Число полюсов асинхронного электродвигателя что это такое
Принцип работы электродвигателей
Принцип работы электродвигателей. Основные понятия.
Магнетизм
Магнитное поле
Магнитное поле можно условно изобразить линиями в виде магнитного потока, движущегося от северного полюса к южному. В некоторых случаях определить, где северный, а где южный полюс, достаточно сложно.
Электромагнетизм
Вокруг проводника, при пропускании по нему электрического тока, создаётся магнитное поле. Это явление называется электромагнетизмом. Физические законы одинаковы для магнетизма и электромагнетизма.
Магнитное поле вокруг проводников можно усилить, если намотать их на катушку со стальным сердечником. Когда проводник намотан на катушку, все линии магнитного потока, образуемого каждым витком, сливаются и создают единое магнитное поле вокруг катушки.
Чем больше витков на катушке, тем сильнее магнитное поле. Это поле имеет такие же характеристики, что и естественное магнитное поле, а, следовательно, у него тоже есть северный и южный полюса.
Вращение вала электродвигателя обусловлено действием магнитного поля. Основные части электродвигателя: статор и ротор.
Ротор:
Подвижная часть электродвигателя, которая вращается с валом электродвигателя, двигаясь вместе с магнитным полем статора.
Статор:
Неподвижный компонент электродвигателя. Он включает в себя несколько обмоток, полярность которых меняется при прохождении через них переменного тока (AC). Таким образом, создаётся комбинированное магнитное поле статора.
Вращение под действием магнитного поля
Преимуществом магнитных полей, которые создаются токопроводящими катушками, является возможность менять местами полюса магнита посредством изменения направления тока. Именно эта возможность смены полюсов и используется для преобразования электрической энергии в механическую.
Чередование полюсов с помощью переменного тока
Чередование полюсов с помощью переменного тока
Полярность постоянно меняется с помощью переменного тока (AC). Далее мы увидим, как ротор заменяется магнитом, который вращается под действием индукции. Здесь важную роль играет переменный ток, поэтому будет полезно привести здесь краткую информацию о нём:
Под переменным током понимается электрический ток, периодически изменяющий свое направление в цепи так, что среднее значение силы тока за период равно нулю. Вращающееся магнитное поле можно создать с помощью трёхфазного питания. Это означает, что статор подсоединяется к источнику переменного тока с тремя фазами. Полный цикл определяется как цикл в 360 градусов. Это значит, что каждая фаза расположена по отношению к другой под углом в 120 градусов. Фазы изображаются в виде синусоидальных кривых, как представлено на рисунке.
Трёхфазный переменный ток
Смена полюсов
На следующих страницах объясняется, как взаимодействуют ротор и статор, заставляя электродвигатель вращаться.
Питание в сети переменного тока
Обмотки фаз A, B и C расположены по отношению друг к другу под углом в 120 градусов.
Количество полюсов электродвигателя определяется количеством пересечений поля обмотки полем ротора. В данном случае каждая обмотка пересекается дважды, что означает, что перед нами двухполюсный статор. Таким образом, если бы каждая обмотка появлялась четыре раза, это был бы четырехполюсный статор и т.д.
Когда на обмотки фаз подаётся электрический ток, вал электродвигателя начинает вращаться со скоростью, обусловленной числом полюсов (чем меньше полюсов, тем ниже скорость)
Вращение ротора
Ниже рассказывается о физическом принципе работы электродвигателя (как ротор вращается внутри статора). Для наглядности, заменим ротор магнитом. Все изменения в магнитном поле происходят очень быстро, поэтому нам необходимо разбить весь процесс на этапы. При прохождении трёхфазного переменного тока по обмоткам статора в нем создается магнитное поле, в результате чего возникают механические усилия, заставляющие ротор вращаться в сторону вращения магнитного поля.
Начав вращение, магнит будет следовать за меняющимся магнитным полем статора. Поле статора меняется таким образом, чтобы поддерживалось вращение в одном направлении.
Индукция
Ранее мы установили, как обыкновенный магнит вращается в статоре. В электродвигателях переменного тока AC установлены роторы, а не магниты. Наша модель очень схожа с настоящим ротором, за исключением того, что под действием магнитного поля ротор поляризуется. Это вызвано магнитной индукцией, благодаря которой в проводниках ротора наводится электрический ток.
Индукция
В основном ротор работает так же, как магнит. Когда электродвигатель включен, ток проходит по обмотке статора и создаёт электромагнитное поле, которое вращается в направлении, перпендикулярном обмоткам ротора. Таким образом, в обмотках ротора индуцируется ток, который затем создаёт вокруг ротора электромагнитное поле и поляризацию ротора.
Принцип действия электродвигателей
Индукционные электродвигатели состоят из ротора и статора.
Токи в обмотках статора создаются фазовым напряжением, которое приводит в движение индукционный электродвигатель. Эти токи создают вращающееся магнитное поле, которое также называется полем статора. Вращающееся магнитное поле статора определяется токами в обмотках и количеством фазных обмоток.
Вращающееся магнитное поле формирует магнитный поток. Вращающееся магнитное поле пропорционально электрическому напряжению, а магнитный поток пропорционален электрическому току.
Вращающееся магнитное поле статора движется быстрее ротора, что способствует индукции токов в обмотках проводников роторов, в результате чего образуется магнитное поле ротора. Магнитные поля статора и ротора формируют свои потоки, эти потоки будут притягиваться друг к другу и создавать вращающий момент, который заставляет ротор вращаться. Принципы действия индукционного электродвигателя представлены на иллюстрациях справа.
Таким образом, ротор и статор являются наиболее важными составляющими индукционного электродвигателя переменного тока. Они проектируются с помощью САПР (системы автоматизированного проектирования). Далее мы подробнее поговорим о конструкции ротора и статора.
Статор элетродвигателя
Ротор элетродвигателя
В электродвигателях используются так называемые «беличьи колеса» (короткозамкнутые роторы), конструкция которых напоминает барабаны для белок.
При вращении статора магнитное поле движется перпендикулярно обмоткам проводников ротора; появляется ток. Этот ток циркулирует по обмоткам проводников и создаёт магнитные поля вокруг каждого проводника ротора. Так как магнитное поле в статоре постоянно меняется, меняется и поле в роторе. Это взаимодействие и вызывает движение ротора. Как и статор, ротор изготовлен из пластин электротехнической стали. Но, в отличие от статора, с обмотками из медной проволоки, обмотки ротора выполнены из литого алюминия или силумина, которые выполняют роль проводников.
Асинхронные электродвигатели
В предыдущих разделах мы разобрали, почему электродвигатели переменного тока называют также индукционными электродвигателями, или электродвигателями типа «беличье колесо». Далее объясним, почему их ещё называют асинхронными электродвигателями. В данном случае во внимание принимается соотношение между количеством полюсов и числом оборотов, сделанных ротором электродвигателя.
Частоту вращения магнитного поля принято считать синхронной частотой вращения (Ns). Синхронную частоту вращения можно рассчитать следующим образом: частота сети (F), умноженная на 120 и разделенная на число полюсов (P).
Если, например, частота сети 50 Гц, то синхронная частота вращения для 2-полюсного электродвигателя равна 3000 мин-1.
Синхронная частота вращения уменьшается с увеличением числа полюсов. В таблице, приведенной ниже, показана синхронная частота вращения для различного количества полюсов.
| Наименование параметра | Единица измерения | Примечание |
| Тип | ||
| Номинальная мощность | Киловатт | |
| Номинальный ток | Ампер | Для трехфазных электродвигателей зависит от типа соединения обмоток |
| Номинальное напряжение | Вольт | |
| Коэффициент мощности (КПД) | ||
| Коэффициент полезного действия (cos ϕ) | % | |
| Номинальная скорость вращения | Обороты в минуту |
Но иногда табличка отсутствует, либо прочесть ее невозможно. При эксплуатации двигатель неоднократно окрашивают, нередко – вместе с табличкой. Поэтому приходится определять его параметры методом измерений.
Параметры электродвигателя №1: мощность
В паспортных данных указывается номинальная активная мощность, потребляемая из сети при номинальной нагрузке на валу. Для производства измерений нужно нагрузить электродвигатель, испытывая его со штатной нагрузкой (в составе устройства, для привода которого он предназначен).
Для измерений можно использовать электросчетчик. Для этого нужно подключить электродвигатель в качестве единственной нагрузки на счетчик на время, засекаемое по секундомеру.
Для удобства расчетов двигатель подключается на время, равное 10 минутам. До подключения и через 10 минут со счетчика снимаются показания. Разность показаний в кВт∙ч, поделенная на 60/10=6, и будет равна мощности электродвигателя в киловаттах.
Некоторые электронные счетчики имеют функцию измерения мгновенной мощности, при этом задача упрощается. Нужно при работающем двигателе зайти в меню измерений счетчика и найти в нем искомое значение.
Как определить частоту вращения электродвигателя?
Очевидно, что правильная эксплуатация любой электрической машины предполагает соответствие такого важного ее технического параметра как частота вращения условиям эксплуатации.
Все основные параметры асинхронного электродвигателя изготовителем указываются на металлической бирке – шильдике, прикрепленной к его корпусу. И конечно, в приведенных технических данных обязательно присутствует информация о частоте вращения при номинальной нагрузке.
Однако, на практике, совсем нередки случаи, когда необходимо определить частоту вращения двигателя с отсутствующим шильдиком или с нечитаемыми – стершимися надписями на нем.
Конечно, в таких случаях опытный мастер-электроприводчик, наверняка сможет определить частоту вращения, но у начинающих специалистов-электриков, занимающихся обслуживанием электрического оборудования при решении этого вопроса могут возникнуть некоторые затруднения.
Проще всего определить скорость вращения вала работающего “асинхронника” тахометром. Но, учитывая, что ввиду узкой специфики использования, наличие этого измерительного прибора – большая редкость, данный метод здесь не рассматривается.
Конструкция
Конструкция асинхронного двигателя, пожалуй, самая простая среди его аналогов. Он состоит из ротора и статора. Зачастую на статоре расположена трёхфазная обмотка, исключение составляют двигатели, предназначенные для работы в однофазной сети с двухфазной обмоткой или с рабочей и пусковой обмоткой. Статор состоит из металлического корпуса и сердечника с обмотками (собственно их называют обмоткой статора).
Так как двигатель питается переменным током, возникает проблема, связанная с потерями на блуждающие токи (т.н. токи Фуко), для этого сердечник статора набирают из тонких пластин. Стальные пластины для предотвращения контакта друг с другом изолируются окалиной, скрепляются лаком. Ток, протекающий в обмотках статора, называют током статора.
Корпус статора закрывается с двух сторон подшипниковыми щитами, в них, соответственно, устанавливаются подшипники скольжения или качения, в зависимости от мощности и размеров машины. Подшипники закрываются крышками, это нужно для их смазки, обычно используют пластичную смазку, как литол, солидол и подобные.
Реже, в больших и мощных электрических машинах могут использоваться опорные подшипники скольжения с циркуляционной системой смазки (жидкостная смазка). В них маслонасос закачивает масло, в рабочем режиме ротор таких машин скользит по тонкой масляной плёнке, подобно тому, как это происходит во вкладышах на ДВС.
По конструкции корпуса и типу крепления различают двигатели на лампах или с фланцевым креплением, также бывают с комбинированным типом крепления — с лапами и фланцем.
В зависимости от типа двигателя вал из него может выходить как с одной, так и с обеих сторон. К нему присоединяется исполнительный механизм, для этого конец выполняется конической или цилиндрической формы или с проточкой для установки шпонки и соединения с исполнительным механизмом.
В большинстве электродвигателей используется принудительное воздушное охлаждения. Для этого на корпусе продольно располагаются рёбра, а на другом конце вала устанавливается крыльчатка вентилятора охлаждения. Во время работы двигателя она вращается и прогоняет воздух вдоль рёбер, забирая тепло от статора.
Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором
Конструкция асинхронного электродвигателя
состоит из корпуса и сердечника с обмоткой. Сердечник статора собирается из тонколистовой технической стали толщиной обычно 0,5 мм, покрытой изоляционным лаком. Шихтованная конструкция сердечника способствует значительному снижению вихревых токов, возникающих в процессе перемагничивания сердечника вращающимся магнитным полем. Обмотки статора располагаются в пазах сердечника.
состоит из сердечника с короткозамкнутой обмоткой и вала. Сердечник ротора тоже имеет шихтованную конструкцию. При этом листы ротора не покрыты лаком, так как ток имеет небольшую частоту и оксидной пленки достаточно для ограничения вихревых токов.
Принцип работы. Вращающееся магнитное поле
Принцип действия трехфазного асинхронного электродвигателя основан на способности трехфазной обмотки при включении ее в сеть трехфазного тока создавать вращающееся магнитное поле.
Частота вращения этого поля, или синхронная частота вращения прямо пропорциональна частоте переменного тока f1 и обратно пропорциональна числу пар полюсов р трехфазной обмотки.
Концепция вращающегося магнитного поля
Чтобы понять феномен вращающегося магнитного поля лучше, рассмотрим упрощенную трехфазную обмотку с тремя витками. Ток текущий по проводнику создает магнитное поле вокруг него. На рисунке ниже показано поле создаваемое трехфазным переменным током в конкретный момент времени
Составляющие переменного тока будут изменяться со временем, в результате чего будет изменяться создаваемое ими магнитное поле. При этом результирующее магнитное поле трехфазной обмотки будет принимать разную ориентацию, сохраняя при этом одинаковую амплитуду.
Действие вращающегося магнитного поля на замкнутый виток
Теперь разместим замкнутый проводник внутри вращающегося магнитного поля. По закону электромагнитной индукции изменяющееся магнитное поле приведет к возникновению электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике. В свою очередь ЭДС вызовет ток в проводнике. Таким образом, в магнитном поле будет находиться замкнутый проводник с током, на который согласно закону Ампера будет действовать сила, в результате чего контур начнет вращаться.
Влияние вращающегося магнитного поля на замкнутый проводник с током
Короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя
По этому принципу также работает асинхронный электродвигатель. Вместо рамки с током внутри асинхронного двигателя находится короткозамкнутый ротор по конструкции напоминающий беличье колесо. Короткозамкнутый ротор состоит из стержней накоротко замкнутых с торцов кольцами.
Устройство асинхронного двигателя
В промышленных масштабах производиться несколько видов асинхронных электрических машин. Они могут отличаться местом установки обмоток, способом их укладки, мощностью, типом ротора и т.д. В качестве примера мы рассмотрим наиболее типовое устройство. Конструктивно асинхронный двигатель состоит из таких компонентов:
Но, следует отметить, что это лишь один из видов таких двигателей, на практике вы можете встретить электрические машины с короткозамкнутым или фазным ротором. Также распространенной конструкцией является беличья клетка в алюминии.
Короткозамкнутый и фазный ротор
Различают два типа асинхронных двигателей — с короткозамкнутым и с фазным ротором.
Короткозамкнутый ротор или ротор типа «Беличья клетка» представляет собой набор медных или алюминиевых стержней (2) соединенных (замкнутых) между собой кольцом (3). Стержни впаиваются или заливаются в сердечник (1). Беличьей клеткой его называют из-за внешней схожести, что вы и можете наблюдать в левой части следующей иллюстрации.
Фазный ротор отличается конструкцией, на нём расположена полноценная трёхфазная обмотка, зачастую её катушки соединены по схеме «звезды», то есть их концы соединяются в одной точке, а начала катушек соединяются с токопроводящими кольцами. С помощью щеточного узла образуется скользящий контакт с кольцами. Он, в свою очередь, состоит из щёток и щеткодержателей.
Фазный ротор используют для плавного пуска или регулировки момента на валу посредством изменения величины скольжения двигателя за счет изменения активного сопротивления обмотки ротора. Для этого к выводам щеток подсоединяется регулировочный реостат или набор мощных резисторов (для ступенчатой регулировки). Если сказать кратко, то в двигателе с фазным ротором на обмотку ротора не подают ток, как в синхронном двигателе, например, а, наоборот, к ним подключают сопротивления в качестве нагрузки.
Такие двигатели зачастую используются в грузоподъемных механизмах — кранах или лифтах. Двигатели с короткозамкнутым ротором используются везде: в вентиляции, в станках, и в грузоподъёмных механизмах, для привода насосов и задвижек и т.д.
Восстановление маркировки обмоток
Если точнее, маркировка обмоток нужна только для определения направления намотки катушек обмотки. Конец и начало обмотки обозначают только с этой целью. Дело в том, что при включении обмотки в работу в ней начинают возникать вихревые токи, которые движутся по направлению «от начала к концу». Если обмотки включить по принципу «начало с началом, конец с концом», то токи суммируются, обмотки превратятся в один большой резистор и возникнет огромный суммарный ток. Двигатель начнет сильно гудеть и не будет вращаться. Очень быстро начнут нагреваться обмотки, и двигатель сгорит. Причем, вполне возможно, вспыхнет настоящее пламя оранжево-синего цвета с очень вредным и неприятным запахом.
Существует способ определения концов и начал обмоток.
Весь этот процесс очень хорошо показан на видео. Автор этого видео использовал для проверки сетевое напряжения в 220 Вольт, что я крайне не рекомендую делать. Используйте понижающие трансформаторы, либо автотрансформатор.
Механическая характеристика двигателя
Механической характеристикой называется зависимость момента от скольжения при постоянном напряжении и частоте сети.
На рис. 19 показана механическая характеристика двигателя. При пуске двигатель развивает пусковой момент МП
(S = 1); если пусковой момент больше момента сопротивления рабочей машины
МС
, то ротор двигателя развернется и двигатель будет работать в точке a характеристики.
Увеличивая момент сопротивления рабочей машины МС
, мы будем увеличивать скольжение, и точка a начнет перемещаться по характеристике к точке В точке 1 двигатель развивает максимальный момент, скольжение, соответствующее максимальному моменту, которое называется критическим —
SКР
. При увеличении момента
МС
выше момента
Мm
скольжение быстро растет и ротор двигателя остановится (происходит «опрокидывание» двигателя).
Отношение пускового момента к номинальному называется кратностью пускового момента:
Рис. 19. Механическая характеристика асинхронного двигателя
Кратность пускового момента указывается в каталогах справочных данных, она должна быть больше 0,9.
Отношение максимального момента к номинальному называется перегрузочной способностью двигателя:
Перегрузочная способность указывается в каталогах. Она обычно находится в пределах 1,7—2,5. Механическая характеристика имеет две характерные ветви: ветвь (A—B
) — устойчивая часть характеристики (с увеличением скольжения момент двигателя растет); ветвь (
В
—
С
) — неустойчивая часть характеристики (с увеличением скольжения момент двигателя уменьшается). Если в цепь двигателя с фазным ротором вводить активное сопротивление, то максимальный момент, не изменяясь по величине, перемещается в область более высоких скольжений (рис. 20, механическая характеристика II). Можно подобрать такое сопротивление в цепи ротора, что максимальный момент будет при пуске.
Рис. 20. Механическая характеристика асинхронного двигателя с фазным ротором
Кривая I для двигателей нормального исполнения показывает, что асинхронный двигатель обладает жесткой характеристикой скорости. Асинхронный двигатель с фазным ротором с сопротивлениями в цепи ротора имеет более мягкую характеристику (кривая II). Увеличивая сопротивление в цепи ротора, можно сдвинуть максимальный момент и сравнять его с пусковым моментом.
Определение числа пар полюсов двигателя
3-1. ЧИСЛО ПАР ПОЛЮСОВ. ШАГ ВИТКА
Для двигателей переменного тока (асинхронных и синхронных) число пар полюсов определяет скорость вращения, т. е. число оборотов в минуту. Оно определяется из следующей зависимости:
У асинхронных двигателей приведенное выше выражение определяет «синхронную» скорость вращения, которую двигатель развивает без нагрузки.
При нагрузке скорость вращения незначительно замедляется, появляется так называемое «скольжение».
Скольжение представляет собой разность между синхронным и действительным числом оборотов ротора в минуту, разделенную на синхронное число оборотов в минуту:
Величина скольжения при номинальной нагрузке для обычных асинхронных двигателей колеблется в пределах 2—3%, для асинхронных двигателей с повышенным скольжением она может достигать 10% и более при номинальной нагрузке.
Для того, чтобы синхронный генератор мог работать, число пар полюсов индуктора и рабочей обмотки 1
должно быть одинаковым; то же относится к асинхронному двигателю с фазным ротором, у которого обмотки статора и ротора должны иметь одинаковое число пар полюсов.
Короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя может работать при различном числе полюсов статорной обмотки.
Для того чтобы в обмотке образовалось требуемое число пар полюсов р, необходимо соединить проводники в витки-катушки (секции) и катушки между собой так, чтобы были выдержаны определенные расстояния
—
«шаги»
между сторонами (проводниками) витка-катушки и между самими катушками или их группами.
должен быть равен полюсному делению (диаметральный шаг) или несколько меньше его (укороченный шаг).
Полюсное деление х
выражается числом пазов (или зубцов), приходящихся на полюс:
Шаг витка У также выражается числом пазов, лежащих между проводниками, образующими стороны витка.
Шаг витка должен быть близок к полюсному делению.
Если, например, нужно обмотать статор (ротор), имеющий 48 пазов, так, чтобы получить четырехполюс-ную обмотку, то полюсное деление будет равно:
Шаг катушек, следовательно, может быть взят равным 12 пазам или несколько меньше, например 10 пазам.
1 Рабочей (якорной) обмоткой генератора может быть как статорная, так и роторная. В последнем случае вырабатываемый ток подается через контактные кольца и щегки.
В первом случае стороны катушки расположатся в пазах 1 и 1 + 12=13, во втором случае — в пазах 1 и 1 + 10=11.
В первом случае будем иметь обмотку с диаметральным
шагом катушек, во втором случае — обмотку с
укороченным
шагом, равным 10/12, или 83% диаметрального.
Укорочение составит, следовательно, 17% диаметрального шага.
Укорочение шага приводит к некоторому уменьшению э. д. с. (электродвижущей силы) витка, так как уменьшается его площадь, а следовательно, и охватываемый им магнитный поток, однако оно является весьма полезным, так как уменьшает длину лобовых соединений
и в результате расход меди и потери в обмотке и, кроме того,
улучшает форму кривой э. д. с.
Наиболее благоприятной формой кривой э. д. с. (т. е. кривой, которая изображает зависимость величины э. д. с. от времени) является синусоида. В этом случае электрические машины имеют минимальные потери и наилучшие характеристики. Форма кривой э. д. с. зависит от формы кривой магнитного потока, который эту э. д. с. индуцирует. Придать точно синусоидальную форму кривой магнитного потока весьма затруднительно, поэтому желательно, чтобы обмотка даже при несинусоидальном магнитном потоке давала бы синусоидальную э. д. с.
цательные полуволны 5-й гармоники и, следовательно, общий поток 5-й гармонической, охватываемой витком, и э. д. с. 5-й гармоники будут равны нулю.
Аналогичное положение создается для 3-й гармоники, если укоротить шаг на ‘/з полюсного деления. Поэтому при относительно небольшом уменьшении основной э. д. с. можно в сильной степени уменьшить э. д. с. от высших гармоник и получить, следовательно, близкую к синусоидальной э. д. с. витка.
При слишком большом укорочении шага начинает превалировать уже уменьшение основной э. д. с, что недопустимо. Поэтому укорочение шага обычно не превышает
Уз
полюсного деления,
т. е. шаг не берется менее 0,66 полюсного деления.
Исключения составляют специальные обмотки, например обмотки для переключения на два числа полюсов.
В связи с тем что обмотки размещаются в пазах и проводимость воздушного зазора между зубцами и между пазами статора и ротора для магнитного потока получается различной (в особенности при открытых пазах), в кривой магнитного потока появляются так называемые зубцовые гармоники, отражающие пульсацию потока из-за изменения проводимости воздушного зазора. Очевидно, что исключить эти гармонические за счет укорочения шага нельзя, так как двойное полюсное деление зубцовой гармоники равно зубцовому делению и укорочение шага, равное полюсному делению этой гармоники означает необходимость положить виток, не в паз, а на зубец.
Радикальным способом борьбы с зубцовыми гармониками является скос пазов. Зубцовые гармоники могут быть уменьшены также за счет применения обмоток с дробным числом пазов на полюс и на фазу.
При выполнении обмоток стремятся обычно распределить витки на возможно большее число пазов, которые при этом получаются меньше.
Такое распределение обмотки позволяет получить меньший поток рассеяния, т. е. вредный для работы машины магнитный поток, который не проходит из ста-гора в ротор, а замыкается вокруг паза. Кроме того, сами зубцы и пазы становятся мельче, что уменьшает
Измерение скорости вращения
Измерение скорости вращения валов, шестерен, колес и других элементов, осуществляется, как правило, при помощи электронных тахометров. Типовая схема электронного тахометра приведена на рис. 26.
С устройством и работой электронного секундомера мы познакомились в предыдущем разделе. Теперь познакомимся с устройством и работой фотоэлектрического датчика. Он состоит из светодиода – излучателя СД, фотодиода – приемника ФД и формирователя электрических импульсов ФС1. Светодиод СД излучает свет на фоточувствительную поверхность фотодиода приемника ФД. При этом сопротивление фотодиода падает. Если на линии светового потока между светодиодом СД и фотодиодом ФД поместить непрозрачный материал, то сопротивление фотодиода ФД резко возрастет.
Рис. 26. Функциональная схема электронного тахометра
Это свойство фотоэлектрического датчика широко используется в технике и в измерениях. Для измерения скорости вращения между оптопарой – (светодиодом излучателем и фотодиодом приемником), помещают диск 1 с отверстиями, вращающийся на валу 2 (рис. 26). В процессе вращения вала 2 отверстия в диске будут прерывать световой поток между светодиодом СД и фотодиодом ФД. При этом сопротивление фотодиода ФД будет непрерывно изменяться синхронно с частотой вращения вала. Формирователь импульсов ФС1 реагирует на изменения сопротивления фотодиода, преобразуя каждое из их в стандартные по напряжению и длительности прямоугольные электрические импульсы на своем выходе (см. рис. 27, (а). Чем быстрее вращается диск 2, тем больше частота следования импульсов на выходе формирователя ФС1.
Теперь познакомимся с работой логического устройства ЛУ (рис. 26). Логическое устройство имеет два входа и один выход. Принцип его работы можно сформулировать как «2-И». То есть, если и на первый и на второй входы логического устройства ЛУ подано напряжение (условие «2-И» выполняется), то и на его выходе тоже будет напряжение. Если хотя бы на одном из входов ЛУ напряжения нет (условие два «И» не выполняется), то и на его выходе напряжения не будет. Данный принцип работы ЛУ хорошо иллюстрируют графики, представленные на рис. 27.
Рис. 27. Графики электрических импульсов при работе схемы электронного тахометра, (А) – импульсы на выходе формирователя ФС1 в точке А; (Б) – импульсы периодов времени счета (с выхода делительной декады ДД4); (В) – импульсы на выходе логического устройства (на входе в СчД1); (Г) – импульсы, обнуляющие счетные декады в момент начала нового периода счета
В процессе измерения тахометром скорости вращения вала 2 (рис. 26) на выходе формирователя ФС1в точке (А) вырабатываются электрические импульсы с частотой следования отверстий в диске 1. Эти импульсы подаются на первый вход логического устройства ЛУ. Одновременно с этим на второй вход ЛУ в точку (Б) от выхода делительной декады ДД4 поступают импульсы периодов времени счета.
Глядя на рис. 27. не трудно видеть, что условие «2-И» может периодически выполняться только в момент, когда на второй вход ЛУ в точку (Б) в течение 1 секунды подается напряжение 5 вольт. В это же время с выхода формирователя ФС1на первый вход ЛУ в точку (А) поступают электрические импульсы, вызванные вращением диска 2. Таким образом, на выходе логического устройства ЛУ в точке (В) формируются прямоугольные электрические импульсы, которые по внешнему виду повторяют импульсы, поступающие от формирователя ФС1. Они поступают на счетные декады СчД, поэтому этот режим называется «счет».
После периода счета импульсов, в течение следующего периода времени продолжительностью в 1 секунду, напряжение на втором входе ЛУ становится равным нулю. На выходе ЛУ напряжение тоже становится равным нулю, поскольку принцип «2-И» не выполняется. Счет не возможен. На счетных декадах в течение одной секунды отображается результат счета. Этот режим называется «индикация».
После режима «индикация» автоматическое устройство управления сбросом УУС (рис. 26) вырабатывает на своем выходе в точке (Г) короткий электрический импульс, который подается одновременно на входы обнулениявсехсчетных декад. Счетные декады обнуляются, и начинается новый режим счета. Таким образом, режимы «счет» и «индикация» циклически повторяются.
Чтобы по показаниям электронного тахометра определить скорость вращения вала, шестерни и пр., используют формулу:
где: N – результат счета на дисплеях счетных декад; k – количество отверстий в диске датчика; t – период времени счета.
Например, на дисплеях счетных декад электронного тахометра отобразилось число 2400. В диске датчика 80 отверстий. Период времени счета равен 1 секунде. В этом случае:
Абсолютная погрешность Δn измерения числа оборотов электронным тахометром вычисляется по следующей формуле:
где: Δtизм – абсолютная погрешность длительности импульса времени (от нестабильности генератора опорных частот); nх – измеренная скорость вращения; tизм – длительность импульса времени (в нашем примере он равен 1 секунде).
Относительную погрешность измерения числа оборотов электронным тахометром определим по формуле:
Например, необходимо определить абсолютную и относительную погрешности измерения числа оборотов электронным тахометром, если он показывает величину измеренной скорости вращения nх = 1000 об/мин, а абсолютная погрешность длительности импульса времени Δtизм = 0,0001 с. Используя формулу (2.19) определим абсолютную погрешность измерения числа оборотов электронным тахометром:
Зависимость частоты от числа пар полюсов
При рассмотрении вопроса о получении переменного тока указывают, что за один оборот ротора индуктированная в проводниках обмотки генератора электродвижущая сила (ЭДС) имела один период. Если ротор генератора делает, например 5 об/сек, то ЭДС будет иметь 5 пер/сек или частота тока генератора будет равна 5 Гц. Следовательно, число оборотов в секунду ротора генератора численно равно частоте тока.
Частота тока f выражается следующим соотношением:
где n – число оборотов ротора в минуту.
Для получения от генератора стандартной частоты тока – 50 Гц ротор должен делать 3000 об/мин, то есть
Однако наши рассуждения были справедливы только для двухполюсного генератора, то есть для машины с одной парой полюсов p.
Если машина четырехполюсная, то есть число пар полюсов равно двум: p = 2 (рисунок 1), то один полный период изменения тока будет иметь место за пол-оборота ротора (1 – 5 положения проводника на чертеже). За второй полуоборот ротора ток будет иметь еще один период. Следовательно, за один оборот ротора четырехполюсной машины ток в проводнике имеет два периода. В шестиполюсной машине (p = 3) ток в проводнике за один оборот ротора будет иметь три периода.
Рисунок 1. Изменение переменного тока в проводнике ротора четырехполюсного генератора
Таким образом, для машин, имеющих p пар полюсов, частота тока при об/сек будет в p раз больше, чем для двухполюсной машины, то есть
Отсюда формула зависимости скорости вращения от частоты и числа пар полюсов будет иметь следующий вид:
Пример 1. Определить частоту переменного тока, получаемого от генератора с восемью полюсами (p = 4), скорость вращения ротора которого n = 750 об/мин. Подставляя в формулу для определения частоты тока значение p и n получим:
Пример 2. Определить скорость вращения ротора двадцатиполюсного генератора (p = 10), если частотомер показал частоту тока f = 25 Гц. Подставляя в формулу для определения числа оборотов ротора n значения p и f, получим:
Пример 3. Скорость вращения ротора асинхронного двигателя, составляет 250 об/мин. Определить число пар полюсов асинхронного двигателя, если частота тока питающей сети равна 50 Гц:
Следовательно, двигатель имеет 24 полюса.
Составляющие электромашины
Основой для электрической машины является правило электроиндукции с магнитной индукцией. Такой прибор включает в себя статор или как его называют константной частью (характерно для асинхронных, синхронных машин изменяющегося тока) или индуктора (для приборов константного тока) и ротора, его называют активной или движущейся частью (для асинхронных и синхронных машин изменяющегося тока) или якоря (приборов константного тока). В роли константной части для машин тока с малой мощью активно применяются магниты (неизменного состояния).
Подключение асинхронного двигателя к однофазной сети
Обратимся к конструкции трехфазного асинхронного двигателя. Как мы знаем, рабочих фаз двигателя – 3, и клемм для их подключения тоже 3. А в однофазной бытовой сети 220 Вольт проводов всего два – фаза и ноль. Что подключить на третью клемму двигателя? Если на нее подключить ответвление от любого из этих двух проводов, то мы получим просто короткое замыкание со всеми вытекающими последствиями.
Выходом является подключение такого ответвления через конденсатор. Слово «конденсатор» переводится на русский язык как «накопитель». Как известно, работает он по принципу «заряд-разряд». То есть, включенный в сеть конденсатор, какое-то время накапливает заряд, а потом, разряжаясь, отдает его обратно в сеть. Времени, в течение которого конденсатор накапливает заряд, вполне достаточно для того, чтобы фаза, от которой он питается, «ушла» вперед, сдвинулась по времени. Сдвинувшись, фаза как бы «освобождает место» для того разряда, который выдаст конденсатор, и исключает возможность «короткого» замыкания. Из-за того, что своей работой конденсатор «сдвигает» фазы, он называется фазосдвигающим. Более подробно про работу конденсатора в цепи переменного тока можно прочитать в этой статье. Таким образом, создается третий провод необходимый для подключения двигателя.
Схемы подключения к однофазной сети
Здесь все достаточно просто. Мы должны соединить конденсатор между двумя фазами. В схеме со звездой это будет выглядеть вот так.
Для того, чтобы поменять вращение двигателя, нам надо просто поменять местами фазу (L) и ноль (N) местами.
Ну и все то же самое касается и со схемой подключения “треугольник”.
Как выбрать конденсатор
При подборе конденсатора нужно помнить, что у него есть две характеристики: напряжение, на которое он рассчитан, и его электрическая емкость. Правило подбора напряжения можно выразить простыми словами: рабочее напряжение конденсатора, указанное на его корпусе должно быть больше рабочего напряжения сети, в которую включается двигатель. Более точно это правило выражается формулой:
Вполне может быть так, что полученное значение окажется промежуточным. То есть таким, на которое конденсаторы не выпускаются. Например, для сети 220 В, по формуле получится 311,13 В. На такое напряжение конденсаторы не выпускались. Тогда конденсатор подбирается на ближайшее значение в большую сторону. В нашем случае можно взять конденсатор на 380 Вольт и больше.
Расчет емкости конденсатора
Расчет емкости конденсатора производится по формуле, в которой учитывается схема соединения обмоток двигателя. Дело в том, что при расчете емкости учитывается не только рабочее напряжение сети, но и ток, протекающий по обмоткам двигателя. Большую роль играет и тот факт, что во время запуска двигателя, в обмотках возникает так называемый пусковой ток, который намного больше рабочего тока двигателя. А так как рабочий ток двигателя зависит от схемы включения обмоток, то естественно, и пусковой ток будет тоже зависеть от этой схемы.
Итак, формула расчета конденсатора:
С – искомая емкость конденсатор, мкФ
К – коэффициент, зависящий от схемы подключения обмоток
IН – номинальный ток двигателя, Амперы
U – напряжение сети, Вольты
Коэффициент К будет равен 4800 при соединении обмоток «треугольником», и 2800 – при соединении «звездой». В качестве примера, можно рассчитать емкость для рассматриваемого здесь двигателя, взяв необходимые данные с его шильдика.
Соединение «треугольник»: С = 2,3 × 4800/220 = 50,2. Полученное значение оказалось дробным, поэтому округлим его до целого в большую сторону. Итак, нам нужен конденсатор емкостью 51 мкФ на напряжение 380 В.
Выбор типа конденсатора
Конденсатор, емкость и рабочее напряжение, которого мы определили, должен быть подходящего типа. Как известно, конденсаторы разделяются на два типа: полярные и неполярные. Полярные имеют обозначение «+» и «-» на выводах и применяются в цепях постоянного тока. Неполярные обозначений на выводах не имеют и работают в любых цепях. Кроме того, по способу изготовления они разделяются на электролитические и не электролитические. Электролитические конденсаторы применяются в основном, в радиотехнике и электронике, и чаще всего, бывают полярными. Они в качестве фазосдвигающих не годятся, даже если подходят по емкости и напряжению. Лучшие конденсаторы для работы с двигателями – металлобумажные. Это один из видов неполярных конденсаторов. Пригодные марки – МБГЧ, МБН, К42-19.
Итак, конденсатор подобран и подключен, обмотки собраны правильно, провода присоединены к клеммам – включаем двигатель в сеть и понимаем, что он не развивает ту мощность, которая указана на шильдике. Это – нормально. Таковы законы индуктивности и электродинамики – об этом нужно помнить. Трехфазный двигатель, подключенный к однофазной сети через конденсатор, развивает не более 60-65% от номинальной мощности.
Теория и подключение пускового конденсатора
Выше по тексту, уже было сказано, что во время запуска двигателя возникает пусковой ток, намного превышающий рабочий ток двигателя. Поэтому, если мы оставим только рассчитанный нами конденсатор, мы не учтем наличие пускового тока. Двигатель будет трогаться очень медленно, наращивая обороты понемногу.
Для устранения этого эффекта, параллельно рабочему конденсатору подключают пусковой конденсатор. Все его характеристики должны были быть такими же, как у рабочего конденсатора, кроме емкости. Его емкость равна емкости рабочего конденсатора, умноженной на 2,5.
Подключается пусковой конденсатор параллельно рабочему. Время его включения – краткосрочное, только до того момента, когда двигатель наберет стабильные обороты. Как правило, подключают пусковой конденсатор через кнопку без фиксации. То есть, пока кнопку удерживают в нажатом состоянии, пусковой конденсатор подключен к клеммам двигателя.
Как самостоятельно узнать число оборотов электродвигателя
Зачастую, покупая с рук электродвигатель, автовладелец (и не только) в последующем обнаруживает, что к нему нет никакой документации. В таком случае, как правило, приходится самостоятельно определять обороты электродвигателя, а многие, как свидетельствует практика, не знают, как это сделать. Данная статья расскажет, как определить обороты электродвигателя самостоятельно и, что следует при этом знать.
Пошаговая инструкция определения оборотов
1. На сегодняшний день асинхронные электродвигатели подразделяются на три группы, каждая из которых говорит об индивидуальном обращении ротора в минуту. Первая группа – электродвигатели, делающие 1000 оборотов в минуту. Стоит сразу заметить, что данная цифра немного преувеличена, так как двигатель асинхронный.
Он делает, как правило, около 950-970 оборотов, но для удобства специалисты такие цифры решили округлить. Ко второй группе относятся двигатели, количество обращений ротора которых составляет 1500 за минуту. Эта цифра так же округленная, на самом деле электродвигатель делает 1430—1470 оборотом в минуту.
Третья группа асинхронных электродвигателей – это группа, к которой относится деталь, ротор которой оборачивается вокруг себя три тысячи раз за одну минуту. Реальная цифра оборотов – 2900-2970.
2. Для того, чтобы определить обороты электродвигателя, вам сначала нужно выявить, к какой же именно из указанных выше групп он относится. Для этого откройте одну из его крышек и найдите под низом катушку обмотки. Помните, такая катушка может состоять, как из одной детали, так и из нескольких, в частности трех-четырех. Кроме всего прочего знайте, что подобных катушек в электродвигателе может быть несколько. Вам достаточно одной, до которой, чтобы рассмотреть, нужно меньше всего прикладывать усилий.
3. Внимание! Катушки между собой связаны определенными деталями, которые иногда мешают рассмотреть нужную информацию. Ни при каких обстоятельствах нельзя отсоединять ничего друг от друга. Внимательно приглядитесь к выбранной вами детали и попробуйте приблизительно определить размер катушки относительно кольца статора.
4. Данное расстояние, чтобы узнать обороты электродвигателя, вовсе не нужно определять до точности. Приблизительные расчеты подойдут вам.
Если размер катушки, примерно, закрывает собой половину кольца статора, то скорость вращения ротора – три тысячи оборотов в минуту.
Если размер катушки покрывает, приблизительно, треть самого кольца, электродвигатель будет относиться ко второй группе и, следовательно, число оборотов, которые он сможет совершать, не будет превышать отметки 1500 за минуту.
Когда размер катушки равен одной четвертой по отношению к кольцу – число оборотов электродвигателя будет 1000 оборотов за одну минуту и, соответственно, двигатель будет относиться к третьей группе.
Не забывайте, что указанные цифры – это всего лишь приблизительная картина вращения, в реальности они могут отличаться и это зависит от множества факторов.
Эти статьи вам тоже пригодятся:
Теперь посмотрите это полезное видео:
Многие наверняка видели и уже имеют в своем гардеробе такие замечательные аксессуары из цветов канзаши. Эта статья научит вас технике их изготовления. Цветы из атласных лент – канзаси.
В данном уроке вы узнаете что такое модульное оригами и для изучения будет представлена схема сборки двойного лебедя, которого вы сможете собрать своими руками.
Для владельцев садовых участков, теплиц, гаражей и любых помещений, нуждающихся в утеплении. Загрузив такую печь один раз дровами можно будет потом пару суток к ней вообще не подходить.
Сейчас в продаже всё больше чупа-чупсы, твиксы и прочие заморские изделия. А почему бы Вам сегодня не сделать петушка на палочке и не порадовать своё дитя таким нестандартным подарком.
Как в походных, домашних и дачных условиях готовить продукт к копчению, подбирать коптильные дрова, мастерить самодельные коптильни, коптить продукт, и все это делать своими руками.
- Число полных лет на 1 января следующего календарного года что значит
- Число потоков процессора что это