Как определяется скорость вращения электродвигателя. Как измерить частоту вращения асинхронного двигателя. Угол поворота и период обращения

Иногда применительно к автомобилям всплывают вопросы из математики и физики. В частности, одним из таких вопросов является угловая скорость. Она имеет отношение как к работе механизмов, так и к прохождению поворотов. Разберёмся же, как определить эту величину, в чём она измеряется и какими формулами тут нужно пользоваться.

Как определить угловую скорость: что это за величина?

С физико-математической точки зрения эту величину можно определить следующим образом: это данные, которые показывают, как быстро некая точка осуществляет оборот вокруг центра окружности, по которой она движется.

ПОСМОТРЕТЬ ВИДЕО

Эта, казалось бы, чисто теоретическая величина, имеет немалое практическое значение при эксплуатации автомобиля. Вот лишь несколько примеров:

Необходимо правильно соотносить движения, с которыми вращаются колёса при повороте. Угловая скорость колеса автомобиля, движущегося по внутренней части траектории, должна быть меньше, чем у внешнего.
Требуется рассчитывать, насколько быстро в автомобиле вращается коленвал.
Наконец, сама машина, проходя поворот, тоже имеет определённую величину параметров движения – и от них на практике зависит устойчивость автомобиля на трассе и вероятность опрокидывания.

Формула времени, за которое вращается точка по окружности заданного радиуса

Для того, чтобы рассчитывать угловую скорость, используется следующая формула:

ω = ∆φ /∆t

ω (читается «омега») – собственно вычисляемая величина.
∆φ (читается «дельта фи») – угол поворота, разница между угловым положением точки в первый и последний момент времени измерения.
∆t
(читается «дельта тэ») – время, за которое произошло это самое смещение. Точнее, поскольку «дельта», это означает разницу между значениями времени в момент, когда было начато измерение и когда закончено.

Приведённая выше формула угловой скорости применяется лишь в общих случаях. Там же, где речь идёт о равномерно вращающихся объектах или о связи между движением точки на поверхности детали, радиусом и временем поворота, требуется использовать другие соотношения и методы. В частности, тут уже будет необходима формула частоты вращения.

Угловая скорость измеряется в самых разных единицах. В теории часто используется рад/с (радиан в секунду) или градус в секунду. Однако эта величина мало что означает на практике и использоваться может разве что в конструкторской работе. На практике же её больше измеряют в оборотах за секунду (или минуту, если речь идёт о медленных процессах). В этом плане она близка к частоте вращения.

Угол поворота и период обращения

Гораздо более часто, чем угол поворота, используется частота вращения, которая показывает, сколько оборотов делает объект за заданный период времени. Дело в том, что радиан, используемый для расчётов – это угол в окружности, когда длина дуги равна радиусу. Соответственно в целой окружности находится 2 π радианов. Число же π – иррациональное, и его нельзя свести ни к десятичной, ни к простой дроби. Поэтому в том случае, если происходит равномерное вращение, проще считать его в частоте. Она измеряется в об/мин – оборотах в минуту.

Если же дело касается не длительного промежутка времени, а лишь того, за который происходит один оборот, то здесь используется понятие периода обращения. Она показывает, как быстро совершается одно круговое движение. Единицей измерения здесь будет выступать секунда.

Связь угловой скорости и частоты вращения либо периода обращения показывает следующая формулы:

ω = 2 π / T = 2 π *f,

ω – угловая скорость в рад/с;
T – период обращения;
f – частота вращения.

Получить любую из этих трёх величин из другой можно с помощью правила пропорций, не забыв при этом перевести размерности в один формат (в минуты либо секунды)

Чему равна угловая скорость в конкретных случаях?

Приведём пример расчёта на основе приведённых выше формул. Допустим, имеется автомобиль. При движении на 100 км/ч его колесо, как показывает практика, делает в среднем 600 оборотов за минуту (f = 600 об/мин). Рассчитаем угловую скорость.

Для начала переведем об/мин в об/с. Для этого разделим 600 на 60 (число секунд в минуте) и получим 10 об/с. Попутно мы получили и период обращения: эта величина является обратной по отношению к частоте и при измерении в секундах 0,1 с.

Поскольку точно выразить π десятичными дробями невозможно, результат примерно равен будет 62,83 рад/с.

Связь угловой и линейной скоростей

На практике часто приходится проверять не только ту скорость, с какой изменяется угловое положение у вращающейся точки, но и скорость её самой применительно к линейному движению. В приведённом выше примере были сделаны расчёты для колеса – но колесо движется по дороге и либо вращается под действием скорости автомобиля, либо само ему эту скорость обеспечивает. Значит, каждая точка на поверхности колеса помимо угловой будет иметь и линейную скорость.

Рассчитать её проще всего через радиус. Поскольку скорость зависит от времени (которым будет период обращения) и пройденного расстояния (которым является длина окружности), то, учитывая приведённые выше формулы, угловая и линейная скорость будут соотноситься так:

V – линейная скорость;
R – радиус.

Из формулы очевидно, что чем больше радиус, тем выше и значение такой скорости. Применительно к колесу с самой большой скоростью будет двигаться точка на внешней поверхности протектора (R максимален), но вот точно в центре ступицы линейная скорость будет равна нулю.

Ускорение, момент и связь их с массой

Помимо приведённых выше величин, с вращением связано ещё несколько моментов. Учитывая же, сколько в автомобиле крутящихся деталей разного веса, их практическое значение нельзя не учесть.

Равномерное вращение – это важная вещь. Вот только нет ни одной детали, которая бы всё время крутилась равномерно. Число оборотов любого крутящегося узла, от коленвала до колеса, всегда в конечном итоге растёт, а затем падает. И та величина, которая показывает, насколько выросли обороты, называется угловым ускорением. Поскольку она производная от угловой скорости, измеряется она в радианах на секунду в квадрате (как линейное ускорение – в метрах на секунду в квадрате).

С движением и её изменением во времени связан и другой аспект – момент импульса. Если до этого момента мы могли рассматривать только чисто математические особенности движения, то здесь уже нужно учитывать то, что каждая деталь имеет массу, которая распределена вокруг оси. Он определяется соотношением начального положения точки с учётом направления движения – и импульса, то есть произведения массы на скорость. Зная момент импульса, возникающий при вращении, можно определить, какая нагрузка будет приходиться на каждую деталь при её взаимодействии с другой

Шарнир как пример передачи импульса

Характерным примером того, как применяются все перечисленные выше данные, является шарнир равных угловых скоростей (ШРУС) . Эта деталь используется прежде всего на переднеприводных автомобилях, где важно не только обеспечить разный темп вращения колёс при повороте – но и при этом их управляемость и передачу на них импульса от работы двигателя.

ПОСМОТРЕТЬ ВИДЕО

Конструкция этого узла как раз и предназначена для того, чтобы:

уравнивать между собой, как быстро вращаются колёса;
обеспечивать вращение в момент поворота;
гарантировать независимость задней подвеске.

В результате все формулы, приведённые выше, учитываются в работе ШРУС.

Старые и бывшие в использовании асинхронные машины советского производства считаются наиболее качественными и долговечными. Однако, как известно многим электромеханикам, шильдики на них могут быть абсолютно нечитабельными, да и в самом двигателе мог быть перемотан. Определить номинальную частоту вращения можно по количеству полюсов в обмотке, но если речь идет о машинах с фазным ротором или разбирать корпус нет желания, можно прибегнуть к одному из проверенных методов.

Определение скорости при помощи графического рисунка

Для определения скорости вращения двигателя существует графических рисунков круглой формы. Суть в том, что приклеенный на торец вала бумажный кружок с заданным узором при вращении образует определенный графический эффект при освещении источником света с частотой в 50Гц. Таким образом, перебрав несколько рисунков и сравнив результат с табличными данными можно определить номинальную скорость вращения двигателя.

Типовые характеристики по монтажным размерам

Промышленные производства СССР, как и большинство современных, производились по государственным стандартам и имеют установленную таблицу соответствия. Исходя из этого, можно замерить высоту центра вала относительно плоскости посадки, его и диаметры, а также размеры крепежных отверстий. В большинстве случаев этих данных будет достаточно, чтобы найти в таблице нужный двигатель и не только определить частоту вращения, но и установить его электрическую и полезную мощность.

При помощи механического тахометра

Очень часто нужно определить не только номинальную характеристику электрической машины, но и знать точное количество оборотов в данный момент. Это делается при диагностике и для определения точного показателя .

В электромеханических лабораториях и на производстве используются специальные приборы - тахометры. Если получить доступ к такому оборудованию, измерить частоту вращения асинхронного двигателя можно за несколько секунд. Тахометр имеет стрелочный или цифровой циферблат и измерительную штангу, на конце которой имеется отверстие с шариком. Если смазать центровочное отверстие на валу вязким воском и плотно приставить измерительную штангу к нему, на циферблате отобразится точное количество оборотов в минуту.

При помощи детектора стробоскопического эффекта

Если двигатель находится в процессе эксплуатации, можно избежать необходимости отстыковывать его от исполнительного механизма и снимать задний кожух только для того, чтобы добраться до центровочного отверстия. Точное количество оборотов в этих случаях можно также измерить при помощи стробоскопического детектора. Для этого на вал двигателя наносят продольную риску белого цвета и устанавливают светоулавливатель прибора напротив нее.

При включении двигателя в работу прибор определит точное количество оборотов в минуту по частоте появления белого пятна. Этот метод применяется, как правило, при диагностическом обследовании мощных электрических машин и зависимости частоты вращения от приложенной нагрузки.

Использование кулера от персонального компьютера

Для проведения измерений частоты вращения двигателя можно использовать весьма оригинальный метод. В нем применяется лопастной охлаждения от персонального компьютера. Пропеллер крепится к торцу вала при помощи двустороннего скотча, а рама вентилятора удерживается вручную. Провод вентилятора подключается к любому из разъемов материнской платы, на котором можно провести измерения, при этом само питание на кулер подавать не нужно. Точный показатель частоты вращения можно получить через утилиту BIOS или диагностическую утилиту, работающую под управлением операционной системы.

Все электродвигатели имеют основные характеристики:

Потребляемая мощность
Максимальный КПД
Номинальная частота вращения вала
Номинальный момент

Также они имеют механическую характеристику – зависимость момента от оборотов. Определить количество оборотов электродвигателя можно по катушкам обмотки статора. Для этого в статоре надо найти катушку, которая лучше всего просматривается. Если вычислить расстояние, занимаемое катушкой по кольцу железа статора, можно точно определить, сколько оборотов имеет данная асинхронная модель.

Асинхронные устройства разделяются по количеству оборотов мотора на: 1000 об/мин, 1500 об/мин и 3000 об/мин.

Если расстояние составляет половину кольца железа статора, то это агрегат с 3000 об/мин. Если это составляет 1/3 кольца железа, то он имеет 1500 об/мин. Если же расстояние, занимаемое катушкой, составляет 1/4 кольца железа, то данный прибор имеет 1000 об/мин.

Модели с количеством 1000 об/мин применяют на таком оборудовании, где нет необходимости в высокой скорости вращения вала ротора. Например, на лебедках, кранах, транспортерах и т.д.

Электродвигатели с оборотами 1500 и 3000 об/мин применяют на металлообрабатывающих и деревообрабатывающих станках, компрессорах, холодильниках и т.д.

Мощность их может колебаться в пределах от 0,12 до 200 кВт, что напрямую зависит от размера и назначения оборудования.

Электронные регуляторы в зависимости от типа двигателя, классифицируются:

Для коллекторных моделей
Для безколлекторных бездатчиковых
Для безколлекторных с датчиками Холла.

Также все регуляторы оборотов электродвигателя различаются в зависимости от максимального рабочего тока, напряжения батареи, работы с аккумуляторами различного типа.

Регуляторы, предназначенные для безколлекторных устройств, не только управляют мощностью, но и определяют положение ротора в каждый момент времени для того, чтобы правильно задать фазы трех питающих напряжений, необходимых для работы мотора.

Регуляторы для коллекторных моторов могут быть подсоединены к нескольким моторам, параллельно или последовательно с условием, что суммарный ток не превышает максимальный ток, рассчитанный на данный регулятор.

Регуляторы, предназначенные для электрических двигателей водоплавных судов, оснащены дополнительной защитой от влаги и имеют жидкостное охлаждение.

Регуляторы, применяемые в автомобилях, оборудованы радиатором воздушного охлаждения и реверсом направления вращения.

Некоторые модели регуляторов имеют на корпусе кнопки для изменения параметров, другие настаиваются с помощью аппаратуры.

Основные настраиваемые функции регуляторов:

Гувернер – режим регулирования не мощности, а оборотов. При изменении нагрузок, контроллер добавляет или уменьшает мощность.
Режим старта – быстрый, плавный, жесткий.
Для устройства с редукторами или тяжелыми лопастями – режим, замедляющий набор оборотов при его старте.
Настройка времени набора оборотов от ноля до максимума – т.е. ускорение или задержание.
Настройка режима газа – зависимость оборотов мотора от ручки газа. Может быть оснащена автокалибровкой.
Функция тормоз – включение/выключение режима торможения. В некоторых контроллерах есть функция регулировки усилия торможения от 0 до 100%.
Функция реверс – включение и выключение режима реверса.
Настройка ограничения тока — устанавливает максимальную силу тока, при превышении которой, агрегат отключается автоматически.
Функция напряжение выключение мотора – устанавливает минимальное напряжение аккумуляторной батареи. В целях защиты батареи от глубокого разряда, отключает ее от двигателя.
Функция тип выключения мотора – мягкое или жесткое выключение при срабатывании защиты.
Настройка частоты импульсов позволяет улучшить линейность регулирования частоты вращения. Применяется в основном для 3-4-витковых низкоиндуктивных моторов.
Функция опережение – устанавливает угол опережения коммутации обмоток.

Как уменьшить обороты или как увеличить обороты электродвигателя? Для этого нужно произвести изменение напряжения на обмотках статора. Зависимость напряжения от частоты вращения близка к линейной.

Для изменения числа оборотов коллекторного устройства с независимым возбуждением нужно поменять напряжение на обмотках ротора, при этом не меняя напряжение на обмотке статора.

Для регулирования частоты вращения с последовательным возбуждением, питающегося от сети переменного тока, применяют тиристорный регулятор.

Зачастую приходится понижать скорость вращения двигателя, выполняющего определенные задачи в механизме. Уменьшение числа оборотов элеткродвигателя можно добиться с помощью , управляющих схем стандартного изготовления.

Электродвигатели переменного тока часто используются в деятельности человека, на металлообрабатывающих станках, транспорта, крановых механизмов и другого оборудования. Двигатели превращают энергию переменного тока питания во вращение вала и агрегатов. Используются в основном асинхронные двигатели переменного тока.

Ротор, а также и статор двигателя состоят из катушек провода, уложенного в сердечник, изготовленный из специальной стали. Классификация электродвигателей следует от способа закладки обмотки.

Обмотка из латунных и медных стержней вставляется в сердечник, по краям устанавливаются кольца. Такая катушка провода называется короткозамкнутым (КР) ротором. Электродвигатели небольшой мощности имеют стержни, а также диски, которые были отлиты вместе. Для электродвигателей с мощным моментом детали отливаются отдельно, затем свариваются. Обмотка статора может быть подключена двумя методами: треугольником, звездой.

Фазный ротор состоит из 3-фазной роторной обмотки, подключенной контактными кольцами и щетками к питанию. Обмотка соединена «звездой».

Расчет количества оборотов асинхронного двигателя

Распространенным двигателем на станках и подъемных устройствах является двигатель с короткозамкнутым ротором, поэтому пример для расчета следует брать для него. Сетевое напряжение поступает на статорную обмотку. Обмотки смещены друг от друга на 120 градусов. Возникшее поле электромагнитной индукции возбуждает электрический ток в обмотке. Ротор начинает работать под действием ЭМС.

Основной характеристикой работы двигателя является число оборотов в минуту. Рассчитываем это значение:

n = 60 f / p, обор / мин;

где f – частота сети, герц, р – количество полюсов статора (в парах).

На корпусе электродвигателя имеется табличка с техническими данными. Если ее нет, то можно самому рассчитать число оборотов вала оборудования по другим имеющимся данным. Расчет производится тремя способами.

Расчет числа катушек, которое сравнивается с нормами для разного напряжения, следует по таблице:

Расчет скорости работы по шагу диаметра обмотки по формуле:

2 p = Z 1 / y, где 2р – количество полюсов, Z 1 – число пазов в статоре, у – шаг обмотки.

Выбираем из таблицы подходящие обороты двигателя:

Высчитываем количество полюсов по параметрам сердечника по формуле:

2p = 0,35 Z 1 b / h или 2 p = 0,5 D i / h,

где 2р – количество полюсов, Z 1 – число пазов, b – размер зуба, см, h – высота спинки, см, D i – диаметр по зубцам, см.

По результатам расчета и индукции следует число витков обмотки, сравнивается со значениями мотора по паспорту.

Как изменить скорость работы двигателя?

Изменять скорость вращающего момента механизма оборудования можно различными способами, например, механическими редукторами с переключением передач, муфтами и другими устройствами. Но это не всегда возможно. Практически используется 7 способов коррекции частоты вращения регулируемых приводов. Все способы разделены на два основных направления.

Коррекция магнитного поля путем воздействия на частоту тока, уменьшение или увеличение числа пар полюсов, коррекция напряжения. Направление характерно моторам с короткозамкнутым (КР) ротором.
Скольжение корректируется напряжением питания, добавлением еще одного резистора в цепь схемы ротора, установкой двойного питания, использованием каскада вентилей. Такое направление используется для роторов с фазами.

Частотники бывают с двумя видами управления: скалярное, векторное. При скалярном управлении прибор действует при определенных значениях выходной разности потенциалов и частотой, работают в примитивных домашних приборах, например, вентиляторах. При векторном управлении сила тока устанавливается достаточно точно.
При выборе прибора параметры мощности играют определяющую роль. Величина мощности расширяет сферу использования, упрощает обслуживание.
При выборе устройства учитывается интервал рабочего напряжения сети, что снижает опасность выхода его из строя из-за резких перепадов разности потенциалов. При чрезмерном повышении напряжения конденсаторы сети могут взорваться.
Частота – немаловажный фактор. Его величина определяется требованиями производства. Наименьшее значение говорит о возможности использования скорости в оптимальном режиме работы. Для получения большего интервала частоты применяют частотники с векторным управлением. В реальности часто используются инверторы с интервалом частот от 10 до 10 Гц.
Частотный преобразователь, имеющий много разных выходов и входов удобен в пользовании, но стоимость его выше, настройка сложнее. Разъемы частотников бывают трех типов: аналоговые, дискретные, цифровые. Связь обратного вида вводных команд производится через аналоговые разъемы. Цифровые клеммы производят ввод сигналов от датчиков цифрового типа.
Выбирая модель частотного преобразователя, нужно дать оценку управляющей шине. Ее характеристика подбирается под схему инвертора, что обуславливает число колодок. Наилучшим выбором работает частотник с запасом количества разъемов для дальнейшей модернизации прибора.
Частотники, выдерживающие большие перегрузки (на 15% выше мощности мотора), при выборе имеют предпочтения. Чтобы не ошибиться при покупке преобразователя частоты, ознакомьтесь с инструкцией. В ней имеются главные параметры эксплуатации оборудования. Если нужен прибор для максимальных нагрузок, то необходимо выбирать частотник, сохраняющий ток на пике работы выше, чем на 10% от номинала.

Как подключить частотный преобразователь

Если кабель для подключения на 220 В с 1-й фазой, применяется схема «треугольника». Нельзя подключать частотник, если выходной ток выше 50% от номинального значения.

Если кабель питания на три фазы 380 В, то делается схема «звезды». Чтобы проще было подключать питание, предусмотрены контакты и клеммы с буквенными обозначениями.

Контакты R, S, T предназначены для подключения сети питания по фазам.
Клеммы U , V , W служат соединением электродвигателя. Для реверса достаточно изменить подключение двух проводов между собой.

В приборе должна быть колодка с клеммой подключения к земле. Подробней, как подключить, .

Как обслуживать частотные преобразователи?

Для долгосрочной эксплуатации инвертора требуется контроль за его состоянием и выполнение предписаний :

Очищать от пыли внутренние элементы. Можно использовать компрессор для удаления пыли сжатым воздухом. Пылесос для этих целей не подходит.
Периодически контролировать состояние узлов, производить замену. Срок службы электролитических конденсаторов составляет пять лет, предохранительных вставок – десять лет. Охлаждающие вентиляторы работают до замены 3 года. Шлейфы проводов используются шесть лет.
Контроль напряжения шины постоянного тока и температура механизмов является необходимым мероприятием. При повышенной температуре термопроводящая паста засыхает и выводит из строя конденсаторы. Каждые 3 года на силовые клеммы наносят слой токопроводящей пасты.
Условия и режим работы необходимо соблюдать в строгом соответствии. Температура окружающей среды не должна превышать 40 градусов. Пыль и влажность отрицательно влияют на состояние рабочих элементов прибора.

Окупаемость преобразователя частоты

Электроэнергия постоянно дорожает, руководители организаций вынуждены экономить разными путями. В условиях промышленного производства большая часть энергии расходуется механизмами, имеющими электродвигатели.

Изготовители устройств для электротехнических машин и агрегатов предлагают специальные устройства и приборы для управления электромоторами. Такие устройства экономят энергию электрического тока. Они называются инверторами или частотными преобразователями.

Финансовые затраты на покупку частотника не всегда оправдывают экономию средств, так как стоимость их сопоставима со стоимостью . Не всегда привод механизма можно быстро оснастить инвертором. Какие сложности при этом возникают? Разберем способы запуска асинхронных двигателей для пониманию достоинств инверторов.

Методы запуска двигателей

Можно определить 4 метода пуска двигателей.

Прямое включение, для моторов до 10 кВт. Способ неэффективен для ускорения, увеличения момента, перегрузок. Токи выше номинала в 7 раз.
Включение с возможностью выбора схем «треугольника» и «звезды».
Интегрирование устройства плавного пуска.
Применение инвертора. Способ особенно эффективен для защиты мотора, ускорения, момента, экономии энергии.

Экономическое обоснование эффекта от инвертора

Время окупаемости инвертора рассчитывается отношением затрат на покупку к экономии энергии. Экономия обычно равна от 20 до 40% от номинальной мощности мотора.

Затраты снижают факторы, повышающие производительность частотных преобразователей:

Уменьшение затрат на обслуживание.
Повышение ресурса двигателя.

Экономия рассчитывается:

где Э – экономия денег в рублях;

Р пч – мощность инвертора;

Ч – часов эксплуатации в день;

Д – число дней;

К – коэффициент ожидаемого процента экономии;

Т – тариф энергии в рублях.

Время окупаемости равно отношению затрат на покупку инвертора к экономии денег. Расчеты показывают, что период окупаемости получается от 3 месяцев до 3 лет. Это зависит от мощности мотора.

Иногда, в моей практике приходилось сталкиваться с одной проблемой, связанной с асинхронными электродвигателями — как определить количество оборотов ротора электродвигателя, если нет бирки и технической документации на электромотор?

Вопрос, на самом деле, решается просто — обороты можно определить по катушкам обмотки статора асинхронного электродвигателя.

Асинхронные электродвигатели делятся по количеству оборотов ротора на: 1000 об/мин, 1500 об/мин и 3000 об/мин. При этом следует помнить, что если мы называем асинхронный электродвигатель «тысячником», то у него нет 1000 об/мин, т.к. он асинхронный (ротор отстаёт от магнитного поля). У него может быть 940 об/мин, 980 об/мин или около этого, но не 1000 об/мин. Тоже самое касается и «полуторатысячников» (1440 — 1480 об/мин), и «трёхтысячников» (2940 — 2980 об/мин).

Как определить обороты ротора по обмотке статора

Открываем одну из двух крышек электродвигателя и смотрим на катушки обмотки, вернее, на одну катушку. Она может состоять из нескольких секций (2-х, 3-х, 4-х).

В статоре находим катушку, которая нам лучше всего видна. Теперь смотрим на её размер, относительно железа статора. Я не буду рассказывать, как катушки соединены между собой, как соединены секции в катушке, через сколько пазов в статоре они закладываются и т.д. Это нам сейчас не нужно. Нам сейчас нужно определить расстояние, которое занимает одна катушка по кольцу железа статора.