Что такое параметр нагрузки двигателя

CNC-DESIGN

В корзине пусто!

Шаговые двигатели выбор и расчет основных параметров

Шаговые двигатели выбор и расчет основных параметров.
Шаговый двигатель — это электромеханическое устройство, которое преобразует электрические импульсы в дискретные механические движения. Вал шагового двигателя вращается с дискретным шагом, когда на него подаются управляющие импульсы в правильной последовательности. Вращение двигателей напрямую зависит от входящих импульсов, так же они напрямую управляют направлением и скоростью вращения вала двигателя.

Преимущества и недостатки шагового двигателя:
Преимущества:
— угол поворта двигателя пропорционален входным импульсам;
— фиксация положения при остановке током удержания;
— точное позиционирование и повторяемость движения, так как большинство шаговых двигателей имеют точность 3-5% шага, и эта ошибка не суммируется от одного шага к следующему;
— низкая инертность при запуске, остановке и реверсе;
— высокая надежность, поскольку в двигателе отсутствуют контактные щетки, поэтому срок службы двигателя в основном зависит от срока службы подшипников;
— реакция двигателя на цифровые входные импульсы обеспечивает управление без обратной связи, что делает систему более простой и, следовательно, более экономичной;
— можно достичь очень низкой скорости синхронного вращения с нагрузкой, которая напрямую связана с валом;
— можно реализовать широкий диапазон скоростей вращения, так как скорость пропорциональна частоте входных импульсов;
— шаговые двигатели дешевле серводвигателей.

Недостатки:
— может возникнуть явление резонанса, при некорректном расчете узла или системы управления;
— двигатель непрост вэксплуатации наочень высоких скоростях, 3000+ об/мин;
— сложность системы управления;
— падение мощности с ростом скорости вращения;
— отсутствие обратной связи;
— невысокая удельная мощность;
— низкая скорость вращения;
— шум.

Выбор шагового двигателя.
Шаговый двигатель можно использовать когда требуется контролируемое движение. Они могут использоваться в приложениях, где необходимо контролировать угол поворота, скорость, положение и синхронизацию. Из-за присущих выше преимуществ, шаговые двигатели нашли свое место в различных устройствах: принтеры, плоттеры, лазерные резаки, гравировальные станки, устройства захвата и так далее.
При выборе шагового двигателя для вашего устройства необходимо учитывать несколько факторов:
Как двигатель будет связан с нагрузкой?
Какие скорость и ускорения необходимо реализовать?
Какой крутящий момент необходим для перемещения исполнительного механизма?
Какая степень точности требуется при позиционировании?

Количество полюсов (однополюсный/биполярный)
Обычно шаговые двигатели имеют две фазы, но также существуют трех- и пятифазные двигатели. Биполярный двигатель с двумя фазами имеет одну обмотку/фазу, а однополярный двигатель имеет одну обмотку с центральным отводом на фазу. Иногда шаговый двигатель называют четырехфазным двигателем, хотя он имеет только две фазы. Двигатели с двумя отдельными обмотками на фазу могут приводиться в двухполярный или однополярный режим. Желательно, чтобы количество проводов на двигателе соответствовало количеству контактов на драйвере, чтобы не заниматься различными ухищрениями при подключения.

Номинальный ток
Обычно указывается максимальный ток, который подается одновременно на обе обмотки. Максимальный ток через одну обмотку (который действительно имеет значение при использовании микрошагов) указывается достаточно редко. При подаче номинального тока на одну обмотку происходит нагрев двигателя, из-за этого обычно ограничивают ток двигателя не более 85% от номинального тока. Для достижения максимального крутящего момента двигателя без перегрева, необходимо выбрать двигатель с номинальным током не более чем на 25% выше, чем рекомендуемый максимальный ток привода шагового двигателя.

Крутящий момент
Выходной крутящий момент и мощность шагового двигателя зависят от размера двигателя, теплоотвода, рабочего цикла, обмотки двигателя и типа используемого привода. Если шаговый двигатель работает без нагрузки во всем диапазоне частот, одна или несколько точек собственных колебаний резонанса могут быть обнаружены либо по звуку, либо по датчикам вибрации. Полезный крутящий момент от шагового двигателя может быть резко уменьшен за счет резонансов. Работы на резонансных частотах следует избегать. Внешнее демпфирование, дополнительная инерция или применение микрошагов используются для уменьшения эффекта резонанса.

Удерживающий момент
Это максимальный крутящий момент, который может обеспечить двигатель, когда обе обмотки находятся под напряжением при полном токе. Крутящий момент пропорционален току (за исключением очень малых токов), поэтому, например, если вы установите драйверы на 85% от номинального тока двигателя, то максимальный крутящий момент будет 85% * 0,707 = 60% от указанного удерживающего момента.
Крутящий момент возникает, когда угол ротора отличается от идеального угла, который соответствует току в его обмотках. Когда шаговый двигатель ускоряется, возникает крутящий момент для преодоления собственной инерции ротора и массы нагрузки, приводимой в движении. Чтобы создать этот крутящий момент, угол ротора должен отставать от идеального угла.
Известно, что использование микрошага снижает крутящий момент. На самом деле это означает, что угол запаздывания равен углу, соответствующему одному микрошагу (поскольку вы хотите, чтобы положение было с точностью до одного микрошага), более высокое значение микрошага предполагает уменьшение угла, а значит и уменьшение крутящего момента. Крутящий момент на единицу угла (что действительно имеет значение) не уменьшается при увеличении микрошага. Иными словами, отправка импульса на двигатель на один микрошаг 1/16 приводит к точно таким же фазовым токам (и, следовательно, к тем же силам), что и к отправке двух 1/32 микрошагов или четырех 1/64 микрошагов и так далее.

Размер
Шаговые двигатели также классифицируются в соответствии с размерами корпуса, которые соответствуют размеру рамы двигателя. Например, шаговый двигатель NEMA11 имеет размер рамы приблизительно 1,1 дюйма (28 мм). Аналогично, шаговый двигатель NEMA23 имеет размер корпуса 2,3 дюйма (57 мм) и т. д. Однако длина корпуса может изменяться от двигателя к двигателю в рамках одной и той же классификации размеров, при этом крутящий момент двигателя с определенным размером рамы будет увеличиваться с увеличением длины корпуса.

— габарит рамы 20х20 мм;
— диапазон длин: 30-42 мм;
— крутящий момент: 0,18-0,3 кг*см.

— габарит рамы 28х28 мм;
— диапазон длин: 32-51 мм;
— крутящий момент: 0,43-0,9 кг*см.

— габарит рамы 35х35 мм;
— диапазон длин: 28 мм;
— крутящий момент: 1,0 кг*см.

— габарит рамы 39х39 мм;
— диапазон длин: 20-38 мм;
— крутящий момент: 0,65-2,0 кг*см.

— габарит рамы 42х42 мм;
— диапазон длин: 25-60 мм;
— крутящий момент: 1,7-6,5 кг*см.

— габарит рамы 56х56 мм;
— диапазон длин: 41-76 мм;
— крутящий момент: 2,88-18,9 кг*см.

— габарит рамы 86х86 мм;
— диапазон длин: 65-156мм;
— крутящий момент: 34-122 кг*см.

— габарит рамы 110х110 мм;
— диапазон длин: 99-201 мм;
— крутящий момент: 112-280 кг*см.

— габарит рамы 130х130 мм;
— диапазон длин: 165-270 мм;
— крутящий момент: 270-500 кг*см.

Угол шага.
Существует два распространенных угла шага: 0,9 и 1,8 градуса на полный шаг, что соответствует 400 и 200 шагам/оборот. Большинство устройств используют двигатели с шагом 1,8 град/шаг.
При заданной скорости вращения 0,9-градусный двигатель производит вдвое больше индуктивной обратной эдс, чем 1,8-градусный двигатель, из-за этого возможно будет необходимо использовать питание 24 В для достижения высоких скоростей с двигателями 0,9 градуса.
Для двигателей 0,9 градуса необходимо подавать шаговые импульсы драйвера с удвоенной скоростью по сравнению с двигателями 1,8 градуса. Если вы используете высокий микрошаг, тогда скорость может быть ограничена скоростью, с которой электроника может генерировать шаговые импульсы.

Разрешение и точность позиционирования.
На разрешение и точность позиционирования системы шагового двигателя влияют несколько факторов: угол шага (длина полного шага шагового двигателя), выбранный режим движения (полный шаг, полшага или микрошаг) и скорость передачи. Это означает, что есть несколько различных комбинаций, которые можно использовать для получения желаемого разрешения, из-за этого проблема разрешения обычно может быть решена после того, как были определены размер двигателя и тип привода.

Самоиндукция .
Индуктивность двигателя влияет на скорость, с которой драйвер шагового двигателя может приводить двигатель в действие до падения крутящего момента. Если мы временно игнорируем обратную эдс из-за вращения, а номинальное напряжение двигателя намного меньше, чем напряжение питания привода, то максимальные обороты в секунду перед падением крутящего момента составляют:

оборотов_в_секунду=(2*напржение_БП)/(шагов_на оборот*3,14* индуктивность* ток)

Если двигатель приводит ремень GT2 через шкив, это дает максимальную скорость в мм/с как:

Например:
двигатель 1,8 град/шаг ( т. е. 200 шагов/об) с индуктивностью 4 мГн работает при 1,5, А при напряжении питания 12 В, и привод ремня GT2 с 20-зубчатым шкивом начинает терять крутящий момент со скоростью около 250 мм/с.
На практике крутящий момент начинает падать раньше, чем это из-за обратной эдс, вызванной движением, потому что не учитывается сопротивление обмоток. Моторы с низкой индуктивностью также имеют низкую ЭДС из-за вращения. Для достижения высоких скоростей, необходимо выбирать двигатели с низкой индуктивностью и высоким напряжением питания.

Сопротивление и номинальное напряжение
Это сопротивление на фазу и падение напряжения на каждой фазе, когда двигатель неподвижен, и фаза передает свой номинальный ток (который является результатом сопротивления и номинального тока). Это важно когда номинальное напряжение значительно ниже напряжения питания для шаговых драйверов.

Обратный ЭДС из-за вращения
Когда шаговый двигатель вращается, то создается обратная эдс. При идеальном нулевом угле запаздывания на 90 градусов не в фазе с напряжением возбуждения, а в фазе с обратной ЭДС из-за индуктивности. Когда двигатель выдает максимальный крутящий момент и находится на грани пропуска шага, он находится в фазе с током.
Обратный ЭДС из-за поворота обычно не указывается в спецификации, но мы можем оценить его по следующей формуле:

Формула предполагает, что удерживающий момент указан для обеих фаз, находящихся под напряжением при номинальном токе. Если это указано только с одной фазой под напряжением, замените 1,414 на 2.
Пример: рассмотрим 200-шаговый двигатель, приводящий каретку через шкив с 20 зубцами и ремень GT2. Это 40-миллиметровое движение за оборот. Для достижения скорости 200 мм/сек нам нужно 5 об/сек. Если мы используем двигатель с удерживающим моментом 0,55 Нм, когда обе фазы работают при 1,68, А, пиковая обратная эдс из-за вращения составляет

1,414 * 3,142 * 0,55 * 5 / 1,68 = 7,3 В.

Как вбрать необходимое напряжение питания
Если заранее известна необходимая скорость движения для вашего устройства, можно предварительно определить, какое напряжение питания вам потребуется для драйверов двигателя.
Пример: определим необходимую скорость движения. Для этого примера будем использовать 200 мм/сек, передача шкив 20 зубьев GT2.
Исходя из необходимой скорости движения, определим максимальную скорость ремня.
Прикинем обратную ЭДС от индуктивности:

где N — число полных шагов на оборот (200 для двигателей с 1,8 градусами или 400 для двигателей с 0,9 градусами).
Возьмем для примера двигателя со следующими параметрами: 0,9 градуса с индуктивностью 4,1 мГн, и токе 1А. Таким образом, обратная эдс из-за индуктивности составляет:

Вычислим обратную ЭДС из-за вращения по приведенной ранее формуле.
Двигатели для примера имеют номинальный ток 1,68А и момент удержания 0,44 Нм, поэтому результат равен:

Предпочтительно, чтобы напряжение питания драйвера составляло по меньшей мере сумму этих двух обратных эдс, плюс еще несколько вольт запаса. При использовании двух двигателей последовательно требуемое напряжение удваивается.

Алгоритм выбора шагового двигателя
1. Определение компонента механизма привода .
Определите механизм и необходимые входные данные, вариант механизма, приблизительные размеры, расстояния перемещения и время позиционирования.
2. Рассчитайте необходимое разрешение.
Найдите разрешение, необходимое для двигателя. Исходя из требуемого разрешения, определите, будет ли использоваться только двигатель или мотор-редуктор . Тем не менее, благодаря использованию технологии микрошагов, достичь требуемого разрешения стало гораздо легче.
3. Определите схему работы
Определите схему работы, которая соответствует требуемым данных. Рассчитайте значения ускорения (замедления) и скорость рабочего импульса, чтобы рассчитать момент ускорения.
4. Рассчитайте необходимый крутящий момент.
Рассчитайте момент нагрузки и момент ускорения и найдите требуемый момент, требуемый двигателем.
5. Выберите двигатель.
Сделайте предварительный выбор двигателя на основе требуемого крутящего момента. Определите используемый двигатель по характеристикам скорости и крутящего момента.
6. Проверьте выбранный двигатель.
Подтвердите скорость ускорения / замедления и коэффициент инерции.

Читать еще: Шевроле авео почему не тянет двигатель

Общие рекомендации:
— если не планируется использовать внешние драйверы шаговых двигателей, выбирайте двигатели с номинальным током не менее 1,2, А и не более 2,0 А.
— рассчитывайте на рабочий ток шагового двигателя 50-85% от номинального.
— размер:
Nema 17- самый популярный размер, используемый в домашних проектах.
Nema 23 необходимо использовать если не хватает крутящего момента от длинных двигателей Nema 17.
— старайтесь не использовать двигатели с номинальным напряжением (или произведением номинального тока и фазового сопротивления)> 4 В или индуктивности> 4 мГн.
— выборйте двигатель с 0,9 град/шаг, если необходима дополнительная точность позиционирования, для стандартных решений используйте двигатели 1,8 град/шаг.
— при использовании 0,9 градусных шаговых двигателей или двигателей с высоким крутящим моментом, необходимо применение блоков питания с напряжением 24 В, чтобы поддерживать крутящий момент на более высоких скоростях.

Определяем нагрузочные характеристики двигателя

Диагностика двигателя с помощью сканера

В помощь автовладельцам в продаже появилось множество различных сканеров для проведения самостоятельной диагностики современных двигателей. Но без знания основ работы системы впрыска вряд ли такой прибор окажет существенную помощь.

Перед пуском и в процессе работы двигателя контроллер оценивает температуру охлаждающей жидкости и температуру воздуха на впуске. Если датчик температуры ОЖ дает неверные показания, блок управления будет излишне обогащать или, наоборот, обеднять смесь, что приведет к неустойчивой работе двигателя и трудностям при запуске. Значение температуры ОЖ перед пуском используется для оценки работы термостата по времени прогрева двигателя. Исправность датчиков можно оценить перед холодным пуском, когда температура ОЖ сравнялась с температурой наружного воздуха. Показания датчиков в этом случае также должны отличаться не более, чем на 1-2 градуса. Если оба датчика отключить, контроллер будет брать значения, заложенные в «аварийную» программу. При неисправности датчика температуры воздуха возникнут трудности при запуске мотора, особенно при низких температурах.

Величина напряжения в бортовой сети также находится под неусыпным контролем блока управления. Ее значение зависит от параметров генератора. Если напряжение ниже нормы, контроллер увеличивает продолжительность накопления энергии в катушках зажигания и время впрыска.

С помощью сканера можно снять показания с датчика скорости и сравнить их с показаниями спидометра, оценив, таким образом, его работоспособность.

При повышенных оборотах холостого хода прогретого двигателя сканером проверяется степень открытия дроссельной заслонки. Она измеряется в процентах, и изменяется от 0% в закрытом состоянии до, не менее чем 70%, в полностью открытом.

В энергозависимой памяти контроллера хранятся данные о величине напряжения на датчике положения дроссельной заслонки (ДПДЗ) в закрытом состоянии. При установке другого датчика напряжение может быть другим, и поэтому контроллер по-другому отрегулирует обороты холостого хода. Чтобы такой ошибки не происходило, перед заменой датчика необходимо снимать клемму с аккумулятора.

Показания датчика массового расхода воздуха (ДМРВ), выраженные в кг/ч, используются контроллером для расчета большинства параметров. Одновременно контроллер вычисляет и теоретическую величину количества воздуха в зависимости от нагрузки. Эти два показания на исправном двигателе не должны сильно отличаться. Слишком большая разница между данными ДМРВ и расчетным значением количества необходимого воздуха свидетельствует о неисправности двигателя.

Контроллер рассчитывает и при необходимости корректирует угол опережения зажигания (УОЗ). С помощью сканера можно проверить его величину. При возникновении детонации блок управления «подправит» УОЗ, что наглядно будет видно на экране сканера.

Нагрузку на двигатель контроллер оценивает по величине и скорости открытия дроссельной заслонки. Измеряется она в процентах. Для прогретого мотора, работающего на холостых оборотах, параметр «нагрузка на двигатель» величина постоянная. Поэтому весьма полезно запомнить это значение. Если оно резко уменьшилось, это говорит о наличии постороннего подсоса воздуха. При увеличении же значения этого параметра от стандартного причину следует, прежде всего, искать в ДМРВ. Также этот параметр может увеличиться при увеличившемся сопротивлении вращению ротора генератора или насоса охлаждающей жидкости. Современные системы управления двигателем при расчете нагрузки учитывают даже такой параметр, как высота над уровнем моря, уменьшая время открытия форсунок с повышением высоты.

Проверяя сканером время открытого состояния форсунок, помните, что в современных системах фазированного впрыска форсунка открывается один раз за два оборота коленвала. В устаревших же, где форсунки срабатывают одновременно или попарно – параллельно, впрыск производится дважды. При этом управляющий импульс по длительности вдвое короче.

В режиме торможения двигателем подача топлива либо прекращается, либо снижается до минимума. Проверить, отключена ли топливоподача, можно с помощью специального параметра, который имеет только два значения: «да» или «нет».

Важной деталью системы управления является регулятор холостого хода (РХХ). Но он задействован не только в режиме холостого хода, но и в других рабочих режимах. РХХ чутко реагирует на любые изменения нагрузки, допустим – при включении осветительных приборов. При проверке сканером задают величину перемещения штока РХХ, следя при этом за изменением частоты вращения мотора.

По уровню сигнала от датчика детонации можно оценить шумность работы двигателя. Он измеряется в вольтах. В исправном двигателе его значение находится в пределах от 0,3 до 1 вольта. В изношенном двигателе эта величина будет выше.

Одной из «экологических» систем современного автомобиля является система улавливания паров бензина. Ее исполнительный механизм – электромагнитный клапан, управляемый контроллером. Клапан располагается в подкапотном пространстве, и при его работе слышны щелчки. При проверке сканером изменяют время открытия клапана и одновременно отслеживают работу РХХ. Если он прикроется, то, следовательно, во впускной тракт поступила дополнительная порция продувочного воздуха через клапан.

Установки системы управления хранятся в энергонезависимой памяти в виде контрольной суммы (набор букв и цифр), и подкорректировать их с помощью сканера невозможно. Для этого требуется специальное программное обеспечение. Контрольная сумма может измениться при сбое в программе работы контроллера. При этом контроллер придется заменить, в лучшем случае – перепрограммировать. Время работы контроллера также фиксируется в памяти, но при снятии клеммы аккумулятора этот параметр обнуляется.

Используя данные о количестве поступающего в двигатель воздуха от датчика массового расхода воздуха (ДМРВ), контроллер рассчитывает необходимое количество топлива и время открытого состояния форсунок. Правильность расчетов проверяется с помощью датчика кислорода (лямбда – зонда), устанавливаемого в выпускной системе перед каталитическим нейтрализатором. Этот процесс коррекции состава смеси по показаниям датчика кислорода (ДК) называется лямбда – регулированием (или обратной связью).

Сразу после пуска, когда лямбда-зонд не прогрет до рабочей температуры (300°C), он не участвует в процессе регулирования состава рабочей смеси, а сигнал на его выходе постоянен и равен приблизительно 0,5 вольта. Уменьшить время прогрева позволяет дополнительный электрический подогрев датчика. Как только сигнал датчика изменит значение, контроллер тут же «заметит» это и включит лямбда-зонд в процесс корректирования состава смеси.

В процессе работы сигнал ДК постоянно изменяется в пределах 0,1 – 0,9 В. Высокий уровень напряжения соответствует богатой смеси, низкий – бедной. Это наглядно видно на экране сканера. Если же экран недостаточно велик, можно подключить сканер к монитору компьютера – сигнал датчика напоминает синусоиду с прямоугольными краями.

Сигнал ДК контроллер «преобразует» в коэффициент коррекции длительности впрыска (КД). В нормальном состоянии этот параметр колеблется в пределах от 0,98 до 1,02. Максимально допустимые пределы от 0,85 до 1,15. Меньшие значения соответствуют более богатой смеси, большие – бедной. Если коэффициент меньше единицы, контроллер уменьшает время впрыска, если больше – увеличивает. Значения, выходящие из указанного диапазона, свидетельствуют о неисправностях в работе двигателя.

Но одного лямбда – регулирования для обеспечения нужного состава смеси недостаточно. В современных двигателях конструкторы научили блок управления учитывать изменения параметров – «старение» датчиков, постепенное снижение компрессии в цилиндрах, разницу в качестве заправленного топлива и другие факторы. Таким образом, контроллеры получили функцию самообучения. Для ее реализации ввели две составляющих – аддитивную и мультипликативную. Аддитивная коррекция (АК) самообучения «работает» на холостом ходу, а мультипликативная (МК) – в режиме частичных нагрузок.

АК измеряют в процентах. Ее граничные пределы – от -10% до +10%. МК – величина безразмерная и может изменяться от 0,75 до 1,25. Если любая из этих составляющих самообучения приблизится к граничным показателям (в любую сторону), контроллер зажжет лампу «Check engine» и запишет ошибку РО171 или РО172 (слишком бедная или богатая смесь).

Смысл коэффициентов коррекции самообучения состоит в том, чтобы поддерживать коэффициент длительности впрыска (КД), близким к единице (0,98-1,02). Рассмотрим пример. Допустим, в результате старения ДМРВ смесь обедняется на 15%. Контроллер увеличит длительность впрыска, в результате чего КД возрастет до 1,13-1,17 (при среднем значении 1,15). В это время включается режим адаптации, приводя КД к номинальному значению. Значение МК хранится в энергозависимой памяти контроллера, и при последующих запусках двигателя коэффициент будет регулировать состав смеси с учетом погрешности ДМРВ. Аналогично работает и АК, но в режиме холостого хода. Когда же неисправность устранена, вновь ждать адаптации нет нужды – достаточно отключить аккумулятор, чтобы значения КД, АК и МК сбросились к начальным. Второй вариант – применить функцию сканера «сброс адаптаций».

Задымление при различных параметрах нагрузки

В дизельных движках, имеющих неисправности, чрезмерное задымление выхлопных газов образуется из-за изменения режима скорости и нагрузки. Существуют три вида задымления по цветам:

чёрный — масса веществ углерода, образующаяся из-за чрезмерного обогащения заряда работы. Это возникает за счёт уменьшения скорости, повышенных нагрузок и сильных форсировок;
белый — вещества горючего, которые не успели сгореть. Обычно бывает у непрогретого мотора;
голубой – углеводород не успевает сгорать и выходит с отработанными газами.

Задымление чаще происходит, если нагрузка не превышает пятьдесят процентов. Если переваливает за этот предел, то задымление прекращается. При проведении различных опытов было доказано, что дым голубого цвета не присутствует у дизельных двигателей с четырёхтактной фазой. В таких движках дым только чёрного цвета.

Повышение объёма горючего, попадающего в мотор, с одновременным повышением нагрузки является результатом уменьшения индикаторного КПД. Переходя к наименьшим нагрузкам от холостых оборотов, механический и индикаторный коэффициент полезного действия повышается. Если дальше повышать нагрузку — механический КПД возрастёт, а расход горючего будет уменьшаться. Если повысить впрыск горючего, то повышается мощность мотора, но экономия падает, происходит задымление выхлопных газов, движок сильно греется — это явный признак некачественной переработки топлива.

Можно ли снять нагрузку?

Следует дать движку прогреться достаточным образом, в это же время перемещается планка, которая регулирует впрыск горючего и контролирует тормоз, показания мотора выводятся на максимальные значения оборотов коленвала при выбранном режиме скорости. Итоговый режим соответствует предельной мощности при конкретных оборотах. Через небольшой отрезок времени после регулировки оборотов стоит измерить следующее:

отработанные газы, масло, показания температуры воды;
силу тормоза и момента вращения;
показания оборотов коленвала;
время затрат выбранной дозы горючего.

Читать еще: Характеристики дизельных двигателей на авто

После всего проделанного с помощью регулирования тормоза оставляют выбранную частоту оборотов, уменьшают впрыск горючего с помощью планки топливного шланга, переходят к дальнейшему этапу и делают необходимые измерения. За счёт последовательного снижения подачи горючего и при определённом количестве оборотов образуется некоторое количество точек нагрузки. Рассчитывают оптимальную нагрузочную характеристику.

Если статья оказалась полезной, напишите нам об этом.

Режимы работы судового двигателя

Режимы работы двигателя на судне определяются величиной крутящего момента на коленчатом валу и частотой вращения.

К установившимся режимам относится работа на гребной винт или генератор при постоянной частоте вращения и неизменной нагрузке. Характер этих режимов зависит во многом от сопротивления воды движению судна.

Особыми установившимися режимами являются работа двигателя при увеличенных температурах наружного воздуха, повышенном сопротивлении в выпускном тракте вследствие засорения его сажей и осадками масла, работа с неполным числом цилиндров или при неисправном турбокомпрессоре, работа при плавании в битом льду, с ненормальным дифферентом, с поврежденным гребным винтом.

К неустановившимся режимам работы двигателя относятся работа при пусках, прогреве и остановках, работа при переходе с одного скоростного режима на другой (постановка и выборка орудий лова), работа на винт при разгоне судна, работа во время реверсирования судна или его циркуляции, работа на заднем ходу, работа на генератор при изменении электрической нагрузки.

Работа дизеля при увеличенном сопротивлении движению судна

Если сопротивление движению судна по каким-либо причинам увеличилось, например вследствие обрастания корпуса, плохой погоды, влияния мелководья или при буксировке трала, гребной винт становится более «тяжелым». Иначе говоря, он потребляет от двигателя при той же частоте вращения мощности, большую, чем при обычных условиях.

В установке с обычным гребным винтом фиксированного шага во избежание перегрузки двигателя снижают частоту вращения. На сколько нужно понизить частоту вращения, определяют в каждом конкретном случае в соответствии с инструкцией завода-изготовителя, в которой указываются предельные значения температуры выпускных газов, расхода топлива или максимального давления сгорания для каждого значения частоты вращения (ограничительная характеристика).

В установке с ВРШ нет необходимости снижать частоту вращения — можно лишь уменьшить шаг винта с таким расчетом, чтобы параметры двигателя, контролируемые по приборам, соответствовали номинальному режиму.

Наиболее тяжелым установившимся режимом является работа на швартовах. В этом случае сопротивление движению корпуса бесконечно велико.

В практике эксплуатации возможны случаи уменьшения сопротивления движению судна, например при плавании в балласте или при сильном попутном ветре. Гребной винт при этом становится «легче», т. е. несколько недогружает главный двигатель при номинальной частоте вращения.

Выбор режима при увеличении сопротивления движению судна диктуется необходимостью сохранения тепловой и механической напряженности двигателя в нужных пределах. Показателем теплонапряженности является величина и характер изменения температуры в стенках поршней, цилиндровых втулок и крышек.
Так, температура зеркала цилиндра в районе первого поршневого кольца (при положении поршня в в. м. т.) не должна превышать 175° С во избежание разрушения масляной пленки и возникновения сухого трения. Температура поршней лимитируется в районе первого поршневого кольца из условий предотвращения его закоксовывания, на днище поршня из условий сохранения допускаемых тепловых напряжений и отсутствия коксо- и лакообразования со стороны, омываемой охлаждающим маслом.

Показателем механической напряженности является напряжения и деформации, возникающие в деталях от действия сил давления газов и сил инерции движущихся частей. Косвенно о механической напряженности можно судить по величине максимального давления сгорания и жесткости работы двигателя, под которой понимают интенсивность повышения давления в цилиндре во время сгорания топлива.

Большое влияние на механическую напряженность коленчатого вала оказывают крутильные колебания. Коленчатый вал вместе с другими присоединенными к нему движущимися поступательно и вращающимися деталями представляет собой упругую систему, отдельные участки которой при работе двигателя закручиваются и раскручиваются в разных направлениях. Такие «вынужденные» крутильные колебания наблюдаются на всех режимах, и вызываются они главным образом периодическим действием сил давления газов в цилиндрах. Иногда оказывает влияние и неравномерный крутящий момент гребного винта, периодичность изменения которого зависит от числа лопастей.

Упругая вращающаяся система валов обладает собственными колебательными свойствами — частотой свободных колебаний и их формой. Эти свойства зависят только от расположения масс деталей и упругости соединяющих их участков вала. Свободные колебания не развиваются при работе двигателя, их можно лишь возбудить искусственно, если кратковременно приложить крутящий момент.

После прекращения действия момента система начинает колебаться с определенной частотой, но колебания быстро затухают благодаря внутреннему трению в материале валов. В зависимости от того, в каком месте вала приложить момент, могут возникнуть колебания разных форм. При одной из форм — одноузловой — концы валовой линии закручиваются в разных направлениях, а в средней части одно из сечений не участвует в колебаниях (узел).

При двухузловой форме оба конца валовой линии закручиваются в одну сторону, а ее средняя часть — в другую; таким образом образуются два узла. Возможны также трехузловая, четырехузловая и другие формы колебаний. Чем выше форма колебаний, тем больше частота свободных колебаний. В обычных установках практическое значение могут иметь одноузловые и двухузловые колебания; их частота соответственно составляет 200 — 3000 и 900 — 10000 колебаний в минуту.

При увеличении или уменьшении частоты вращения вала двигателя соответственно изменяется и частота вынужденных колебаний от сил давления газов в цилиндрах. На некоторых режимах она совпадает с частотой свободных колебаний одно- или двухузловой формы. В результате развиваются резонансные колебания. Степень их опасности определяется расчетом еще при проектировании установки и проверяется специальным прибором (торсиографом) на одном из судов каждой серии. В случае, если напряжения не превышают допускаемой величины, никаких ограничений не накладывается.

Некоторое превышение напряжений говорит о необходимости назначить запретную зону. Продолжительная работа двигателя в этой зоне недопустима, так как может привести к разрушению валовой линии в одном из сечений из-за усталости материала вала. Возможно также повреждение зубьев шестерен редуктора. Внешне работа двигателя в запретной зоне может сопровождаться заметной вибрацией и шумами, но эти признаки обнаруживаются не всегда.

Запретные зоны отмечаются на тахометре красным сектором. Проход через запретную зону при увеличении или уменьшении частоты вращения осуществляется плавно, но быстро.

Значительное превышение напряжений при резонансах над допускаемыми напряжениями представляет опасность даже при кратковременной работе. В таких случаях дизелестроительным или судостроительным заводом принимаются меры борьбы с крутильными колебаниями. Можно, например, уменьшить ширину или диаметр маховика, и тогда запретная зона сместится в зону выше номинальной частоты вращения. Применяют и специальные устройства — демпферы и антивибраторы.

Общим показателем тепловой и механической напряженности дизеля является степень форсирования. Наиболее удобно оценивать степень форсирования величиной удельной поршневой мощности показывающей, сколько эффективных лошадиных сил приходится на 1 дм 2 площади поршня.

На долевых режимах удельная поршневая мощность, а следовательно, и тепловая и механическая напряженности резко снижаются. Но это не значит, что малые частота вращения и нагрузки являются наиболее благоприятными для двигателя. На таких режимах ухудшаются условия охлаждения и смазки, происходят забросы масла в выпускной коллектор. Поэтому продолжительная работа на малых нагрузках нежелательна. Некоторые заводы ограничивают минимальную нагрузку на дизель при разных значениях частоты вращения определенными величинами. Такое ограничение, например, введено для распространенного на флоте рыбной промышленности дизеля 8ДР43/61.

Работа двигателя при повышенной температуре наружного воздуха

На режимах, близких к предельно допустимой в эксплуатации мощности, двигатель чувствителен к параметрам наружного воздуха. Повышение температуры и влажности воздуха и снижение атмосферного давления приводят к уменьшению весового заряда воздуха, поступающего в цилиндры. В результате снижается мощность и экономичность, ухудшается тепловая и механическая напряженность. Наибольшее влияние оказывает температура воздуха.

По указанной причине дизелестроительные заводы гарантируют номинальную мощность при определенных внешних условиях. В СССР нормальными условиями, согласно ГОСТ 5733 — 51, считаются температура воздуха на впуске +15° С, барометрическое давление (760 мм рт. ст.) и относительная влажность 0,6. Некоторые заводы, например «Русский дизель», гарантируют номинальную мощность и при менее благоприятных условиях, в частности при температуре до +25° С (двигатель 8ДР43/61).

Каждый дизелестроительный завод в инструкции по эксплуатации двигателя регламентирует величину снижения мощности при изменении внешних условий. При отсутствии в инструкции соответствующих указаний можно руководствоваться следующими ориентировочными данными: мощность двигателя следует снижать на 3 — 5% при увеличении температуры наружного воздуха на каждые 10° С свыше 20° С.

Работа двигателя при выключенном цилиндре

При невозможности быстро устранить неисправность в одном из цилиндров допускается временная работа двигателя с отключенным цилиндром. Отключение неисправного цилиндра может сопровождаться только прекращением подачи в него топлива или демонтажем деталей движения. В последнем случае у двухтактного двигателя выпускные и продувочные окна закрывают либо специальными приспособлениями, либо путем подвешивания поршня на талях.

Эффективная мощность главных двигателей, работающих при постоянной частоте вращения (в установках с ВРШ), и дизель-генераторов снижается на величину индикаторной мощности отключенного цилиндра.

В установке с обычным винтом фиксированного шага необходимо снизить частоту вращения (об/мин) до значения

где n_н — номинальное число оборотов; N_iц — индикаторная мощность отключенного цилиндра; N_eн — номинальная эффективная мощность дизеля.

Следует иметь в виду, что при отключенном цилиндре изменяется расположение запретной зоны от крутильных колебаний. Поэтому при работе дизеля следует особенно тщательно следить за его шумом и вибрацией.

Работа при трогании с места и разгоне судна

При трогании с места и разгоне судна, кроме сопротивления воды, необходимо преодолеть еще силу инерции массы судна. Следовательно, движущая сила и момент винта могут быть больше, чем при равномерном движении судна с заданной скоростью.

Если при трогании судна с места скорость вращения вала двигателя будет больше, то последний окажется перегруженным.

Быстрый разгон, позволяя быстрее достигнуть скорости полного хода судна, вызывает более высокую нагрузку двигателя или даже его перегрузку. При медленном разгоне судна вращающий момент постепенно достигает значения момента полного хода, и разгон судна совершается без перегрузки двигателя.

Работа на задний ход и при реверсировании винта

При работе двигателя на задний ход необходимо, чтобы углы открытия и закрытия клапанов газораспределительного механизмы и углы опережения подачи топлива в цилиндры были равны соответствующим углам при работе на передний ход.

Если предохранительные клапаны «стреляют» только при работе двигателя «Назад», то это указывает на увеличение угла опережения подачи топлива по сравнению с работой двигателя «Вперед».

При частоте вращения заднего хода, равной частоте вращения полного хода вперед, момент сопротивления может значительно превысить номинальный момент на валу двигателя, что приведет к перегрузке двигателя.

Большую опасность представляет увеличение напряжений в коленчатом валу на маневрах при торможении движения сжатым воздухом для ускорения процесса реверсирования, а также при разгоне двигателя на задний ход при продолжающемся движении судна вперед.

При движении судна полным ходом двигатель в процессе реверсирования должен остановить гребной винт (при выключенном двигателе судно по инерции продолжает движение и гребной винт вращается под действием потока воды за судном), удержать его в неподвижном положении и начать вращать в нужном направлении.
При этом на коленчатом валу создается крутящий момент значительно больше номинального, что может привести к поломке коленчатого вала. Для предотвращения перегрузки двигателя реверсирование необходимо осуществлять при возможно меньшей скорости судна.

Читать еще: Чем лучше отмыть мазут с двигателя

Определение допустимых электромагнитных нагрузок и выбор главных размеров двигателя

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСЧЕТ

Главными размерами любой электрической машины и асинхронного двигателя в частности является диаметр расточки статора D_i , расчетная длина сердечника i_d и воздушный зазор d .

Основными электромагнитными нагрузками, определяющими эффективность использования активной части машины, являются плотность тока j , линейная нагрузка A₁ и магнитная индукция в воздушном зазоре B _d.

Выбор всех параметров является сложной задачей и определяется целым рядом факторов. Например, размеры активной части машины зависят от номинальной мощности и скорости вращения ротора ; чем выше мощность и чем ниже скорость вращения , чем размеры больше. Увеличение воздушного зазора позволяет уменьшить добавочные потери и улучшить пусковые характеристики двигателя, однако при этом увеличиваются намагничивающий ток и потери в обмотке статора, а cos φ уменьшается. Величина электромагнитных нагрузок определяется режимом работы проектируемого двигателя, системой охлаждения, нагревостойкостью применяемого класса изоляции, исполнением по степени защиты от окружающей среды ит.д.

Главные размеры и электромагнитные нагрузки связаны между собой. Наиболее часто при расчетах электрических машин используется постоянная Арнольда. равная:

где Ω₁— синхронная угловая скорость поля статора ;

n₁ — синхронная частота вращения статора.

Sp- Внутренняя мощность ( для номинального режима)

P₂— заданная полезная мощность на валу двигателя;

η _H и cosφ _H — заданные КПД и коэффициент мощности для номинального режима;

Κ_b=π/(2√2) =1,11 — коэффициент формы кривой магнитной индукции в зазоре.

K_ob₁ — обмоточный коэффициент для основной гармонической магнитного поля (в большинстве случаев K_ob₁ -0,92-0,96 ).

Как видно, машинная постоянная С_A определяет объем активной части машины, а значит и его массу на единицу электромагнитного момента S_p/Ω ₁ . Для уменьшения размеров, массы и стоимости изготовления двигателя нужно выбирать как можно большие значения магнитной и линейной нагрузки.

Линейная нагрузка статора А₁ в зависимости от мощности и способа охлаждения двигателя изменяется в достаточно широких пределах ( от 2*10 4 до 2*10 5 А/м).

Оптимальное значение линейной нагрузки должно быть таким, чтобы полное превышение температуры обмотки, уточняемое при тепловом расчете, не превосходило бы допустимого значения для данного класса нагревостойкости изоляции.

Магнитная индукция В _d ограничивается насыщением зубцов магнитопровода и изменяется в пределах 0,6-0,9 Тл. При увеличении индукции в зазоре и , следовательно , в зубцах возрастают магнитные потери в стали, Δp_CT

Опыт проектирования показывает, что величина С_A в действительности не является постоянной , а уменьшается по мере увеличения мощности. Для нормальных машин при номинальной мощности Р_H=(1-1000 )кВт величина С_A =1,0-0,2. Таким образом, в машинах большой мощности активные материалы используются более эффективно, чем в машинах малой мощности.

Ориентировочные значения А₁ и В_d для большинства асинхронных двигателей приведены на рис.1(1). Для специальных типов и серий двигателей электромагнитные нагрузки следует выбирать. пользуясь специальной литературой.

Главные размеры D_i и i_d связаны между собой через параметр называемый относительной длиной машины и равный

где τ = πD_i/2p — полюсное деление; (5)

2р- число полюсов обмотки статора.

Рис.1 Рекомендуемые значения линейной нагрузки и магнитной индукции в воздушном зазоре АД

Величина λ для большинства типов двигателей изменяется в достаточно узких пределах и составляет λ =0,7-1,5 . Зависимости λ=f (n,2p) для двигателей единой серии приведены на рис 2 (1).

Рис 2. Зависимости λ =f(h,2p)

Кроме того, внутренний диаметр D_i определенным образом связан с наружным диаметром D_a и высотой оси вращения двигателя h. ГОСТ 13267 – 73 определяет стандартные высоты осей вращения независимо от назначения и конструктивного исполнения асинхронных двигателей (табл.1).

Наружный диаметр статора D_a не может быть больше величины 2h . Рекомендуемые значения D_a, учитывающие оптимальные условия раскроя листов электротехнической стали с наименьшими отходами при штамповке, также приведены в (табл. 1.)

В свою очередь высота оси вращения зависит от заданных значений Р₂ и 2р и исполнения двигателя(рис.3)(1).

Из совокупности последних условий определяется наружный диаметр D_a , а по нему из соотношения

рассчитываются приближенные значения внутреннего диаметра.

Коэффициент K_D находится из табл.2

Расчетная длина i_d определяется из соотношения (1)

Таким образом , определение электромагнитных нагрузок и главным образом размеров проектируемой машины необходимо производить в следующей последовательности:

1. По заданным частоте питающей сети f₁ и числу полюсов 2р по соотношению (2) рассчитывается угловая скорость Ω₁.

Рис.3.Рекомендуемые значения высот оси вращения АД

2. По кривым рис.3 определяется высота оси вращения h.

3. По табл..1 находится соответствующая величина наружного диаметра сердечника статора D_a

4.По табл.2 находится значение коэффициента К_D

5.По кривым рис.1 находятся предварительные значения А₁ и В_b.

6.По соотношение (6) определяется приближенное значение внутреннего диаметра D_i

7.По формуле (3) рассчитывается расчетная мощность двигателя S_p

8.Расчетная длина статора находится из соотношения (1)

Стандартные высоты оси вращения и рекомендуемые

наружные диаметры асинхронных двигателей (ТАБЛ.1)

2р	K
0,52-0,57
0,64-0,68
0,70-0,72
8-12	0,74-0,77

Рекомендуемые значения K_D=D_i/D_a при различных числах полюсов (табл.2)

h,mm	Da,m
0,089
0,1
0,116
0,131
0,149
0,168
0,191
0,2250
0,272
0,313
0,349
0,3920
0,437
0,5300
0,5900
0,660

Правильность выбора главных размеров может быть оценена по величине l ,которая должна находиться в пределах, отмеченных на рис.2. В случае, если l оказывается больше или меньше указанных пределом необходимо взять ближайшую к выбранной ранее большую или меньшую высоту оси вращения и повторить расчет.

Величина воздушного зазора на данном этапе расчета может быть определена или по известным данным прототипных двигателей, или по эмпирическим формулам.

Для двигателей мощностью до 20 кВт:

Для двигателей средней и большой мощности

В соотношениях (8)-(10) диаметр необходимо D_i брать в мм.

Необходимо иметь в виду, что оптимальная величина воздушного зазора определяется на основе специальных расчетов всех характеристик и технико-экономических показателей двигателя. В современных асинхронных двигателях мощностью от 1 до 400кВт воздушный зазор выполняют равным 0,35-1,2 мм.

Рассчитанный по формулам (8)-(10) воздушный зазор следует округлить до 0,5 мм при

В этой же части расчета необходимо определить полную конструктивную длину и длину стали сердечников статора (i₁ и i_CT1) и ротора (i₂ и i_CT2) . В этих размерах учитывается наличие радиальных вентиляционных каналов. Если длина сердечника статора не превышает 150-200мм, а диаметр D_a не больше 250 мм радиальных вентиляционных каналов на статоре и роторе , как правило, не устраивают.

В более крупных машинах сердечники подразделяют на отдельные пакеты длиной i_n =40-60мм, причем крайние пакеты делают более широкими. Стандартная ширина радиального вентиляционного канала b_k=10мм. Таким образом, длина стали сердечника статора равна

где n_n – число пакетов.

Конструктивная длина сердечника статора

Окончательное значение расчетной длины i_d для двигателей, имеющих d = 250мм

для двигателей с радиальными вентиляционными каналами

Этот раздел заканчивается конструктивной схемой двигателя ( рис.4), на которой должны быть указаны рассчитанные размеры.

Правильная мощность двигателя и преобразователя частоты

Производители электродвигателей и частотных преобразователей разработали различные методы для быстрого выбора мощности двигателей и частотных преобразователей под конкретную нагрузку оборудования. Такая же базовая процедура используется большинством инженерных приложений. Однако для инженеров важно четко понимать процедуру выбора.

Одна из лучших процедур использует простую нумерацию, основанную на кривых ограничения нагрузки, чтобы сделать основной выбор мощности двигателя. Эта процедура описана ниже. Затем проверяются другие факторы, чтобы обеспечить оптимальную комбинацию двигателя и преобразователя.

Преобразователи частоты Danfoss

Принцип выбора 4:

Хотя кажется очевидным, двигатель и преобразователь должны быть указаны для напряжения питания и частоты, к которой должен подключаться привод переменной скорости.

В большинстве стран, использующих стандарты IEC, стандартное напряжение питания составляет 380 вольт ± 6%, 50 Гц . В Австралии это 415 В ± 6%, 50 Гц . В некоторых приложениях, где мощность привода очень велик, часто экономично использовать более высокие напряжения для снижения стоимости кабелей. Другие обычно используемые напряжения 500 В и 660 В .

В последние годы преобразователи переменного тока изготавливаются для использования на напряжении 3,3 кВ и 6,6 кВ . Преобразователи частоты рассчитаны на то же выходное напряжение, что и на входе, поэтому оба двигателя и преобразователя должны быть указаны для одного и того же базового напряжения.

Хотя выходная частота преобразователя является переменной, входная частота (50 Гц или 60 Гц) должна быть четко определена, поскольку это может повлиять на конструкцию индуктивных компонентов .

0 0 голоса

Рейтинг статьи