с питающим напряжением от частотного преобразователя. Чем больше увеличиваются обороты относительно номинальных, тем сильнее электродвигатель влияет на источник питания, снижая КПД и крутящий момент электропривода.
На практике превышение оборотов на 20-30% относительно номинальных далеко не всегда рассматриваются как нежелательный или запрещённый диапазон для синхронного электропривода. Например, в электротранспорте диапазон оборотов, превышающий номинальные, часто используется для кратковременного достижения максимальной скорости, когда фактор экономичности временно отходит на задний план. При этом современные частотные преобразователи хорошо умеют справляться с такой ситуацией и автоматически переходят в режим обеспечения постоянной мощности.
Таким образом, оптимальный выбор номинальных оборотов (N), а также допустимость и степень их превышения для конкретного синхронного электропривода — это продуманное решение разработчика электропривода, основывающееся на конкретных приоритетах.
От чего зависит мощность электромоторов?
Мощность двигателя зависит от обмотки (диаметр провода) ее количества вообщем типа двигателя. Если это двигатель постоянного тока то от типа подлючения обмотки возбуждения (самый высокий момент достигается при последовательном подключении обмотки возбуждения). Если это асинхронник то тут еще может оказать влияние способ укладки обмотки. Если это синхронник то определяющую роль имеет (разумееться после типа обмотки) наминальное поддерживаемое напряжение и частота. Соответственно мощность двигателя пропорциональна его размерам. Наибольшей мощностью и наименьшими габаритами при этом обладают асинхронники.
Остальные ответы
От номинального тока, на который расчитаны статорная и роторная обмотки (у синхроных двигателей отдельная система возбуждения, питающая роторную обмотку) электродвигателя. Чем он больше, тем большую мощность может развивать электродвигатель.
Мощность электромоторов зависит от конструктивных особенностей заложенных производителем.
При сильном упрощении ответа можно сказать, что мощность по большей части зависит от сечения провода обмотки статора и ротора и, как следствия, размера электродвигателя.
Ну, не от тока, а от ампер-витков, т.е. параметров обмоток, параметров постоянных магнитов (для коллекторных и вентильных и вентильных двигателей с постоянными магнитами), конструктива (размеров, геометрии и материала) магнитопровода, числа пар полюсов, характеристик питания (напряжения и частоты).
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.