Меню

Как определить напряжение питания электродвигателя

Как определить напряжение питания электродвигателя

Джентльмены,
Выкладываю здесь копию моей заметки на эту тему, опубликованной в ЛТ в 2006 году.

Как определить номинальное напряжение неизвестного электродвигателя ?

Вам в руки попал миниатюрный моторчик без опознавательных знаков, и без маркировки хотя бы его рабочего напряжения, не говоря уже о мощности. Можно ли его использовать для ж.д. моделизма ?

Для начала следует критически посмотреть на его размеры. Очень маленький (особенно по диаметру) двигатель по определению не может быть достаточно мощным для модели среднего размера. И здесь дело — даже не в его рабочем напряжении… Оно-то зачастую как раз бывает вполне достаточным: я видел моторчики диаметром тоньше обычного деревянного карандаша, на напряжение аж 27 (!) вольт, но даже при этом напряжении они тормозились легчайшим касанием пальца за выходной вал. При таком малом диаметре корпуса (а значит – и ротора) крутящий момент ничтожен. Где уж тут приводить в движение локомотив НО или ТТ при 12 вольтах…

О мощности…

Существует распространенное заблуждение, что двигатель модели может быть и маленьким, но, если он достаточно высокооборотный, то достаточно оснастить привод модели редуктором с большим коэффициентом замедления (скажем, К=60 или К=80), и получится тот же результат, что с более крупным и тихоходным двигателем и редуктором с меньшим К. Отсюда возникают проекты с крошечными моторчиками, спрятанными в раме, или между боковинами тележек… На самом деле, подобной «подменой» действительно можно обеспечить равенство в обоих случаях, но это равенство будет условным, и только для крутящего момента.

Возьмем 2 условные комбинации «мотор+редуктор»:

1) «малый» двигатель + «большой» редуктор,
2) и наоборот, — «большой» двигатель + «малый» редуктор.

Обозначим их крутящие моменты Т1 и Т2 соответственно (Т1 К2). Редуктор повышает крутящий момент в К раз, поэтому при равенстве соотношений Т1/Т2 и К2/К1 получается формальное равенство крутящего момента на выходе редуктора (то есть – на ободе колеса): Т1К1 = Т2К2. Значит, оба условных локомотива тянули бы одинаково ? Формально – да, но практический ресурс двух изделий будет здорово отличаться…

Достаточно вспомнить, что для передвижения поезда с масштабной скоростью (на расстояние L за время T) локомотив должен обладать некоей силой тяги F. Эту силу действительно способны развить обе вышеуказанные комбинации (при равенстве крутящих моментов на ободе колеса). Совершенная физическая работа А = F x L, а значит – и выданная механическая мощность P = А / Т окажутся также одинаковыми. Однако эту мощность, со скидкой на КПД, двигатель потребил в виде электричества, и ее значительную часть он должен рассеять в виде тепла. Причем рассеять очень быстро и эффективно, чтобы не перегрелась обмотка, изоляция, подшипники и пр. И тут становится ясно, что маленький двигатель не способен хорошо охлаждаться, так как его миниатюрные детали являются НЕдостаточно массивными для быстрого пропускания теплоты. Даже при номинальной нагрузке перегрев быстро концентрируется в обмотке маленького двигателя, и тепло «не уходит» на сердечник ротора и статор в достаточной степени. Сначала обмотка нагревается, увеличивается ее сопротивление, потребляемый ток и мощность падают… Двигатель как бы «пытается защититься» от критического режима… Но нагрев продолжается… Смазка в подшипниках начинает хуже выполнять свои функции или вообще вытекает из-за нагрева… Двигатель сгорает.

По той же причине, но еще более усугубленной полным отсутствием массивного стального сердечника в роторе (и недостаточной теплоотдачи с обмотки на окружающие детали) — двигатели «фаульхабер» — при всех их достоинствах — еще более чувствительны к перегреву.

Помимо тепловых проблем мелких двигателей, в функционирование первого варианта неизбежно вмешиваются механические проблемы: редукторы с большим К – обычно червячные – по определению обладают более высоким уровнем внутреннего трения, чем редукторы с небольшим К. Чтобы уместить их на локомотиве, приходится использовать очень мелкий модуль зубьев (например 0.2), и это тоже — прямая дорога к быстрому износу и скорой замене агрегатов… Ну и, наконец, шум быстроходного маленького моторчика при 16-20 тыс.об/мин тоже не украшает большинство локомотивов.

О напряжении…

От размеров и мощности — возвращаемся к рабочему напряжению неизвестного моторчика. Поскольку в руки к моделисту чаще всего попадают двигатели от электрических игрушек, рассчитанные на питание от одной-двух пальчиковых батареек, то для начала следует попытаться «покрутить» двигатель от одной батарейки 1.5 В.

Если при этом двигатель начинает энергично вращаться, то наверняка где-то тут недалеко (от 1,5 до 4,5 вольт) и находится номинальный режим двигателя… Конечно, словосочетание «энергично вращаться» не является очень информативным и точным, — но даже неискушенное ухо отличит характерный звук номинального режима (2-3 тыс. об/мин) от слабого и едва заметного вращения. В этом случае испытание можно закончить – все ясно.

Если двигатель совсем не пришел в движение, то:

1) либо его обмотка (или щеточный механизм) неисправны – тогда нужно «прозвонить» мотор тестером (или любым другим доступным способом – вплоть до лампочки с батарейкой).

2) либо рабочее напряжение (а значит – пусковое напряжение) значительно выше, чем 1,5 В. В нашем деле — это скорее хороший признак, т.к. означает, что мотор не совсем низковольтный, и есть шанс эксплуатировать его при 12 В.

Первый случай дальше не рассматриваем: ремонт неисправных двигателей выходит за пределы настоящей заметки. Если двигатель вращается совсем слабо, то рассматриваем это тоже как «второй случай»: значит, рабочее напряжение где-то выше.

Теперь можно собрать простейшую схему (рис. 1) из регулируемого блока питания, вольтметра и амперметра (современные аналоговые блоки для питания макетов, особенно американские, уже имеют эти встроенные 2 прибора на лицевой панели). Наша задача: замерить напряжение ТРОГАНИЯ двигателя на холостом ходу. Практикой установлена простая закономерность:

Читайте также:  Конспекты занятий по теме посуда продукты питания

РАБОЧЕЕ НАПРЯЖЕНИЕ ПРИМЕРНО В 5 РАЗ ВЫШЕ НАПРЯЖЕНИЯ ТРОГАНИЯ.

Несмотря на простоту этой формулы, неизбежны вариации — в зависимости от конструкции и физического состояния двигателя. Поэтому, наращивая напряжение до расчетного 5-кратного, следует следить за током двигателя по амперметру, мысленно умножая НАПРЯЖЕНИЕ х ТОК = МОЩНОСТЬ. При этом моделиста должны насторожить нереально большие значения мощности. Маленький моторчик длиной или диаметром около 2-3 см в принципе не способен долго потреблять большую мощность (скажем 50-100 ватт) – это прямая дорога к выгоранию обмотки и щеточного механизма.

Однако в некоторых случаях приборы могут показывать именно такие большие величины (типа 5-8 ампер при 12 вольтах). Причин может быть несколько:

1) Частичное размагничивание статора двигателя. Оно характерно для случаев небрежного хранения: когда несколько двигателей долго хранились, «слепившись в кучу» своими магнитами. Или когда двигатель работал или хранился около внешних источников сильных магнитных полей (постоянных или переменных). Также саморазмагничивание нередко происходит с двигателями старой конструкции, где использовались железные магниты (а не современные редкоземельные или керамические). Я встречал в Интернете утверждения, что такие старинные двигатели кто-то умеет намагничивать снова (не ставить же современный Sagami в модель-раритет полувековой давности, которая и ценна как раз своей анахроничностью…). В любом случае при размагниченном статоре двигатель прокручивается «от руки» как обычно (то есть довольно легко), но под напряжением вращается очень вяло, не тянет, легко тормозится пальцем, трогается с места лишь при большом напряжении (скажем, 8 В) и при большом токе (например, 2 А). Поэтому, если довести его до «расчетного» режима по принципу «умножения напряжения трогания на 5», то можно увидеть на вольтметре 40 В, а на амперметре — 10 А. Правда, — увидеть кратковременно, — так как моторчик задымит через пару секунд: 400 ватт – не шутка. Описанная картина, однако, является чисто виртуальной, так как такой мощный блок питания – редкость в арсенале моделиста. Обычный «пиковский кирпич» выдает около 2 А, далее срабатывает защита. Но даже ток 2 ампера при среднем напряжении 8-12 вольт уже должен насторожить !

2) Плохое состояние подшипников (отсутствие смазки, грязь, ржавчина) или коллектора (нагар, окислы, задиры). В этом случае двигатель туго прокручивается даже «от руки», а под напряжением – трогается поздно, при большом напряжении и большом токе. Раскрутившись, двигатель, на первый взгляд, работает неплохо, и через несколько минут даже «добавляет оборотов». Но стрелка амперметра не дает ошибиться: внутреннее трение в двигателе недопустимо велико, идет интенсивный износ и нагрев…

3) Внутренний обрыв на одной или нескольких секциях обмотки ротора (справедливо для сложных современных двигателей ДПМ, ДПР, и прочих «военных», «авиационных» и «космических», имеющих 5- или 7- или 9-полюсные обмотки ротора. Такой двигатель может не запускаться из определенных положений ротора (у исправного двигателя не бывает «мертвых точек»), сильно шумит и вибрирует, крутится вяло и не тянет. Рабочий ток у него в среднем почти нормальный, но при просмотре на экране осциллографа на месте обычных пилообразных импульсов видны «пропущенные такты», когда ток через двигатель прерывается (в моменты включения в коллекторную цепь неисправных секций обмотки).

Другие способы оценки рабочего напряжения.

Оценка на слух.
Я встречал этот совет в Интернете, но результат такой оценки мне кажется слишком неточным: якобы нормальный режим холостого вращения двигателя диаметром 2-3 см соответствует звуку частотой примерно 3 кГц. Если звук холостого хода гораздо выше – поданное напряжение наверняка слишком велико для данного двигателя.

Сравнение с аналогичным двигателем.
Предлагается сравнивать напряжение при одинаковом значении тока у двух двигателей (свойства одного из которых точно известны). При этом еще оценивать скорость вращения. Методика требует опыта, хотя менее субъективна, чем предыдущая.

Оценка по искрению коллектора.
Требуется блок питания с достаточным запасом по мощности. Метод основан на том допущении, что обычно в хороших двигателях сечение щеток, размеры ламелей коллектора, усилия прижатия щеток сбалансированы и продуманы: они рассчитаны так, чтобы в номинальном режиме не создавать искрения и шума. Следует плавно наращивать напряжение на холостом ходу, наблюдая за работой щеток и коллектора (такое наблюдение возможно, естественно, не на всех типах двигателей). Довести двигатель до момента возникновения первых регулярных искр. Не допускать сильного искрения (а тем более «кругового огня» на коллекторе). Не доводить до появления необычных шумов. «Поймав» момент начала регулярного искрения, следует дать двигателю поработать минут 10, наблюдая за температурой корпуса. Если сильного нагрева (свыше 50 градусов) нет, то это и есть максимально допустимое длительное напряжение для данного двигателя.

Оценка момента насыщения магнитного потока двигателя.
Самый научно обоснованный метод. В его основе лежит свойство магнитных материалов ротора насыщаться магнитным потоком (когда ток через обмотку продолжает нарастать, а сила магнитного потока в магнитопроводе – больше не растет, достигнув максимума). Дело в том, что двигатель при вращении не только потребляет электроэнергию. Он еще и генерирует свою электроэнергию: это ЭДС (т.е. напряжение) самоиндукции, которое складывается с питающим напряжением в той же полярности (то есть «+» ЭДС вырабатывается на той же клемме двигателя, на которую подается «+» источника внешнего питания).

Если питать двигатель пульсирующим напряжением (что мы обычно видим в типовых блоках питания для макетов — после мостового выпрямителя напряжение на выходе пульсирует с частотой 100 Гц), то каждую секунду напряжение 100 раз изменяется от 0 до 12 вольт, нарастая и спадая, рисуя на экране осциллографа «полусинусоиды» (см. рис. 2-А). Теперь, если подключить к такому блоку питания двигатель, то на экране осциллографа форма напряжения изменится: «полусинусоиды» перестанут спадать до нуля (см. рис. 2-Б). Как раз это спрямление («полочка» или «всплеск напряжения») внизу каждого минимума и является ЭДС самоиндукции – напряжением, вырабатываемым двигателем при вращении.

Читайте также:  Колонки не горит индикатор питания

ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна магнитному потоку якоря двигателя. Таким образом, если наращивать напряжение питания двигателя, то в какой-то момент железо якоря насытится магнитным потоком. Потребляемый ток двигателя будет продолжать нарастать, а вот магнитный поток, и, значит, ЭДС самоиндукции, нарастание прекратят или ощутимо замедлят. Наблюдая за амплитудой «всплесков» ЭДС самоиндукции на экране осциллографа, можно поймать момент, когда ее рост прекратится, или даже она начнет уменьшаться. Несмотря на то, что наращивание питающего напряжения еще можно продолжить… Именно при этом напряжении питания двигатель имеет максимальный КПД, и, если не происходит сильного разогрева корпуса в течение 10 минут, то двигатель можно рекомендовать для длительной работы в данном режиме.

Понятно, что мало у кого есть в распоряжении осциллограф. Мой — время от времени еще используется, несмотря на то, что годы бурного радиолюбительства позади… Однако я читал, что в качестве суррогата можно неплохо использовать обычный ПК со звуковой платой, и необходимо лишь использовать соответствующую утилиту (например разные версии «Oscilloscope» или «Scope30» без труда находятся Яндексом для скачивания ).

Скажу честно: сам я такой вариант не пробовал. Нюансы, о которых надо помнить:

1) бесполезно подавать на вход звуковой платы отфильтрованное постоянное напряжение (из-за наличия конденсаторов на входе). Однако для данного исследования это не принципиально, поскольку мы используем пульсирующее напряжение. Оно «проходит сквозь конденсаторы» подобно переменному, — просто смещается нулевая линия на экране,

2) пульсирующее и переменное напряжение – нельзя подавать выше 0,25 В по амплитуде. В нашем случае – для испытаний пульсирующим напряжением с амплитудой в диапазоне 0…25 вольт — следует спаять делитель напряжения из пары резисторов с соотношением номиналов примерно 1:100 (например, 10 килоом + 100 ом) (см.рис.3). Такой делитель ослабляет напряжение на входе звуковой платы примерно в 100 раз (если быть точным – то в 101 раз), что позволяет при питающем напряжении до 25 вольт не превысить максимально допустимое напряжение 0,25 В на входе платы. Точность номиналов делителя не важна, так как нам нужно ОЦЕНИТЬ ИЗМЕНЕНИЯ, а не измерить абсолютные величины напряжений (для этого достаточно вольтметра).

Удачных вам исследований !

Способы небесспорные, и не всегда общедоступные, — сильно не ругайте.
______________________________________________________________________

Источник



Как проверить электродвигатель — простые советы электрикам

В своей повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся с различными электрическими приборами, значительно облегчающими нашу деятельность. Практически все они имеют в своей конструкции двигатель, питаемый электроэнергией для совершения определенной работы.

Иногда по разным причинам в нем возникают неисправности. Приходится определять его работоспособность, выявлять и устранять поломки.

Как устроен электродвигатель

Сразу оговоримся, что не будем прибегать к сложным техническим описаниям и формулам, а постараемся использовать упрощенные схемы и терминологию. Также учитываем, что работы с электродвигателями в электроустановках относятся к опасным. К ним допускается обученный, подготовленный персонал.

Внимание: Самостоятельный ремонт электродвигателя неквалифицированными работниками может закончиться трагически!

Кинематическая схема

По механической конструкции любой электрический двигатель можно представить состоящим всего из двух частей:

1. стационарно закрепленной, которая называется статором и крепится к корпусу станка, механизма или удерживается в руках, как на дрели, перфораторе и подобных устройствах;

2. подвижной — ротора, совершающего вращательное движение, передаваемое исполнительному приводу.

Обе эти половинки полностью разделены друг от друга, но соприкасаются через подшипники. Больше нигде и ни в каком месте они чисто механически не контактируют. Ротор вставлен внутрь статора и совершенно свободно вращается в нем.

Эту способность вращаться необходимо оценивать в первую очередь при анализе работоспособности любой электрической машины.

Для проверки вращения необходимо:

1. полностью снять напряжение со схемы питания;

2. попробовать вручную прокрутить ротор.

Первое действие является необходимым требованием правил безопасности, а второе — техническим тестом.

Часто оценить вращение бывает сложно из-за подключенного привода. Например, ротор двигателя исправного пылесоса довольно легко раскрутить движением руки. Чтобы повернуть вал рабочего перфоратора, придется приложить усилие. Прокрутить вал двигателя, подключенного через червячный редуктор, вообще не получится из-за конструктивных особенностей этого механизма.

По этим причинам оценку вращения ротора в статоре проводят при отключенном приводе и анализируют качество работы подшипников. Затруднять движение может:

износ контактных площадок скольжения;

отсутствие смазки в подшипниках или ее неправильное применение. Например, обычный солидол, которым часто заполняют шарикоподшипники, на морозе загустеет и может быть причиной плохого запуска двигателя;

попадание грязи или посторонних предметов между подвижной и стационарной частью.

Шум во время работы двигателя создается неисправными, разбитыми подшипниками с повышенным люфтом. Для его быстрой оценки достаточно пошатать ротор относительно стационарной части, создавая переменные нагрузки в вертикальной плоскости, и попробовать вдвигать и вытаскивать его вдоль оси. На многих моделях незначительные люфты считаются допустимыми.

Если ротор вращается свободно и подшипники хорошо работают, то надо искать неисправность в электромагнитных цепях.

Электрическая схема

Чтобы любой двигатель работал необходимо выполнить два условия:

1. на его обмотку (или обмотки у многофазных моделей) подвести номинальное напряжение;

2. электрическая и магнитная схемы должны быть исправными.

Читайте также:  Значение соусов питании человека

Где проверять напряжение питания двигателя

Рассмотрим первое положение на примере конструкции электрической дрели с коллекторным двигателем.

Если у исправной дрели вставить вилку в розетку с подведенным напряжением, то этого недостаточно для запуска двигателя. Потребуется еще нажать на кнопку включения.

Только тогда электрический ток от вилки по шнуру через симисторный узел регулирования и контакты нажатой кнопки подойдет к щеточному узлу, расположенному на коллекторе, и через него сможет попасть на обмотку.

Подведем итог: делать вывод об исправности двигателя дрели можно только после проверки напряжения на щетках коллекторного узла, а не контактах вилки. Приведенный пример является частным случаем, но раскрывает общие принципы поиска неисправностей, характерные для большинства электрических устройств. К сожалению, этим положением часть электриков второпях пренебрегает.

Типы электрических схем электродвигателей

Электродвигатели создаются для работы от постоянного или переменного тока. Причем последние делятся на:

синхронные, когда частоты вращения частоты вращения ротора и электромагнитного поля статора совпадают;

асинхронные — с отстающей частотой.

Они имеют разные конструктивные особенности, но общие принципы работы, основанные на воздействии вращающегося электромагнитного поля статора на поле ротора, передающее вращение приводу.

Двигатели постоянного тока

Их изготавливают для использования в качестве кулеров компьютерных устройств, стартеров легковых автомобилей, мощных дизельных станций, зерноуборочных комбайнов, танков и решения других задач. Устройство одной из подобных простых моделей показано на картинке.

Магнитное поле статора у этой конструкции создается не постоянными магнитами, а двумя электромагнитами, собранными на специальных сердечниках — магнитопроводах, вокруг которых расположены катушки с обмотками.

Магнитное поле ротора создается током, проходящим через щетки коллекторного узла по обмотке, уложенной в пазы якоря.

Асинхронные двигатели переменного тока

Представленный на картинке разрез одной из моделей демонстрирует определенное подобие с ранее рассмотренным устройством. Конструктивные отличия заключаются в выполнении ротора формой короткозамкнутой обмотки (без прямой подачи в нее тока от электроустановки), получившей название «беличьего колеса» и принципах расположения витков на статоре.

Синхронные двигатели переменного тока

У них обмотки катушек статора расположены под одинаковым углом смещения между собой. За счет этого создается вращающееся с определенной скоростью электромагнитное поле.

Внутри этого поля помещен электромагнит ротора, который под воздействием приложенных магнитных сил тоже начинает двигаться с частотой, синхронной скорости вращения приложенной силы.

Таким образом, во всех рассмотренных схемах двигателей используются:

1. обмотки из проводов для усиления магнитных полей единичных витков;

2. магнитопроводы для создания путей протекания магнитных потоков;

3. электромагниты или постоянные магниты.

У отдельных конструкций двигателей, называемых коллекторными, используется схема передачи тока от стационарной части на вращающиеся детали через узел щеткодержателя.

Во всех этих технических устройствах и способны возникать различные неисправности, которые влияют на работу конкретного двигателя.

Поскольку магнитопровод создается на заводе из пластин специальных сталей, собранных с высокой надежностью, то поломки этих элементов происходят очень редко, да и то под воздействием агрессивной среды, не предусмотренной условиями эксплуатации или из-за непредвиденных запредельных механических нагрузок на корпус.

Поэтому проверка прохождения магнитных потоков практически не проводится, а все внимание при неисправностях электродвигателей после оценки механики обращается на состояние электрических характеристик обмоток.

Как проверить щеточный узел коллекторного двигателя

Каждая пластина коллектора является контактным соединением определенной части непрерывной обмотки якоря и через ее подключение к щетке проходит электрический ток.

У исправного двигателя в этом узле создается минимальное переходное электрическое сопротивление, не оказывающее практического влияния на качество работы и выходную мощность. Внешний вид пластин отличается чистотой, а промежутки между ними ничем не заполнены.

Двигатели, которые подвергались серьезным нагрузкам, имеют загрязненные коллекторные пластины со следами графитовой пыли, набившейся в пазы и ухудшающей изоляционные свойства.

Щетки двигателя усилием пружин прижимаются к пластинам. Графит при работе постепенно стирается. Его стержень изнашивается по длине, а сила прижатия пружины уменьшается. При ослаблении контактного давления увеличивается переходное электрическое сопротивление, что вызывает искрение в коллекторе.

В результате начинается повышенный износ щеток и медных пластин коллектора, который может быть причиной поломки двигателя.

Поэтому надо проверять щеточный механизм, осматривать чистоту поверхностей, качество выработки щеток, условия работы пружин, отсутствие искрения и появления кругового огня при работе.

Загрязнения убираются мягкой тряпочкой, смоченной раствором технического спирта. Промежутки между пластинами прочищают воронилами из твердых не смолистых пород дерева. Щетки притирают мелкозернистой наждачной шкуркой.

Если на коллекторных пластинах появились выбоины или выгоревшие участки, то коллектор подвергают механической обработке и полировке до уровня, при котором ликвидированы все неровности.

Хорошо подогнанный щеточный узел не должен создавать искр во время работы.

Как проверить состояние изоляции обмоток относительно корпуса

Для выявления нарушения диэлектрических свойств изоляции относительно статора и ротора необходимо использовать специально предназначенный для этих целей прибор — мегаоомметр.

Он подбирается по величине выходной мощности и напряжению.

Первоначально измерительные концы подключаются на общую клемму выводов обмоток и болт заземления корпуса. У собранного двигателя электрический контакт корпусов статора и ротора создается через металлические подшипники.

Если замер показывает нормальную изоляцию, то этого вполне достаточно. В противном случае все обмотки рассоединяются и осуществляется поиск нарушения изоляции методом измерения и осмотра отдельных цепей.

Причины плохого состояния изоляции могут быть разными: от механического нарушения слоя лакокрасочного покрытия проводов до повышенной влажности внутри корпуса. Поэтому их надо точно определить. В одних случаях достаточно хорошо просушить обмотки, а в других необходимо искать места с царапинами или задирами для исключения токов утечек.

Источник