Момент на валу работающего двигателя определяют либо путем измерения равного ему момента реакции статора тормоза, либо путем измерения угла закручивания соединительного вала под действием передаваемого момента. В любом случае испытатели сталкиваются с определенными трудностями в получении достоверных результатов измерений в связи с тем, что динамометры тормозных установок действуют в условиях повышенной вибрации и резко изменяющихся нагрузок, граничащих иногда с ударными, особенно на неустановившихся режимах работы двигателя внутреннего сгорания.

Для определения величины крутящего момента, развиваемого испытуемым двигателем, используют различные механические, гидравлические и электрические динамометры. Структурная схема их, так же как и других из мерительных устройств, состоит из первичного, промежуточного и выходного звеньев. По самому характерному из звеньев и классифицируют разновидности динамометров. Часто только это характерное звено и считают динамометром, что не является правильным.

Механические динамометры находят самое широкое применение. Выполняют их в виде рычажных систем с маятниковыми, реже с пружинными весами. Ранее для этих целей в основном служили многорычажные весы десятичного типа. И теперь они находят еще применение при испытании мощных тихоходных стационарных двигателей.

Динамометр с рычажными весами Поскольку такие весы не реверсивны, то в промежуточном звене динамометра предусматривают специальное реверсное устройство, работающее следующим образом. Когда сила Р, приложенная к рычагу тормоза, направлена вверх, то, действуя на тягу 8, через рычаг 7 она передается на тягу 6, перемещая ее вниз, а через рычаг 5 и тягу 4 нагружает коромысло 2 весов. При направлении вниз сила Р, минуя реверсное устройство, непосредственно действует на тягу 6 в том же направлении, нагружая, следовательно, коромысло весов независимо от направления вращения ротора, тормоза. Груз 3 обеспечивает уравновешивание коромысла весов при положении гири на нулевом делении ее идеалы, а уравновешивание силы Р и определение ее величины достигают путем перемещения гири / по коромыслу. В современных весовых устройствах этого типа гирю-рейтер / перемещают с помощью специального следящего механизма, позволяющего автоматически уравновешивать нагрузку и вести дистанционное наблюдение за показаниями весов.

Чтобы уменьшить потери на трение, рычажную систему выполняют на призмах, чувствительных к толчкам и подверженных износу. Поэтому в нерабочем состоянии и особенно при пуске двигателя рекомендуется блокировать рычажную систему специально предусмотренным для этого устройством.

Точность и чувствительность рычажных весов значительно превосходят требуемые от механизмов для определения усилия на рычаге тормоза. Однако надежность и маневренность их невелики даже с наличием автоматической следящей системы. Поэтому в лабораториях автомобильных и тракторных двигателей исключительное предпочтение отдают менее точным и не. столь чувствительным, но более прочным, быстродействующим и стабильным в отношении показаний маятниковым весам и основанным на них динамометрам.

Маятниковые динамометры отличаются компактностью, наглядностью, простотой в эксплуатации и позволяют автоматически, не перемещая гирю-груз, уравновешивать действующую силу Р.

Маятниковые весы не искажают показаний под влиянием остаточных деформаций, как, например, пружинные, и, будучи реверсивными позволяют измерять нагрузку при любом направлении вращения ротора тормоза. Обладая свойствами поглощать незначительные колебания, маятник не затрудняет отсчета при случайных колебаниях нагрузки, что присуще рычажным весам. Но так же, как и для других аналогичных приборов, для них важно уменьшение трения в сочленениях и уравновешивание собственного веса тяг маятника.

Однако в таком простейшем исполнении маятниковый механизм не совсем удобен, так как имеет неравномерную шкалу отсчета. Поэтому для выравнивания отсчетной шкалы сектор-квадрант профилируют по закону r=a sin а/а, принимая а за исходную величину.

Динамометры с весовой головкой в сравнении с обычными маятниковыми обладают большей точностью измерения (погрешности не превышают 0,1-5-0,2%) и достаточно чувствительны, что позволяет применять их при выполнении научно-исследовательских работ.

Основу таких динамометров составляет весовая головка, чаще, всего двухмаятниковая, в сочетании с рычажными весами. Однако двухмаятниковые головки не реверсивны, поэтому в промежуточное звено динамометра вводят такое же ревёрсное устройство, как в обычные динамометры с рычажными весами (см. рис. IV.2). В сущности динамометры с" весовой головкой представляют собой механизмы с рычажными весами, к коромыслу 1 которых подсоединена циферблатная весовая головка. Головка воспринимает только часть измеряемой силы, не уравновешиваемую передвижной гирей 2,. и благодаря этому позволяет наблюдать за изменением нагрузки в пределах ее циферблата. Гирю 2 используют иногда для расширения диапазона измерений, как, например, в весовых устройствах типа ВКМ.

Весовые головки с циферблатным отсчетным устройством удобны и весьма надежны в эксплуатации, хотя требуют тщательной защиты их сочленений и шарниров от влаги и пыли и еще более тщательного устранения в них люфтов.

Чтобы обеспечить необходимую точность измерении, весовые устройства выбирают, сообразуясь с мощностью испытуемого объекта. Так, весовые устройства типа ВКМ снабжают циферблатными головками, позволяющими измерять усилия до 10, 25, 40, 80 и 120 кгс и более, а использование передвижной гири 2 расширяет пределы измерения ими до 20, 40, 50, 100 и 170 кгс. Выбор нужной единицы измерения в кгс или кгс-м зависит от того, какая из них была положена в основу градуировки шкалы весового устройства тормоза. Цена деления шкалы весовой головки может выражать как доли произведения Р1, так и Р. Иногда на циферблат наносят одновременно обе шкалы.

Конструкция весовых головок, как правило, допускает поворачивание их около вертикальной оси в любое положение. Это позволяет наблюдать за показаниями под наиболее выгодным углом зрения независимо от места нахождения испытателя. Сравнительно большие размеры циферблата и отсчетных делений не затрудняют наблюдений даже на некотором расстоянии. При необходимости применяют подсветку циферблата лампочками, используют бинокли, а также специальные оптические устройства с аналогово-цифровыми преобразователями, с помощью которых обеспечивается надежная дистанционная передача или считывание показаний.

мощность двигатель мотор крутящий момент

Гидравлические динамометры, или месдозы, как именуют их часто по названию основного измерительного звена, отличаются подкупающей простотой.

Основу их составляет корпус 5, заполненный жидкостью и закрытый упругой диафрагмой 4, уплотняемой с помощью прижимного кольца 2. На диафрагму давит поршень 3 под действием измеряемой силы Р, а возникающее давление фиксируется манометром 6.

При измерении давлений до 10 кгс/см2 диафрагму месдозы изготовляют из высокопрочной прорезиненной ткани толщиной 0,3-0,8 мм или из берйллиевой бронзы толщиной 0,05-0,06 мм, имеющей линейную характеристику и не отягощенной гистерезисными явлениями. Для измерения более высоких давлений применяют маслобензостойкую резину толщиной 2-3 мм или тонколистовую сталь. В качестве рабочей жидкости используют различные масла, технический глицерин и другие жидкости.

Непроточные месдозы кроме простоты отличаются широким диапазоном измерения включая очень высокие давления. Однако на показания месдоз существенное влияние оказывает температура окружающей среды вследствие того, что объемный коэффициент расширения жидкостей больше, чем у металлов. При изменении внешних условий из жидкости может к тому же освобождаться воздух, который растворяется в ней в количестве примерно до 10% при нормальных условиях, а С увеличением давления растворимость его возрастает по линейной зависимости. Поэтому перед каждым испытанием месдозу необходимо тарировать и возможно чаще проливать, используя для этого краны.

Указанные недостатки непроточных месдоз удается устранить путем использования более сложных гидравлических устройств, так называемых проточных и компенсационных диафрагменных месдоз.

Электрические динамометры в общем случае представляют собой приборы, в которых деформация упругого элемента вызывает изменение определенного электрического параметра, положенного в основу измерения, крутящего момента или окружного усилия.

Для этих целей пригодны многие из рассмотренных выше электрических методов измерений неэлектрических величин, функционально связывающих измеряемые величины с посылаемыми в измерительную цепь. Но в практике испытания двигателей чаще других используют измерительные преобразователи, основанные на изменении омического сопротивления, емкости, индуктивности, индукционное и фотоэффекта под действием входной неэлектрической величины. Входной механической величиной служат при этом скручивание соединительного вала тормозной установки, угловое перемещение деталей измерительных муфт или же деформация упругого элемента, так называемого динамометрического звена, на которое действует рычаг тормоза. Чаще других используют способ, связанный с измерением угла закручивания соединительного вала. Динамометры этого типа называют также торсионными.

Известны различные способы измерения крутящих моментов, передаваемых от двигателя к нагрузке посредством вращающегося упругого вала. Среди них широкое распространение получили способы, основанные на преобразовании измеряемого момента в деформацию упругого элемента, выполняемого в виде валов (торс ионов), спиральных пружин, растяжек и др. Преобразование деформации (механического напряжения) упругого элемента в электрический сигнал может осуществляться при помощи тензорезистивных, индуктивных, магнитоупругих и других измерительных преобразователей.

Способы измерения крутящего момента с использованием датчиков вне вращающегося вала, основанные на измерении угла закручивания упругого элемента под действием измеряемого момента, характеризуются более высокой точностью измерения и простотой реализации.

Известен способ измерения крутящего момента [Одинец С.С., Топилин Г.Е. Средства измерения крутящего момента. Библиотека приборостроителя. М.: "Машиностроение", 1977.160 с.], реализованный при помощи торсиометра с магнитной записью, который состоит из упругого элемента, двух магнитных головок, платы с электронными схемами, активного фильтра и фазометра. Упругий элемент закреплен по торцам при помощи двух латунных фланцев, играющих роль магнитных барабанов. Внешние поверхности фланцев покрыты магнитной эмульсией окиси железа (Ре 2 О 3). На ферромагнитную поверхность каждого фланца при отсутствии измеряемого момента периодически синхронно записываются импульсы. Под действием измеряемого момента упругий элемент скручивается. Фланцы поворачиваются, возникает фазовое смещение импульсов, считываемых магнитными головками, пропорциональное измеряемому моменту. Величина возникающего фазового смещения преобразуется в напряжение постоянного тока. Значение измеряемого момента считывается по шкале прибора постоянного тока.

Основным недостатком такого способа является сложность его реализации, связанная с необходимостью создания системы строгосоосных магнитных барабанов с ферромагнитным покрытием и считывающими сигнал магнитными головками.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ определения механического момента, передаваемого вращающимся валом [Патент РФ №2183013, кл. G 01 L 3/04, 1999], в котором на вал устанавливают два идентичных диска с метками (зубчатые венцы), разнесенные на базовое расстояние и жестко связанные с валом, скорость вращения каждого диска (венца) преобразуется с помощью двух независимых магнитных датчиков в два синусоидальных сигнала, регистрируется разность фаз этих сигналов, по изменению которой судят о величине передаваемого валом механического момента, и предварительно устанавливают датчики, используемые в системе измерения момента у одного из дисков, приводят вал во вращение, регистрируют разность фаз синусоидальных сигналов датчиков в зависимости от скорости вращения вала при неизменной нагрузке на валу, полученную разность фаз учитывают при последующем определении разности фаз сигналов от двух датчиков, величина которой пропорциональна передаваемому валом механическому моменту. При этом в лабораторных условиях для конкретной пары датчиков определяется частотная составляющая Ud (n) в регрессионной модели, которая в дальнейшем используется для расчета и введения поправки в конечный результат для конкретного значения частоты вращения вала.

Основным недостатком способа является большая трудоемкость настройки, связанная с необходимостью построения регрессионной модели, а необходимость введения поправок в конечный результат для конкретного значения частоты вращения вала может значительно усложнить электрическую часть устройства, реализующего данный способ. Существенным является также то, что при формировании синусоидального сигнала за счет зубчатых колес невозможно получить одну и ту же форму сигнала при изменении частоты вращения. Гармонический спектр значительно изменяется, особенно в области малых частот вращения. В связи с этим будут появляться дополнительные погрешности при измерении фазы основной гармоники.

Задачей предлагаемого времяимпульсного способа измерения крутящего момента является повышение точности измерения и упрощение технической реализации способа.

Поставленная задача достигается тем, что два соосных вала соединяют через упругий элемент, на вал двигателя и на вал нагрузочного элемента жестко устанавливают по одному зубцу таким образом, что угловое смещение между ними по окружности равно нулю, а параллельно осевой линии этих валов на общем с двигателем и нагрузочным механизмом основании установлены два магнитных датчика, формирующих импульсные двуполярные сигналы в моменты прохождения зубцов вблизи сердечников магнитных датчиков, по которым определяется временной интервал между моментами прохождения через нуль импульсов электродвижущей силы (э. д. с.) магнитных датчиков (t) и период полного оборота вала двигателя (Т), при этом крутящий момент определяют через отношение этих интервалов времени.

На фигуре 1 приведена осциллограмма импульса э. д. с. магнитного датчика (е мд).

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Два соосных вала соединяют через упругий элемент. На вал двигателя и на вал нагрузочного элемента жестко устанавливают по одному зубцу. При отсутствии крутящего момента угловое смещение по окружности между первым и вторым зубцами равно нулю. Параллельно осевой линии валов на общем с двигателем и нагрузочным механизмом основании установлены два магнитных датчика таким образом, что при вращении валов в момент прохождения любого из зубцов через магнитное поле соответствующего датчика последний вырабатывает двуполярный импульс напряжения (импульсы положительной и отрицательной полярности, как известно, всегда имеют одно и то же значение вольт-секундных площадей, а момент перехода импульса э. д. с. через нуль соответствует минимальному расстоянию между вершиной зубца и сердечником магнитного датчика).

Если крутящий момент не равен нулю, упругий элемент деформируется (скручивается), а угол между первым и вторым зубцами становится отличным от нуля. Интервал времени между импульсами первого и второго магнитных датчиков будет прямо пропорционален углу скручивания упругого элемента (т.е. крутящему моменту) и обратно пропорционален круговой скорости вращения зубцов. Как видно из изложенного, данный интервал времени t будет определяться следующим выражением:

где dl - длина сектора окружности между первым и вторым зубцами, определяемая углом скручивания упругого элемента;

круговая скорость вращения зубцов;

R д - радиус окружности, описываемой вершиной зубца;

Т - период вращения вала двигателя.

Угол скручивания упругого элемента зависит от приложенного к нему момента и от его жесткости, тогда

где М - крутящий момент двигателя;

K 1 - коэффициент, зависящий от упругих свойств упругого элемента, его геометрии и радиуса R д.

Выразив величину измеряемого крутящего момента из выражения (3) с учетом (1) и (2), получим:

где - коэффициент пропорциональности.

Таким образом, измеряя промежутки времени t и Т с помощью электронных хронометров по известному К 2 по формуле (4), определяют крутящий момент.

На фигуре 2 представлен один из возможных вариантов практической реализации предлагаемого способа. Устройство содержит магнитные датчики 1 и 2, формирователи коротких импульсов 3 и 4, R-S-триггер 5, сглаживающий R-C-фильтр 6 и кнопку сброса 7.

Устройство работает следующим образом. Перед запуском установки нажимается кнопка сброса 7 для перевода R-S-триггера 5 в исходное состояние. При вращении валов двуполярные импульсы напряжения магнитных датчиков 1 и 2 подаются на формирователи коротких импульсов 3 и 4, на выходах которых появляются прямоугольные импульсы отрицательной полярности, причем моменты образования передних фронтов импульсов соответствуют моментам перехода через нуль соответствующих двуполярных импульсов магнитных датчиков. Сигналы с выходов формирователей прямоугольных импульсов 3 и 4 управляют работой R-S-триггера 5 таким образом, что длительность положительного импульса на его выходе соответствует интервалу времени t между моментами перехода через нуль импульсов магнитных датчиков. Выход R-S-триггера 5 соединен со входом сглаживающего R-C-фильтра 6, постоянная времени которого r=R·C>T. Если этот фильтр не нагружен (ток нагрузки равен нулю), то, как известно, среднее значение напряжения на выходе R-C-фильтра (U cp) будет равно

Из (5) получаем

где U 0 - амплитудное значение импульса напряжения на выходе R-S-триггера 5 (U 0 должно быть стабильным); - коэффициент пропорциональности.

Следовательно, измеряя среднее значение выходного напряжения R-С-фильтра, можно определить величину крутящего момента по известному значению коэффициента К 3 .

Предлагаемый способ, как видно из изложенного выше, позволяет измерять величину крутящего момента независимо от скорости вращения вала. По метрологическим характеристикам предлагаемый способ имеет преимущества по сравнению с известными. Это обусловлено тем, что измерение крутящего момента сводится к измерению интервалов времени, что может быть осуществлено с высокой точностью. Кроме того, для реализации этого способа требуется более простая и надежная конструкция датчика крутящего момента.

ИЗМЕРЕНИЕ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА

При исследовании и контроле над работой различных устройств и агрегатов (двигателей, насосов, компрессоров, генераторов и т.д.) часто возникает необходимость измерения крутящего момента на валу устройства.

Крутящий момент на валу электродвигателя приближенно можно измерять обычным ваттметром при одновременном измерении частоты вращения. Крутящий момент однозначно определяется мощностью и частотой вращения из известных зависимостей. Однако здесь следует иметь ввиду, что, измеряя ток и напряжение, определяющие мощность, мы опроеделяем не фактическую мощность на валу двигателя, а его электрическую мощность, которую можно перевести в механическую только при условии, что достаточно точно известна электромеханическая характеристика электродвигателя. Это не всегда возможно, поэтому такой способ измерения используется только в том случае, когда передаваемый (или потребляемый приводимым двигателем объектом) крутящий момент не является предметом исследования.

В том случае, если крутящий момент необходимо измерять достаточно точно, применяются в основном два способа: измерение с помощью так называемых мотор-весов и измерение с помощью тензометрических датчиков крутящего момента.

Мотор-весы представляют собой укрепленную на оси платформу, на которой устанавливается испытываемый объект (рис. 17.1).

При использовании противовесов (рис. 17.1а ) практически невозможно измерять переменный крутящий момент и точно подобрать вес грузов 4, т.к. платформа в этом варианте является неустойчивой, и невыполнение условия F∙R = М КР может привести к ее колебаниям.

При использовании тензодатчиков 6 (рис. 17.1б ) проблемы неустойчивости нет, а при установке датчиков 6 с обеих сторон при Δ ~ 0 устройство может измерять крутящий момент, изменяющий не только величину, но и направление.

Промышленностью выпускаются также неподвижные тензодатчики крутящего момента, которые можно использовать в устройствах, напоминающих мотор-весы (рис. 17.2).

В этой конструкции тензодатчик 9 может измерять переменный по величине и направлению крутящий момент. Ось электродвигателя 7 с максимальной точностью совпадает с осью подшипника 6 и датчика 9.

Выпускаются также вращающиеся тензодатчики крутящего момента, которые при свеем применении требуют использования токосъемных устройств.

И в неподвижных, и во вращающихся тензодатчиках чаще всего измерение производится тензорезисторами, наклеенными на упругий вал в направлении его «скручивания» под действием крутящего момента. Как правило, современные промышленные датчики имеют вторичные приборы, проградуированные в единицах крутящего момента (Н∙м) и снабженные цифровым выходом на ЭВМ.

В лабораторных условиях, когда по каким-либо объективным причинам нет возможности использовать готовые тензодатчики крутящего момента, можно использовать простой датчик, схема которого приведена на рис. 17.3.

Крутящий момент создает на измерительной балке 3 усилие, которое приводит к изменению сопротивления основного измерительного тензорезистора, наклеенного на боковую поверхность балки. Компенсационный тензорезистор наклеен сверху и не претерпевает растяжения или сжатия при изгибе балки.

В качестве балки 4 с тензорезисторами 5 можно использовать также готовый тензодатчик балочного типа.

Сигнал с тензорезисторов (или с промышленного тензодатчика) подводится к кольцевым проводникам токосъемного устройства 7, а затем с помощью графитовых щеток передается на вторичный прибор (тензостанцию), после чего выводится на показывающий прибор, или через АЦП – в ЭВМ.

Использование готового тензодатчика балочного типа предпочтительнее, т.к. отпадает необходимость тарировки. Кроме того, во многих серийных тензодатчиках сразу имеется усилитель и АЦП, в связи с чем его сигнал может быть непосредственно послан в ЭВМ.

При измерении параметров вращающихся объектов очень часто имеется необходимость фиксации частоты вращения (частоты двойных ходов), а также определенных положений вала объекта, например – верхней или нижней мертвой точки поршневых машин, крайних положений гидро- или пневмоцилиндров и т.д. С этой целью чаще всего используют оптоэлектронные пары, магнитные управляемы герметичные контакты (герконы) и индукционные датчики.

В случаях применения оптоэлектронной пары для контроля частоты вращения или положений вала, на вращающийся вал устройства надевают диск с узкой прорезью и устанавливают на одной линии с одной стороны диска источник света, а на другой стороне – приемник (фоторезистор или фотодиод), которые включают в соответствующие измерительные схемы. При прохождении прорези между источником и приемником света электрические параметры последнего изменяются, появляется сигнал, который фиксируется измерительной аппаратурой. Для определения частоты вращения производят подсчет таких сигналов за единицу времени, или определяют временной интервал между соседними сигналами. Световой проход узкой щели выбирается в пределах нескольких десятых долей миллиметра и зависит от яркости источника света, чувствительности приемника, частоты вращения и расстояния оптоэлектронной пары от оси вращения. Чем больше это расстояние, тем шире может быть щель. Частота срабатываний такого устройства составляет сотни Гц.

Герконы очень просты по конструкции и надежны в эксплуатации. Они представляют собой два упругих проводника с магнитными свойствами, помещенные в общую стеклянную (или любую другую диэлектрическую) капсулу (рис. 17.4)

При наложении на геркон магнитного поля его контакты притягиваются друг к другу и геркон начинает пропускать электрический ток. Герконы достаточно миниатюрные устройства, диаметр капсулы может быть менее 2 мм при длине 5-6 мм. Частота их срабатываний может составлять сотни Гц.

Чаще всего управляют работой геркона постоянным магнитом, который крепится на подвижную часть устройства, положение которого хотят зафиксировать. При приближении магнита к геркону его контакты замыкаются. На рис. 17.5. приведена простейшая схема управления работой геркона.

Недостатком герконов является невозможность работы с большими токами, но в данном случае, при использовании его в качестве датчика, можно ограничиться током всего лишь в десятки миллиампер. Еще один недостаток - ограниченное число срабатываний до разрушения контактов. Оно составляет около 10 8 – 10 10 раз и более.

Простейший индукционный датчик представляет собой катушку индуктивности, намотанную на стальном сердечнике из магнитомягкой (легко перемагничиваемой) стали. При попадании датчика в переменное (изменяющееся) магнитное поле в катушке возникает ЭДС индукции, которая и является выходным сигналом датчика. Схема включения такого датчика аналогична схеме включения геркона (рис. 17.6).

Как и оптоэлектронный датчик, данное устройство не имеет подвижных частей и не изнашивается во время работы. Основной недостаток таких датчиков – существенная зависимость уровня сигнала от скорости изменения магнитного поля, в связи с чем его невозможно использовать для контроля медленно перемещающихся (в т.ч. вращающихся) объектов.

Методы измерения. Вращающий момент может быть определен непосредственным или косвенным методом. Непосредственное измерение момента осуществляется следующими способами: статическим, измерением суммарного момента и динамическим.
При использовании статического способа момент определяют с помощью моментемеров при установившейся частоте вращения ротора. Сняв семейство точек механического момента при различной частоте вращения, получают статическую механическую характеристику. К недостаткам этого способа следует отнести большой нагрев двигателей при определении момента вне рабочей зоны механической характеристики двигателя, что удлиняет время испытаний, ведет к нестабильности измерений из-за неустановившегося теплового процесса, а при длительных измерениях может привести к недопустимому для нормальной работы изоляции нагреву его обмоток.
Способ измерения суммарного момента основан на измерении момента, действующего на статор двигателя и численно равного моменту, действующему на его ротор. Способ позволяет определить вращающие моменты как при установившемся режиме работы, так и при переходных процессах. Основным недостатком этого способа является необходимость крепления двигателя к измерительному механизму. Технологический разброс размеров двигателя приводит к смещению его центра тяжести относительно оси поворота прибора, что может привести к погрешностям при измерении.
Динамический способ определения вращающего момента основан на измерении ускорения двигателя при пуске на холостом ходу.
Если известен момент инерции ротора, для определения электромагнитного момента достаточно измерить величину ускорения.
В ряде случаев этим способом можно получать и статическую механическую характеристику, когда электромагнитная постоянная времени существенно меньше электромеханической. Для этого устанавливается дополнительная маховая масса на роторе, момент инерции которой, как показывает практика, должен в 5...7 раз превышать момент инерции ротора двигателя. Данный способ предусматривает пуск двигателя в режиме холостого хода, поэтому получить значение начального пускового момента нельзя.
Для устранения этого недостатка перед включением испытуемого двигателя в сеть его необходимо разогнать до некоторой скорости (10... 20 % от номинальной) в противоположном направлении. После этого двигатель включают в сеть, он начинает тормозиться до нулевой скорости, а затем ускоряться. При этом точку нулевой скорости двигатель проходит с отличным от нуля ускорением, что позволяет рассчитать начальный пусковой момент по формуле.
При использовании статического способа применяют различные тормозные моментомеры - фрикционные, гидравлические, аэродинамические, электромагнитные и электромашинные, а также крутильные моментометры - в основном тензометрического типа. При исследовательских испытаниях основным требованием, предъявляемым к моментомерам, является точность. В то же время такие факторы, как трудоемкость испытаний и сложность установки, можно не принимать во внимание. В случае приемосдаточных испытаний в серийном производстве основным при выборе типа моментомеров является минимум трудозатрат. Что касается точности, то требования к ней менее жесткие, чем в первом случае, и, как правило, для измерений достаточен класс точности 1,0 ...2,5. Моментомеры, предназначенные для проведен™ приемочных, типовых и ресурсных испытаний, должны обладать большим сроком службы и работать при повышенных вибрациях, температурах, влажности и т.д. В ряде случаев моментомеры должны обладать такой механической характеристикой, которая полностью имитировала бы момент сопротивления нагрузки. Подбор типа моментомера зависит от вида механической характеристики испытуемого двигателя, чтобы область исследуемых моментов находилась в статически и динамически устойчивой зоне механической характеристики моментомера.

Тормозные устройства моментомеров, Анализ этих устройств проведем с учетом приведенной классификации моментомеров.
Фрикционные тормоза являются наиболее простыми по конструкции. Создаваемый ими момент нагрузки не зависит от частоты вращения. а только от давления. Конструктивно такие тормоза состоят из металлического шкива, насаженного на вал испытуемого двигателя, разрезной деревянной колодки или заменяющей ее ленты (металлической или текстильной) и измерительного устройства. Требуемый момент на валу создастся путем сжатия колол к и или натяжения ленты. В двигателях малой мощности вместо ленты может использоваться нить. Механические характеристики фрикционных тормозов нестабильны и зависят от температуры контактной поверхности, влажности, давления и химического состава окружающей среды и пр. К недостаткам фрикционных тормозов относится и то обстоятельство, что коэффициент трения покоя существенно отличается от коэффициента трения движения, причем переход от первого ко второму происходит скачкообразно.
Аэродинамические и гидравлические тормоза имеют механические характеристики,
М = кп2,

где к - коэффициент, учитывающий конструкцию тормоза; п - частота вращения.
В этих тормозах мощность расходуется на движение и подогрев жидкости или воздуха и они могут быть выполнены на значительные мощности. Простейшим примером гидравлического тормоза является гидронасос, а аэродинамического - вентилятор.
Аналитический расчет механической характеристики указанных тормозов, который по существу сводится к определению коэффициента к, весьма приблизителен, что требует предварительной тарировки этих тормозов.

Механические характеристики электромагнитных тормозов с медным (1), алюминиевым (2) и латунным (3) дисками

Электромагнитные тормоза просты в изготовлении и удобны в эксплуатации. Они состоят из поворотного статора, по окружности которого располагаются на равном расстоянии друг от друга электромагниты чередующейся полярности, и вращающегося внутри него диска (ротора), в котором наводятся вихревые токи, создающие тормозной момент. Диск соединен с валом испытуемого двигателя. По принципу действия электромагнитный тормоз аналогичен асинхронной машине, работающей в режиме динамического торможения. Поворотный статор соединен с грузом (противовесом), так что измеряется не момент, действующий на ротор испытуемого двигателя, а момент реакции, действующий на поворотный статор моментомера. В зависимости от материала, из которого изготовлен диск моментомера, изменяется критическая скорость, выше которой характеристика тормоза становится статически неустойчивой.
К недостаткам электромагнитных тормозов следует отнести значительную мощность, потребляемую обмотками электромагнитов, наличие момента трения в подшипниках моментомера, что следует учитывать при испытаниях двигателем малой мощности, и сравнительно большой момент инерции.
Электромашинные тормоза применяют в балансирных моментомерах (баланс-машинах) и в электромашинных моментомерах. Измерение момента в этом случае проводится методом суммарного момента. Электромашинный тормоз представляет собой электрическую машину, ротор которой соединен с ротором испытуемой машины, а статор является частью измерительного устройства моментомера.
Необходимыми характеристиками обладает машина постоянного тока, работающая в одном из тормозных режимов - рекуперативного торможения, динамического торможения, противовключения. Регулируя напряжение питающей сети, можно смещать механическую характеристику машины параллельно самой себе в зону больших или меньших скоростей, т.е. регулировать момент нагрузки.

Конструктивно баланс машина отличается от обычной тем что ее статор вместе с корпусом и другими крепящимися к нему деталями имеет собственные подшипники, так что он имеет возможность поворота на некоторый угол, определяемый ограничителями.

К достоинствам рекуперативного торможения следует отнести малое потребление энергии при испытаниях.
При динамическом торможении якорь машины постоянного тока замкнут на нагрузочное активное сопротивление, а обмотка возбуждения включена в сеть постоянного тока. Наклон характеристик при динамическом торможении зависит от нагрузочного сопротивления и тока возбуждения.
При противовключении машина постоянного тока с независимым возбуждением включается в сеть так. что развиваемый ею электромагнитный момент направлен в противоположную вращению ротора сторону. При этом с помощью резистора осуществляется ограничение тока якоря. Изменяя ток возбуждения, можно изменять наклон механических характеристик и величину момента при неподвижном роторе.
В качестве электромашинного тормоза могут применяться асинхронные машины в основном в режиме динамического торможения. В этом случае обмотка статора асинхронной машины включена в сеть постоянного тока, а фазная обмотка ротора - на внешнее активное сопротивление. Регулирование критической скорости осуществляется изменением этого активного сопротивления.
Асинхронная машина с короткозамкнутой обмоткой ротора практически не используется вследствие малой величины критической скорости и из-за того, что вся подводимая энергия выделяется внутри машины. Ограниченное применение имеет и режим противовключения асинхронной машины, так как для регулирования частоты вращения холостого хода (синхронной) требуется дорогостоящий преобразователь частоты.
Применение синхронной машины в качестве электромашинного тормоза возможно при работе в режиме генератора на отдельную активную нагрузку. В этом случае величина критической скорости пропорциональна величине активного сопротивления нагрузки, а максимальный момент - потоку возбуждения. Механические характеристики такого тормоза при постоянном возбуждении аналогичны характеристикам.

Измерение крутящих моментов

Момент M – физическая величина, выражаемая произведением силыF на плечоL (момент сил).

В случае вращающихся силовых или рабочих машин для других объектов, в которых сила вызывает вращение тела вокруг некоторой точки, говорят о крутящем моменте. Крутящий момент можно обозначать с индексом, например M d . В этом случае плечом является радиус, на котором действует силаF :

M = F L; M d = F r.

Единицей момента силы в системе СИ является ньютон-метр (Н·м), под которым понимают момент силы, равной 1 Н, относительно точки, расположенной на расстоянии 1 м от линии действия силы.

Преобразователи (датчики) крутящего момента. Преобразователи (датчики) крутящего момента, как показывает опыт, часто подвергаются разрушающей перегрузке. Это объясняется следующим.

В зависимости от типа устройства, создающего крутящий момент, среднее значение этого момента образовано последовательностью импульсных моментов, которые могут значительно превосходить среднее значение. В двигателях внутреннего сгорания вообще имеет место пульсирующий крутящий момент. В то же время нередко ошибочно при тарировке и испытаниях датчиков крутящего момента используют электродвигатели, создающие постоянный крутящий момент. Часто не учитывают того, что исследуемая установка представляет собой колебательную систему и что в ней могут возникать крутильные колебания. При переходе через положение резонанса мгновенные значения могут во много раз превысить среднее значение крутящего момента. Преобразователи (датчики), рассчитанные на среднее значение момента, могут не выдержать таких перегрузок, и поэтому их необходимо рассчитывать на максимумы момента.

При измерении динамической колебательной характеристики производственного оборудования необходимо проверить, в какой мере преобразователь (датчик) крутящего момента, действующий как торсионная пружина, меняет колебательную характеристику всей установки в целом.

Тензорезисторные преобразователи (датчики) крутящего момента. Такие преобразователи находят широкое использование для измерения крутящего момента. Диапазон измерений серийно выпускаемых тензорезисторных преобразователей крутящего момента составляет от 0 – 0,1 Н·м до 0 – 50 кН·м, а в случае необходимости и более.

Важнейшей частью преобразователя (датчика) крутящего момента является, как правило, чувствительный цилиндрический элемент, который под действием приложенного к нему моменту закручивается. Возникающие при этом напряжения сдвига или деформации служат мерой крутящего момента. Упомянутые напряжения или деформации воспринимаются тензорезисторами, которые приклеивают к чувствительному элементу под углом 45 0 к его продольной оси и включают в схему моста Уитстона. Для передачи питающего напряжения и измерительного сигнала применяют контактные кольца или передачу сигналов без использования контактных колец. На рис.1 приведена типичная конструкция преобразователя (датчика) крутящего момента с контактными кольцами. На суженном участке вала, представляющего собой чувствительный элемент, видны тензорезисторы, расположенные под углом 45 0 .

Известно соотношение
. Поэтому, зная и параметры торсионного вала получим
Измеряя углы закручивания, можно определить соответствующее значениеМ к . При малых крутящих моментах для получения достаточной деформации диаметр вала должен быть очень малым. (Для обеспечения необходимой устойчивости в этих случаях применяют чувствительные элементы другой формы, например в виде клетки, стержни которой работают на изгиб). Односторонне расположение подшипников снижает погрешности от трения. Для вентиляции и охлаждении служит вентилятор. Тензорезисторы соединены с неподвижным корпусом при помощи контактных колец и съемных щеток. Необходимые для измерения мощности параметры скорости и направления вращения могут быть также получены бесконтактным способом.

Преобразователи (датчики) крутящего момента с бесконтактной передачей сигналов наиболее эффективны для непрерывного контроля, так как они работают практически без износа и без обслуживания. Примером такого преобразователя является преобразователь момента, представленный на рисунке 2. Этот преобразователь работает совместно с фотодатчиком ДФ-1, в проеме которого размещаются диски 3 и 4, образующие при увеличении момента увеличивающиеся по ширине щели и, как следствие, формирующие при своем вращении в проеме неподвижного фотодатчика последовательности увеличивающихся по длительности импульсов.

Н
а схеме обозначены: 1, 2 – полумуфты левая и правая; 3, 4 левый и правый диски с выступами, 5 – упругие элементы (пружины). Этот преобразователь крутящего момента содержит полумуфты 1 и 2, неподвижно закрепленные на полумуфтах диски 3 и 4 с радиальными прорезями, упругие элементы 5 (в данном примере – пружины сжатия), размещенные между выступами-кулачками полумуфт. Диски 3 и 4 имеют возможность поворачиваться один относительно другого, и в исходном их положении радиальные прорези одного диска перекрыты выступами другого, т.е. эти диски не образуют радиальных щелей. Полумуфты 1 и 2 расположены в непосредственной близости одна от другой так, что закрепленные на полумуфтах диски с радиальными прорезями могут быть размещены в проеме одного и того же фотодатчика (рис. 2).

Рис.2 – Конструкция преобразователя момента в виде упругой муфты

Здесь торсионный вал упразднен и заменен упруго деформируемыми элементами, связывающими полумуфты в окружном направлении. Следовательно, рассматриваемый преобразователь фактически представляет собой упругую муфту, позволяющую помимо своей основной функции вести измерение передаваемого момента.

Работает преобразователь крутящего момента следующим образом. При вращении вала, на котором измеряется момент, вращаются диски 3 и 4, размещенные в проеме фотодатчика 8 или 9. Если момент на валу отсутствует, то диски 3 и 4 перекрывают световой пучок фотодатчика, и на выходе этого фотодатчика сигнал отсутствует. С появлением крутящего момента пружины 5 деформируются, полумуфты 1 и 2 поворачиваются на некоторый угол одна относительно другой, получают угловое смещение диски 3 и 4, в результате чего образуются радиальные щели, и при перемещении дисков в проеме фотодатчика последний генерирует импульсы, длительность которых пропорциональна ширине радиальных щелей, образованных дисками 3 и 4, а следовательно величине момента. При увеличении момента на валу ширина радиальных щелей, образованных дисками 3 и 4, увеличивается, а потому увеличивается длительность генерируемых фотодатчиком импульсов.

Таким образом, углы относительного поворота полумуфт 1 и 2, пропорциональные крутящему моменту, преобразуются в электрические сигналы преобразователя, которые регистрируются, и по их значениям определяются соответствующие величины измеряемых моментов.

Индуктивные преобразователи (датчики) крутящего момента. Индуктивные преобразователи (датчики) крутящего момента принципиально могут быть применены в тех же областях, что и тензорезисторные преобразователи. Однако они отличаются повышенной чувствительностью: диапазон измерений находится в пределах от 0 – 0,1 Н·см до 0 – 100 кН·м.

Конструктивное исполнение, основные типы. Основным элементом индуктивных преобразователей (датчиков) крутящего момента является торсионный стержень, закручивание которого воспринимается индуктивным преобразователем. При этом либо втяжной якорь перемещается в катушках, что вызывает разбаланс мостовой схемы, либо катушки в трансформаторной схеме перемещаются одна относительно другой. В обоих случаях на выходе системы обмоток появляется напряжение, пропорциональное закручиванию стержня, а следовательно, и крутящему моменту.

Так как индуктивные преобразователи (датчики) крутящего момента должны работать на несущей частоте, то и в данном случае имеется возможность бесконтактного подвода и регистрации напряжения.

Струнные преобразователи (датчики) крутящего момента. Метод измерения, положенный в основу струнного тензометра, может быть использован и для измерения крутящих моментов.

Струнные преобразователи (датчики) крутящего момента выпускают серийно для установки на валах диаметром от 50 до 750 мм. В зависимости от производственных условий это примерно соответствует диапазонам измерения крутящих моментов от 0 – 100 Н·м до 0 – 5 МН·м. Максимальная частота вращения составляет 1500 об/мин для валов малого диаметра и снижается максимум до 150 об/мин для валов большого диаметра.

Класс точности самого измерительного устройства 0,5 – 1 %. Если статическая юстировка невозможна, то отклонения от положенных в основу расчетных данных могут привести к дополнительной погрешности.

Конструктивное исполнение. Струнные преобразователи крутящего момента состоят из двух колец, закрепляемых на валу на заданном расстоянии одно от другого, и двух натянутых между ними ферромагнитных проволок – струны. При нагружении вала кольца хотя и незначительно, но пропорционально приложенному крутящему моменту скручиваются одно относительного другого. В результате механическое напряжение, а следовательно, и частота одной из струн повышается, а другой – понижается. Изменение частоты колебания струны, вызванное нагружением вала, служит мерой приложенного к нему крутящего момента.

Пьезоэлектрические преобразователи (датчики) крутящего момента. Пьезоэлектрический эффект используется для измерения крутящего момента только применительно к измерительной платформе. Реагирующие на сдвиг кварцевые пластинки, установлены по кольцу и их оси, направлены по касательным. Отдельные кварцевые пластинки электрически и механически соединены между собой параллельно; полный заряд соответствует воздействующему на них крутящему моменту. Применение его в основном такое же, как в пьезоэлектрических динамометрах.

Испытательные стенды. Испытательные стенды, обычно называемые балансирными машинами, служат для определения мощности и характеристики мощности силовых машин всех типов и используются при экспериментальных и конструктивных разработках, а также в серийном производстве. В их состав входят не только устройства для измерения крутящего момента, но и устройства для определения частоты вращения и других параметров. В зависимости от конструктивного исполнения и оснащения они снабжены устройствами для регулирования и управления, позволяющими получить характеристики в функции различных критериев. Таким образом, обеспечивается возможность быстрого суждения о поведении и процессе работы силовых машин, испытываемых на этих стендах.

Конструктивное исполнение, основные типы. Для измерения крутящих моментов на машинах необходимы две функции:

1) поглощение (преобразование, гашение) энергии, выработанной испытуемой машиной;

2) измерение получившегося при этом крутящего момента.

Преобразование энергии может быть осуществлено:

а) вихревыми гидравлическими тормозами, в которых работа, затраченная на вихревое гидравлическое движение, превращается в тепло;

б) тормозами, использующими вихревые токи (вихревыми тормозами), в которых электрическая энергия превращается в тепло;

в) электромагнитными тормозами, в которых магнитные силы в смеси масла с ферромагнитным порошком создают сопротивление вращению ротора и превращаются в тепло;

г) электрическими генераторами, в которых механическая энергия силовой машины превращается в электрическую энергию.

Для измерения крутящего момента корпус тормозного устройства обычно свободно подвешивают. Через рычаг заданной длины он упирается в динамометр. Измеряемый крутящий момент и противодействующий момент равны друг другу. При заданной длине рычага можно, измеряя динамометром силу F , по формулеM d = F r определить крутящий момент, градуируя шкалу динамометра в единицах момента.

Измерять крутящий момент можно механическими методами, например маятниковыми весами, или электрическими методами, например, с помощью тензорезисторов. Измерение момента, развиваемого порошковыми электромагнитными тормозами, ведется при помощи индикатора часового типа, одно деление которого соответствует определенной величине момента, полученному при тарировке.

Мощность и вращающий момент электродвигателя

Данная глава посвящена вращающему моменту: что это такое, для чего он нужен и др. Мы также разберём типы нагрузок в зависимости от моделей насосов и соответствие между электродвигателем и нагрузкой насоса.

Вы когда-нибудь пробовали провернуть вал пустого насоса руками? Теперь представьте, что вы поворачиваете его, когда насос заполнен водой. Вы почувствуете, что в этом случае, чтобы создать вращающий момент, требуется гораздо большее усилие.

А теперь представьте, что вам надо крутить вал насоса несколько часов подряд. Вы бы устали быстрее, если бы насос был заполнен водой, и почувствовали бы, что потратили намного больше сил за тот же период времени, чем при выполнении тех же манипуляций с пустым насосом. Ваши наблюдения абсолютно верны: требуется большая мощность, которая является мерой работы (потраченной энергии) в единицу времени. Как правило, мощность стандартного электродвигателя выражается в кВт.

Вращающий момент (T) - это произведение силы на плечо силы. В Европе он измеряется в Ньютонах на метр (Нм).

Как видно из формулы, вращающий момент увеличивается, если возрастает сила или плечо силы - или и то и другое. Например, если мы приложим к валу силу в 10 Н, эквивалентную 1 кг, при длине рычага (плече силы) 1 м, в результате, вращающий момент будет 10 Нм. При увеличении силы до 20 Н или 2 кг, вращающий момент будет 20 Нм. Таким же образом, вращающий момент был бы 20 Нм, если бы рычаг увеличился до 2 м, а сила составляла 10 Н. Или при вращающем моменте в 10 Нм с плечом силы 0,5 м сила должна быть 20 Н.

Работа и мощность

Теперь остановимся на таком понятии как «работа», которое в данном контексте имеет особое значение. Работа совершается всякий раз, когда сила - любая сила - вызывает движение. Работа равна силе, умноженной на расстояние. Для линейного движения мощность выражается как работа в определённый момент времени.

Если мы говорим о вращении, мощность выражается как вращающий момент (T), умноженный на частоту вращения (w).

Частота вращения объекта определяется измерением времени, за которое определённая точка вращающегося объекта совершит полный оборот. Обычно эта величина выражается в оборотах в минуту, т.е. мин-1 или об/мин. Например, если объект совершает 10 полных оборотов в минуту, это означает, что его частота вращения: 10 мин-1 или 10 об/мин.

Итак, частота вращения измеряется в оборотах в минуту, т.е. мин-1.

Приведем единицы измерения к общему виду.

Для наглядности возьмём разные электродвигатели, чтобы более подробно проанализировать соотношение между мощностью, вращающим моментом и частотой вращения. Несмотря на то, что вращающий момент и частота вращения электродвигателей сильно различаются, они могут иметь одинаковую мощность.

Например, предположим, что у нас 2-полюсный электродвигатель (с частотой вращения 3000 мин-1) и 4-полюсной электродвигатель (с частотой вращения 1500 мин-1). Мощность обоих электродвигателей 3,0 кВт, но их вращающие моменты отличаются.

Таким образом, вращающий момент 4-полюсного электродвигателя в два раза больше вращающего момента двухполюсного электродвигателя с той же мощностью.

Как образуется вращающий момент и частота вращения?

Теперь, после того, как мы изучили основы вращающего момента и скорости вращения, следует остановиться на том, как они создаются.

В электродвигателях переменного тока вращающий момент и частота вращения создаются в результате взаимодействия между ротором и вращающимся магнитным полем. Магнитное поле вокруг обмоток ротора будет стремиться к магнитному полю статора. В реальных рабочих условиях частота вращения ротора всегда отстаёт от магнитного поля. Таким образом, магнитное поле ротора пересекает магнитное поле статора и отстает от него и создаёт вращающий момент. Разницу в частоте вращения ротора и статора, которая измеряется в %, называют скоростью скольжения.

Скольжение является основным параметром электродвигателя, характеризующий его режим работы и нагрузку. Чем больше нагрузка, с которой должен работать электродвигатель, тем больше скольжение.

Помня о том, что было сказано выше, разберём ещё несколько формул. Вращающий момент индукционного электродвигателя зависит от силы магнитных полей ротора и статора, а также от фазового соотношения между этими полями. Это соотношение показано в следующей формуле:

Сила магнитного поля, в первую очередь, зависит от конструкции статора и материалов, из которых статор изготовлен. Однако напряжение и частота тока также играют важную роль. Отношение вращающих моментов пропорционально квадрату отношения напряжений, т.е. если подаваемое напряжение падает на 2%, вращающий момент, следовательно, уменьшается на 4%.

Ток ротора индуцируется через источник питания, к которому подсоединён электродвигатель, а магнитное поле частично создаётся напряжением. Входную мощность можно вычислить, если нам известны данные источника питания электродвигателя, т.е. напряжение, коэффициент мощности, потребляемый ток и КПД.

В Европе мощность на валу обычно измеряется в киловаттах. В США мощность на валу измеряется в лошадиных силах (л.с.).

Если вам необходимо перевести лошадиные силы в киловатты, просто умножьте соответствующую величину (в лошадиных силах) на 0,746. Например, 20 л.с. равняется (20 0,746) = 14,92 кВт.

И наоборот, киловатты можно перевести в лошадиные силы умножением величины в киловаттах на 1,341. Это значит, что 15 кВт равняется 20,11 л.с.

Момент электродвигателя

Мощность [кВт или л.с.] связывает вращающий момент с частотой вращения, чтобы определить общий объём работы, который должен быть выполнен за определённый промежуток времени.

Рассмотрим взаимодействие между вращающим моментом, мощностью и частотой вращения, а также их связь с электрическим напряжением на примере электродвигателей Grundfos. Электродвигатели имеют одну и ту же номинальную мощность как при 50 Гц, так и при 60 Гц.

Это влечёт за собой резкое снижение вращающего момента при 60 Гц: частота 60 Гц вызывает 20%-ное увеличение числа оборотов, что приводит к 20%-ному уменьшению вращающего момента. Большинство производителей предпочитают указывать мощность электродвигателя при 60 Гц, таким образом, при снижении частоты тока в сети до 50 Гц электродвигатели будут обеспечивать меньшую мощность на валу и вращающий момент. Электродвигатели обеспечивают одинаковую мощность при 50 и 60 Гц.

Графическое представление вращающего момента электродвигателя изображено на рисунке.

Иллюстрация представляет типичную характеристику вращающий момент/частота вращения. Ниже приведены термины, используемые для характеристики вращающего момента электродвигателя переменного тока.

Пусковой момент (Мп): Механический вращающий момент, развиваемый электродвигателем на валу при пуске, т.е. когда через электродвигатель пропускается ток при полном напряжении, при этом вал застопорен.

Минимальный пусковой момент (Ммин): Этот термин используется для обозначения самой низкой точки на кривой вращающий момент/частота вращения электродвигателя, нагрузка которого увеличивается до полной скорости вращения. Для большинства электродвигателей Grundfos величина минимального пускового момента отдельно не указывается, так как самая низкая точка находится в точке заторможенного ротора. В результате для большинства электродвигателей Grundfos минимальный пусковой момент такой же, как пусковой момент.

Блокировочный момент (Мблок): Максимальный вращающий момент - момент, который создаёт электродвигатель переменного тока с номинальным напряжением, подаваемым при номинальной частоте, без резких скачков скорости вращения. Его называют предельным перегрузочным моментом или максимальным вращающим моментом.

Вращающий момент при полной нагрузке (Мп.н.): Вращающий момент, необходимый для создания номинальной мощности при полной нагрузке.

Нагрузка насосов и типы нагрузки электродвигателя

Выделяют следующие типы нагрузок:

Постоянная мощность

Термин «постоянная мощность» используется для определённых типов нагрузки, в которых требуется меньший вращающий момент при увеличении скорости вращения, и наоборот. Нагрузки при постоянной мощности обычно применяются в металлообработке, например, сверлении, прокатке и т.п.

Постоянный вращающий момент

Как видно из названия - «постоянный вращающий момент» - подразумевается, что величина вращающего момента, необходимого для приведения в действие какого- либо механизма, постоянна, независимо от скорости вращения. Примером такого режима работы могут служить конвейеры.

Переменный вращающий момент и мощность

«Переменный вращающий момент» - эта категория представляет для нас наибольший интерес. Этот момент имеет отношение к нагрузкам, для которых требуется низкий вращающий момент при низкой частоте вращения, а при увеличении скорости вращения требуется более высокий вращающий момент. Типичным примером являются центробежные насосы.

Вся остальная часть данного раздела будет посвящена исключительно переменному вращающему моменту и мощности.

Определив, что для центробежных насосов типичным является переменный вращающий момент, мы должны проанализировать и оценить некоторые характеристики центробежного насоса. Использование приводов с переменной частотой вращения обусловлено особыми законами физики. В данном случае это законы подобия , которые описывают соотношение между разностями давления и расходами.

Во-первых, подача насоса прямо пропорциональна частоте вращения. Это означает, что если насос будет работать с частотой вращения на 25% больше, подача увеличится на 25%.

Во-вторых, напор насоса будет меняться пропорционально квадрату изменения скорости вращения. Если частота вращения увеличивается на 25%, напор возрастает на 56%.

В-третьих, что особенно интересно, мощность пропорциональна кубу изменения скорости вращения. Это означает, что если требуемая частота вращения уменьшается на 50%, это равняется 87,5%-ному уменьшению потребляемой мощности.

Итак, законы подобия объясняют, почему использование приводов с переменной частотой вращения более целесообразно в тех областях применения, где требуются переменные значения расхода и давления. Grundfos предлагает ряд электродвигателей со встроенным частотным преобразователем, который регулирует частоту вращения для достижения именно этой цели.

Так же как подача, давление и мощность, потребная величина вращающего момента зависит от скорости вращения.

На рисунке показан центробежный насос в разрезе. Требования к вращающему моменту для такого типа нагрузки почти противоположны требованиям при «постоянной мощности». Для нагрузок при переменном вращающем моменте потребный вращающий момент при низкой частоте вращения - мал, а потребный вращающий момент при высокой частоте вращения - велик. В математическом выражении вращающий момент пропорционален квадрату скорости вращения, а мощность - кубу скорости вращения.

Это можно проиллюстрировать на примере характеристики вращающий момент/частота вращения, которую мы использовали ранее, когда рассказывали о вращающем моменте электродвигателя:

Когда электродвигатель набирает скорость от нуля до номинальной скорости, вращающий момент может значительно меняться. Величина вращающего момента, необходимая при определённой нагрузке, также изменяется с частотой вращения. Чтобы электродвигатель подходил для определённой нагрузки, необходимо чтобы величина вращающего момента электродвигателя всегда превышала вращающий момент, необходимый для данной нагрузки.

В примере, центробежный насос при номинальной нагрузке имеет вращающий момент, равный 70 Нм, что соответствует 22 кВт при номинальной частоте вращения 3000 мин-1. В данном случае насосу при пуске требуется 20% вращающего момента при номинальной нагрузке, т.е. приблизительно 14 Нм. После пуска вращающий момент немного падает, а затем, по мере того, как насос набирает скорость, увеличивается до величины полной нагрузки.

Очевидно, что нам необходим насос, который будет обеспечивать требуемые значения расход/напор (Q/H). Это значит, что нельзя допускать остановок электродвигателя, кроме того, электродвигатель должен постоянно ускоряться до тех пор, пока не достигнет номинальной скорости. Следовательно, необходимо, чтобы характеристика вращающего момента совпадала или превышала характеристику нагрузки на всём диапазоне от 0% до 100% скорости вращения. Любой «избыточный» момент, т.е. разница между кривой нагрузки и кривой электродвигателя, используется как ускорение вращения.

Соответствие электродвигателя нагрузке

Если нужно определить, отвечает ли вращающий момент определённого электродвигателя требованиям нагрузки, Вы можете сравнить характеристики скорости вращения/вращающего момента электродвигателя с характеристикой скорости вращения/ вращающего момента нагрузки. Вращающий момент, создаваемый электродвигателем, должен превышать потребный для нагрузки вращающий момент, включая периоды ускорения и полной скорости вращения.

Характеристика зависимости вращающего момента от скорости вращения стандартного электродвигателя и центробежного насоса.

Если мы посмотрим на характеристику, то увидим, что при ускорении электродвигателя его пуск производится при токе, соответствующем 550% тока полной нагрузки.

Когда двигатель приближается к своему номинальному значению скорости вращения, ток снижается. Как и следовало ожидать, во время начального периода пуска потери на электродвигателе высоки, поэтому этот период не должен быть продолжительным, чтобы не допустить перегрева.

Очень важно, чтобы максимальная скорость вращения достигалась как можно точнее. Это связано с потребляемой мощностью: например, увеличение скорости вращения на 1% по сравнению со стандартным максимумом приводит к 3%-ному увеличению потребляемой мощности.

Потребляемая мощность пропорциональна диаметру рабочего колеса насоса в четвертой степени.

Уменьшение диаметра рабочего колеса насоса на 10% приводит к уменьшению потребляемой мощности на (1- (0.9 * 0.9 * 0.9 * 0.9)) * 100 = 34%, что равно 66% номинальной мощности. Эта зависимость определяется исключительно на практике, так как зависит от типа насоса, конструкции рабочего колеса и от того, насколько вы уменьшаете диаметр рабочего колеса.

Время пуска электрдвигателя

Если нам необходимо подобрать типоразмер электродвигателя для определённой нагрузки, например для центробежных насосов, основная наша задача состоит в том, чтобы обеспечить соответствующий вращающий момент и мощность в номинальной рабочей точке, потому что пусковой момент для центробежных насосов довольно низкий. Время пуска достаточно ограниченно, так как вращающий момент довольно высокий.

Нередко для сложных систем защиты и контроля электродвигателей требуется некоторое время для их пуска, чтобы они могли замерить пусковой ток электродвигателя. Время пуска электродвигателя и насоса рассчитывается с помощью следующей формулы:

tпуск = время, необходимое электродвигателю насоса, чтобы достичь частоты вращения при полной нагрузке

n = частота вращения электродвигателя при полной нагрузке

Iобщ = инерция, которая требует ускорения, т.е. инерция вала электродвигателя, ротора, вала насоса и рабочих колёс.

Момент инерции для насосов и электродвигателей можно найти в соответствующих технических данных.

Мизб = избыточный момент, ускоряющий вращение. Избыточный момент равен вращающему моменту электродвигателя минус вращающий момент насоса при различных частотах вращения.

Как видно из приведённых вычислений, выполненных для данного примера с электродвигателем мощностью 4 кВт насоса CR, время пуска составляет 0,11 секунды.

Число пусков электродвигателя в час

Современные сложные системы управления электродвигателями могут контролировать число пусков в час каждого конкретного насоса и электродвигателя. Необходимость контроля этого параметра состоит в том, что каждый раз, когда осуществляется пуск электродвигателя с последующим ускорением, отмечается высокое потребление пускового тока. Пусковой ток нагревает электродвигатель. Если электродвигатель не остывает, продолжительная нагрузка от пускового тока значительно нагревает обмотки статора электродвигателя, что приводит к выходу из строя электродвигателя или сокращению срока службы изоляции.

Обычно за количество пусков, которое может выполнить электродвигатель в час, отвечает поставщик электродвигателя. Например, Grundfos указывает максимальное число пусков в час в технических данных на насос, так как максимальное количество пусков зависит от момента инерции насоса.

Мощность и КПД (eta) электродвигателя

Существует прямая связь между мощностью, потребляемой электродвигателем от сети, мощностью на валу электродвигателя и гидравлической мощностью, развиваемой насосом.

При производстве насосов используются следующие обозначения этих трёх различных типов мощности.

P1 (кВт) Входная электрическая мощность насосов - это мощность, которую электродвигатель насоса получает от источника электрического питания. Мощность P! равна мощности P2, разделённой на КПД электродвигателя.

P2 (кВт) Мощность на валу электродвигателя - это мощность, которую электродвигатель передает на вал насоса.

Р3 (кВт) Входная мощность насоса = P2, при условии, что соединительная муфта между валами насоса и электродвигателя не рассеивает энергию.

Р4 (кВт) Гидравлическая мощность насоса.