Однофазный асинхронный двигатель: как он работает; Сайт электрика - статьи, советы, примеры, схемы - услуги электромонтажа, строительства и ремонта

2) использование дополнительной обмотки, соединенной на время пуска омическим, емкостным или индуктивным сопротивлением;

Содержание

Однофазный асинхронный двигатель: конструкция и работа

Само название этого электрического устройства указывает на то, что электрическая энергия, подаваемая на двигатель, преобразуется во вращательное движение ротора. Прилагательное “асинхронный” относится к разности скоростей магнитного поля якоря и магнитного поля статора.

Слово “однофазный” является двусмысленным. Это связано с тем, что термин “фаза” в электротехнике описывает несколько явлений:

Сдвиг – разность углов между векторными величинами;

Потенциальный проводник в двух-, трех- или четырехпроводной электрической цепи переменного тока;

Одна из обмоток статора или ротора трехфазного двигателя или генератора.

Поэтому сразу поясним, что однофазный электродвигатель – это электродвигатель, работающий от двухпроводной сети переменного тока, представленной потенциалом фазы и нейтрали. Количество обмоток, установленных в различных конструкциях статоров, не влияет на это определение.

Конструкция двигателя

С точки зрения технической конструкции, асинхронный двигатель состоит из:

1. статор – статичная, неподвижная деталь, выполненная в виде корпуса с размещенными на нем различными электрическими компонентами;

2. ротор, вращаемый электромагнитным полем статора.

Механическая связь между двумя частями осуществляется с помощью роликовых подшипников, внутренние кольца которых посажены на посадочные места вала ротора, а внешние кольца посажены на боковые крышки, установленные на статоре.

Ротор

Конструкция этих моделей такая же, как и у всех асинхронных двигателей: на стальном валу находится магнитопровод из шихтованных пластин на основе сплавов мягкого железа. На его внешней поверхности имеются пазы, в которые устанавливаются алюминиевые или медные обмоточные стержни, замыкаемые на концах в короткозамыкающие кольца.

В обмотке ротора протекает ток, индуцируемый магнитным полем статора, а магнитная катушка служит для передачи магнитного потока, создаваемого в ней.

Отдельные конструкции ротора однофазных двигателей могут быть изготовлены из немагнитных или ферромагнитных материалов в форме цилиндров.

Статор

Статор также представляет собой конструкцию статора:

Его основная задача – генерировать стационарное или вращающееся электромагнитное поле.

Обмотка статора обычно состоит из двух контуров:

Простейшие конструкции, предназначенные для ручного вращения клапана, могут иметь только одну обмотку.

Принцип работы однофазного асинхронного электродвигателя

Для упрощения объяснения мы будем считать, что обмотка статора имеет только один виток в контуре. Его провода внутри статора намотаны по кругу с углом 180 градусов. Он проводит переменный синусоидальный ток, который имеет положительные и отрицательные полуволны. Он создает не вращающееся магнитное поле, а пульсирующее магнитное поле.

Как пульсирует магнитное поле

В качестве примера возьмем положительную полуволну тока в моменты времени t1, t2 и t3.

Он проходит через верхнюю часть проводника по направлению к нам и через нижнюю часть проводника от нас. В перпендикулярной плоскости, представленной проводником, вокруг проводника генерируются магнитные потоки Ф.

Токи разной амплитуды в определенные моменты времени создают электромагнитные поля разной величины F1, F2, F3. Поскольку ток в верхней и нижней половинах одинаковый, но катушка изогнута, магнитные потоки каждой части противовращаются и взаимно уравновешивают друг друга. Это можно определить с помощью правила буравчика или правила правой руки.

Как видно, при положительной полуволне не происходит вращения магнитного поля, а только его пульсация вверху и внизу провода, которая также взаимно уравновешивается в магнитной катушке. Тот же процесс происходит во время отрицательного сегмента синусоиды, когда токи меняют направление.

Поскольку нет вращающегося магнитного поля, ротор остается неподвижным, так как на него не действуют силы, инициирующие вращение.

Как происходит вращение ротора в пульсирующем поле

Если заставить ротор вращаться, хотя бы вручную, он будет продолжать это движение. Чтобы объяснить это явление, покажем, что полный магнитный поток изменяется вдоль частоты синусоидального тока от нуля до максимального значения в каждом полупериоде (с обратным направлением) и состоит из двух частей, сформированных в верхней и нижней ветвях, как показано на рисунке.

Пульсирующее магнитное поле статора состоит из двух круговых полей с амплитудой Fmax/2 и движущихся в противоположных направлениях с одинаковой частотой.

В этой формуле они обозначаются:

ppr и pbr – частоты вращения магнитного поля статора в прямом и обратном направлениях;

n1 – скорость вращения магнитного потока (об/мин)

p – количество пар полюсов

f – частота тока в обмотке статора.

Теперь поверните двигатель рукой в одну сторону, и он немедленно начнет двигаться из-за крутящего момента, вызванного проскальзыванием ротора против различных магнитных потоков в прямом и обратном направлении.

Предположим, что прямой магнитный поток совпадает с вращением ротора, а обратный поток будет противоположным. Если обозначить через n2 скорость вращения якоря в об/мин, то можно записать выражение n2 < n1.

В этом случае обозначим Spr = (n1-n2)/n1 = S.

Здесь подстрочные индексы S и Spr обозначают прямое скольжение асинхронного двигателя и ротора с относительным магнитным потоком.

В случае обратного потока скольжение Sobr выражается аналогичной формулой, но с изменением знака на n2.

Собр = (n1 – (-n2))/n1 = 2-спр.

Согласно закону электромагнитной индукции, под воздействием прямого и обратного магнитных потоков в обмотке ротора возникнет электродвижущая сила, которая будет создавать токи I2пр и I2обр в одном направлении.

Их частота (в герцах) будет прямо пропорциональна величине скольжения.

Частота f2обр, формируемая индуцированным током I2обр, намного выше частоты f2пр.

Например, электродвигатель работает на частоте 50 Гц с n1=1500 и n2=1440 оборотов в минуту. Его ротор имеет прямое скольжение относительно магнитного потока Спр=0,04 и частоту тока f2пр=2Гц. Обратное скольжение составляет Sobr=1,96, а частота тока f2obr=98 Гц.

Исходя из закона Ампера, взаимодействие тока I2пр и магнитного поля fпр создаст вращающий момент Мпр.

Значение постоянного коэффициента cM здесь зависит от конструкции двигателя.

Также действует обратная величина магнитного потока, Mobr, которая рассчитывается согласно выражению:

Взаимодействие этих двух потоков приведет к результирующему потоку:

Предупреждение. При вращении ротора в нем индуцируются токи разной частоты, которые создают моменты сил разной направленности. Поэтому якорь двигателя будет вращаться под воздействием пульсирующего магнитного поля в том направлении, откуда он начал вращаться.

Однофазный двигатель создает небольшое скольжение с большей частью движущего момента Mpr. Тормозное обратное магнитное поле Мобр оказывает лишь незначительное влияние из-за различных частот обратного и реверсивного токов.

Обратный ток f2опр намного больше f2пр, а создаваемое индуктивное сопротивление X2опр намного превышает активную составляющую и оказывает большое размагничивающее действие на обратный магнитный поток Фобр, который, соответственно, уменьшается.

Поскольку коэффициент мощности двигателя под нагрузкой мал, обратный магнитный поток не может оказать сильного влияния на вращающийся ротор.

Когда двигатель с неподвижным ротором (n2=0) подключен к одной фазе сети, прямое и обратное скольжение равны единице, магнитные поля и силы прямого и обратного потоков уравновешены, и вращения не происходит. По этой причине невозможно вращать якорь двигателя с однофазным питанием.

Как быстро определить скорость вращения двигателя:

Как создается вращательное движение ротора однофазного асинхронного двигателя

За всю историю существования этого типа оборудования были разработаны следующие конструктивные решения:

1. ручное вращение вала рукой или струной;

2. использование дополнительной обмотки, которая при запуске подключается через омическое, емкостное или индуктивное сопротивление;

3) расщепление магнитопровода статора закороченной магнитной катушкой.

Первый метод использовался в первоначальных разработках и не был принят позже из-за возможного риска получения травмы при запуске, хотя он не требует подключения дополнительных цепей.

Использование обмотки изменения фазы в статоре

Чтобы придать ротору начальный оборот, при запуске к обмотке статора подключается дополнительная вспомогательная обмотка, но смещенная на 90 градусов. Он изготавливается из более толстого провода, чтобы проводить более высокие токи, чем те, которые протекают в рабочей обмотке.

Схема подключения такого двигателя показана на рисунке справа.

Выключатель здесь – кнопка типа ПНВС, которая специально разработана для таких двигателей и широко использовалась в работе стиральных машин, производимых в СССР. С помощью этой кнопки одновременно включаются 3 контакта таким образом, что два крайних контакта при нажатии и отпускании остаются во включенном положении, а средний контакт кратковременно замыкается и затем под действием пружины возвращается в исходное положение.

Замкнутые крайние контакты можно отключить, нажав на соседнюю кнопку “Стоп”.

Помимо кнопочного выключателя, вспомогательная обмотка может быть отключена в автоматическом режиме:

1. центробежные переключатели;

2. дифференциальные или токовые реле;

Вспомогательные элементы в обмотке переменного тока используются для улучшения запуска двигателя под нагрузкой.

Подключение однофазного двигателя с пусковым сопротивлением

В этой схеме омический резистор установлен последовательно со вспомогательными обмотками статора. Обмотки намотаны бифилярно, что гарантирует, что коэффициент индуктивности катушки очень близок к нулю.

При использовании этих двух методов, когда ток протекает через разные обмотки, между ними происходит сдвиг фазы примерно на 30 градусов, что вполне достаточно. Разница в углах создается за счет изменения комплексных сопротивлений в каждой цепи.

С помощью этого метода все еще можно найти начальную обмотку с уменьшенной индуктивностью и увеличенным сопротивлением. Это делается путем намотки небольшого количества витков провода уменьшенного сечения.

Подключение однофазного двигателя с конденсаторным пуском

Емкостные фазосдвигающие токи создают кратковременное соединение обмотки с конденсатором последовательно. Эта цепь работает только в течение всего времени работы двигателя, а затем отключается.

Конденсаторный пуск создает самый высокий крутящий момент и более высокий коэффициент мощности, чем резистивный или индуктивный пуск. Он может достигать значения 45÷50% от номинального значения.

В некоторых системах емкость также добавляется в цепь рабочей обмотки, которая постоянно включена. Это вызывает отклонение токов обмоток на угол около π/2. В этом случае смещение максимумов амплитуды сильно заметно в статоре, что обеспечивает хороший крутящий момент на валу.

Благодаря этой технике двигатель способен вырабатывать большую мощность при запуске. Однако этот метод используется только в приводах с жестким запуском, например, пуск барабана стиральной машины, заполненного водой для стирки.

Конденсаторный пуск позволяет изменить направление вращения якоря на противоположное. Для этого просто измените полярность пусковой или рабочей обмотки.

Подключение однофазного двигателя с расщепленными полюсами

В случае небольших асинхронных двигателей с номинальной мощностью около 100 Вт, разделенный магнитный поток статора достигается путем помещения закороченного медного стержня в полюс магнитопровода.

Такое пересечение полюсов создает дополнительное магнитное поле, смещенное относительно основного поля и ослабляющее его в месте, занимаемом катушкой. Это создает эллиптическое вращающееся поле, которое создает постоянный направленный вращающий момент.

В таких конструкциях можно встретить магнитные шунты из стальных пластин, которые замыкают края полюсных наконечников статора.

Двигатели аналогичной конструкции можно найти в нагнетателях вентиляторов. Они не являются обратимыми.

Двигатель можно запустить с помощью правильно подобранного конденсатора, подключенного к обмотке стартера, или с помощью резистора.

Однофазный двигатель

Тело;
Статор (обмотки + сердечник);
Ротор;
Вал со шпоночными пазами спереди и вентилятор сзади;
Герметичные крышки с подшипниками;
Клеммная коробка.
Индукционное пусковое устройство.

Ротор имеет закороченные обмотки. Как и сердечник статора, его корпус изготовлен из высококачественной электротехнической стали.

Глядя на фото, видно, что однофазный коллекторный двигатель отличается от асинхронного двигателя прямоугольной формой корпуса и наличием графито-медных щеток.

Токоприемник, расположенный на валу, скрыт в корпусе. Поэтому распознать, что это электродвигатель другого типа, можно по щеткам, которые видны и прижимаются к коллекторным кольцам пружинами.

По своей структуре он несколько отличается от обычного асинхронного однофазного двигателя. Принцип действия тот же. Напряжение подается на щетки и через них на якорь, который вращает вал в подшипниках. В асинхронных двигателях все наоборот – магнитное поле статора вращает ротор!

Скорость вращения можно регулировать с помощью специального устройства – реостата. Асинхронный двигатель, с другой стороны, работает на максимальной скорости, которой трудно, а иногда и невозможно, управлять плавно, без рывков – уменьшения, увеличения после ускорения.

Пульсирующее магнитное поле

Однофазный электродвигатель с несимметричной обмоткой статора

статор Этот однофазный двигатель имеет идентифицируемые полюса на асимметричном многослойном сердечнике. Ротор – короткозамкнутый тип.

Для работы этого двигателя не требуется никаких фазосдвигающих компонентов. Недостатком этого двигателя является низкий КПД.

Схема содержит пусковую обмотку с конденсатором. Когда ротор ускоряется, катушка отключается. Рабочий конденсатор предотвращает размыкание пусковой цепи, и пусковая обмотка непрерывно проходит через конденсатор.

Принцип работы

Обмотки статора генерируют магнитные поля с переменным током. Они имеют одинаковую амплитуду и частоту, но действуют в разных направлениях, поэтому статический ротор начинает вращаться.

Если в двигателе нет стартера, ротор останавливается, так как результирующий крутящий момент равен нулю. Если ротор начинает вращаться в одном направлении, соответствующий крутящий момент становится выше, поскольку вал двигателя продолжает вращаться в этом направлении.

Пусковой момент

Пусковым сигналом является магнитное поле обеих обмоток, которое вращает подвижную часть двигателя. Он генерируется 2 обмотками: основной и пусковой. Вторая меньшая обмотка является пусковой и подключается к основной цепи однофазного двигателя через емкостной или индуктивный резистор.

Обмотка стартера может работать в течение короткого времени. Более длительная работа под нагрузкой может привести к перегреву и воспламенению изоляционных компонентов, что приведет к выходу из строя.

Надежность повышается за счет включения в цепь однофазного асинхронного двигателя таких компонентов, как тепловое реле и центробежный выключатель. Последний отключает пусковую фазу, когда ротор достигает номинальной скорости. Отключение происходит автоматически.

Реле работает следующим образом: когда обмотки нагреваются до предельного значения, установленного на реле, механизм прерывает подачу питания на обе фазы, предотвращая выход из строя из-за перегрузки или любой другой причины. Это защищает от огня.

Вас также может заинтересовать статья Все, что нужно знать о шаговых двигателях в нашей другой статье.

варианты подключения

Для работы двигателя необходимо наличие одной фазы 220 В. Это означает, что подойдет любая стандартная розетка. Эта простота сделала двигатели популярными в быту. В каждом бытовом приборе, от стиральной машины до соковыжималки, есть эти механизмы.

Известны два типа однофазных двигателей, в зависимости от способа их подключения:

Однофазный асинхронный двигатель с пусковой обмоткой.
Однофазный двигатель с конденсатором.

Принципиальная схема однофазного асинхронного двигателя с конденсатором показана на рисунке.

Схема включает в себя пусковую обмотку с конденсатором. Когда ротор ускоряется, катушка отключается. Пусковой конденсатор предотвращает размыкание пусковой цепи, и пусковая обмотка непрерывно проходит через конденсатор.

Одновременно с рабочей обмоткой на пусковую катушку подается напряжение от конденсатора. В режиме запуска катушка имеет более высокое активное сопротивление. Сдвиг фаз становится достаточно большим, чтобы начать вращение.

Допускается изготовление пусковой обмотки с меньшей индуктивностью и большим сопротивлением. Запуск конденсатора осуществляется путем его подключения к пусковой обмотке и временному источнику питания.

Для достижения максимального пускового момента необходимо вращающееся магнитное поле. Для этого необходимо добиться положения обмоток 900. При правильно рассчитанной емкости конденсатора обмотки могут быть смещены на 900 градусов. Расчет однофазного асинхронного двигателя зависит от схем подключения, приведенных ниже.

Различные варианты подключения:

Временное подключение электрического тока к обмотке стартера через конденсатор;
Питание стартера через резистор, без конденсатора;
Постоянно подключен к пусковой обмотке через конденсатор, одновременно с работой рабочей обмотки.

Конденсаторный пускатель имеет следующие особенности:

Основная информация

Однофазный двигатель характеризуется тем, что он может питаться от стандартной электрической сети с частотой 50 Гц и напряжением 220 В.

Такие двигатели в основном используются в маломощных устройствах, так как они значительно уступают по КПД своим двух- и трехфазным аналогам.
Мощность этих устройств варьируется от 5 Вт до 10 кВт.
Однофазная схема подключения оказывает значительное влияние на КПД двигателя, который составляет около 70% от КПД трехфазного двигателя той же мощности. Они также имеют более низкий пусковой момент и более высокую перегрузочную способность.

На самом деле, если разобрать конструкцию такого двигателя, то в нем будет 2 фазы, но так как, по сути, задействована только одна из них, поэтому он называется однофазным.
Двигатель имеет самую классическую структуру – подвижная часть (ротор или якорь) и неподвижная часть (статор).
Вращение движущихся частей двигателя происходит за счет взаимодействия магнитных полей – подробнее об этом далее в статье.
Несомненным преимуществом этого двигателя является его простая и надежная конструкция с короткозамкнутым ротором.
Его главный недостаток – неспособность самостоятельно генерировать магнитное поле, что не позволяет ему самостоятельно запускаться при подключении к сети.
Считается, что для приведения ротора в движение необходимо как минимум 2 обмотки и что одна из них смещена относительно другой на определенную величину.

Если сопоставить все эти моменты, то можно понять следующее.
В статоре однофазного электродвигателя имеется пусковая обмотка, которая смещена относительно рабочей, основной обмотки на 90 градусов.
Схема, питающая обмотку, включает фазовращатель – конденсаторы, индукторы, резисторы активного типа.
То есть, по сути, речь идет о тех же двухфазных и трехфазных двигателях, только сдвиг фаз достигается не подключением, а согласующими цепями.

Принцип работы однофазного двигателя

Теперь попробуем систематизировать то, что мы написали в предыдущей главе, чтобы принцип работы таких устройств был понятен каждому.

Поэтому, когда подается питание, в обмотках статора начинает течь ток. Движение тока создает пульсирующее магнитное поле. Почему пульсирующий, потому что ток в сетях общего пользования имеет частоту 50 Гц, то есть 50-кратное направление его движения в секунду. Соответственно, изменяются и параметры магнитного поля.
Все мы знакомы с явлением электромагнитной индукции. Короче говоря, это явление, которое генерирует электрический ток в проводнике, движущемся в магнитном поле, и нет разницы, движется ли проводник или поле.
Если в устройстве нет пусковых механизмов, то ротор останется неподвижным, потому что в нем еще нет тока, а значит и магнитного поля, а магнитные поля от тока к статору равны и тянутся в разные стороны, так сказать, как лебедь, рак и щука.
Однако если ротор толкать в любом направлении, в нем немедленно начинает накапливаться электродвижущая сила (ЭДС), которая, в свою очередь, начинает генерировать собственное магнитное поле. Взаимодействие этих полей заставляет двигатель продолжать вращаться в одном и том же направлении, даже если основное магнитное поле постоянно меняет направление.

Именно соленоид стартера, о котором мы уже упоминали, приводит ротор в движение. Точнее, это результирующее магнитное поле от основной обмотки и обмотки стартера, которое приводит его в движение.
Эта обмотка должна быть под напряжением только при запуске двигателя.

Интересная информация! В маломощных двигателях обмотка стартера закорочена.

Время включения соленоида стартера связано с кнопкой стартера – обычно ее удерживают нажатой в течение нескольких секунд, пока двигатель не начнет вращаться с нормальной скоростью.
При размыкании контакта на кнопке двигатель полностью переключается на однофазный режим работы.
Обратите внимание, что фаза запуска не рассчитана на длительную работу – время ее активности обычно составляет около 3 секунд. Если вы попытаетесь превысить это значение, обмотка перегреется, что может привести к повреждению компонентов.
Очевидно, что ручное управление запуском двигателя неэффективно и ненадежно, поэтому в современных устройствах этот процесс автоматизирован. Они оснащены тепловыми реле и центробежными выключателями.
Первый элемент контролирует нагрев обеих обмоток и отключает питание, если температура достигает критического значения.
Второй отключает питание пусковой фазы, как только ротор достигает соответствующей скорости.

Подключение двигателя

Итак, мы уже поняли, что для работы такого двигателя требуется всего одна фаза на 220 вольт, а значит, он включается в обычную розетку, что, собственно, и делает эти устройства столь популярными, несмотря на их низкий КПД и другие недостатки.

Хорошо знать! Почти все бытовые приборы оснащены такими двигателями.

Однофазные трехфазные двигатели делятся на три типа в зависимости от способа их подключения: версия с пусковой обмоткой и рабочим конденсатором.
В первом случае пусковая обмотка питается от конденсатора только во время пуска – это было объяснено в предыдущем разделе.
Во втором случае он постоянно подключен через конденсатор.
В третьем случае вместо конденсатора используется резистор.

В последнем случае можно использовать пусковой резистор, который подключается последовательно с пусковой обмоткой. Это обеспечивает сдвиг фазы на 30 градусов, что достаточно для вращения двигателя.
Дополнительная обмотка может иметь высокое сопротивление и сама по себе.
Фазовый сдвиг также может быть достигнут за счет того, что начальная фаза имеет высокое сопротивление и меньшую индуктивность.

Конденсаторный пуск имеет следующие особенности:

Вращающееся круговое магнитное поле необходимо для достижения максимального пускового момента, достаточного для запуска двигателя. Это происходит, когда обмотки смещены друг относительно друга на 90 градусов – сразу становится ясно, что ни резистор, ни дроссель не могут обеспечить такое значение. Но если правильно подобрать емкость конденсатора – ну, вы понимаете.
Конденсатор должен быть выбран соответственно потребляемому току.

Интересная информация! На нашем сайте есть очень информативная статья о том, как ведут себя конденсаторы в цепи переменного тока. Если вам интересно, обязательно посмотрите.

Кстати, если вы пытаетесь самостоятельно подключить такой двигатель к сети, но не знаете, какие клеммы относятся к какой обмотке, просто измерьте их сопротивление. Для основной обмотки он составит около 12 Ом, а для пусковой – около 30 Ом.

подключение однофазного двигателя

Однофазный

Теперь поговорим о другом типе асинхронного двигателя. Это однофазные конденсаторные машины переменного тока. Они имеют две обмотки, из которых при запуске работает только одна. Эти двигатели имеют свои специфические характеристики. Рассмотрим их на примере модели ABE-071-4C.

Их также называют асинхронными двигателями с расщепленной фазой. Они имеют дополнительную вспомогательную обмотку, намотанную на статоре, которая смещена относительно основной обмотки. Запуск осуществляется с помощью фазосдвигающего конденсатора.

Принципиальная схема однофазного асинхронного двигателя

Из диаграммы видно, что электрические машины ABE отличаются от своих трехфазных аналогов, а также от коллекторных однофазных агрегатов.

Всегда внимательно читайте то, что написано на этикетке! Наличие трех проводов абсолютно не означает, что они предназначены для подключения 380 В. Сжигайте только то, что хорошо!

Читайте далее: