Однофазные асинхронные двигатели на службе человечества

Никто глубоко не задумывался о том, как бы жили люди без такого изобретения, как электродвигатель асинхронный однофазный. Казалось бы, что такое умное слово никого не касается и витает где-то в заоблачной дали. Но этот большой помощник в быту встречается на каждом шагу.

Скажите, как можно обходиться без холодильника или пылесоса. А ведь не будь двигателя, всего этого не было бы сейчас. Предлагаем в статье узнать все подробности об этом устройстве, а дочитавшим до конца будет бонус в виде полезного справочника по асинхронным двигателям

История возникновения

Более 60 лет понадобилось многим ученым, пока однофазный асинхронный двигатель начал покорять просторы земного шара. Началось все с 1820-х годов, когда Джозеф Генри и Майкл Фарадей – открыли явления индукции и начали первые эксперименты.

В 1889-1891годах русский электротехник, поляк по происхождению, Михаил Осипович Доливо-Добровольский придумал ротор в виде “беличьей клетки”. К этому изобретению его подтолкнул доклад Феррариса «О вращающемся магнитном поле». С началом ХХ века пришло широкое внедрение электромеханических устройств.

Применение однофазных асинхронных двигателей

Известно, что однофазные двигатели уступают трехфазным по некоторым характеристикам. Однофазные моторы имеют в основном бытовое назначение:

• пылесосы;
• вентиляторы;
• электронасосы;
• холодильники;
• машины для переработки сырья.

Для того, чтобы выполнить подключение асинхронного двигателя нужна однофазная сеть переменного тока. Такие двигатели работают при напряжении 220 Вольт и частоте 50 Гц. Прилагательное «асинхронный» указывает на то, что скорость вращения якоря отстает от магнитного поля статора.
Однофазные двигатели имеют две независимых цепи, но работают они в основном на одной, отсюда и название. Основные части двигателя:

1. Статор (неподвижный элемент).
2. Ротор (вращающаяся часть).
3. Механическое соединение этих двух частей.
4. Поворотные подшипники.

Соединение состоит из внутренних колец, установленных на закрепленных втулках вала ротора, наружных колец в защитных боковых крышках, прикрепленных к статору.

Для запуска однофазного асинхронного двигателя с пусковой обмоткой установлена ​​другая катушка. Обмотка стартера установлена ​​со смещением от рабочей катушки на 900 С. Для создания сдвига тока, в цепи однофазного двигателя имеется схема сдвига фаз. Сдвиг можно получить при помощи различных элементов. Это могут быть:

1. Активное сопротивление.
2. Емкостное.
3. Индуктивное.

В видео, представленном ниже, показан принцип работы однофазных асинхронных двигателей.

Принцип действия

Обмотки статора при помощи переменного тока образуют магнитные поля. Они имеют одинаковую амплитуду и частоту, но действуют в разных направлениях, поэтому статический ротор начинает вращаться.

Если в двигателе отсутствует пусковой механизм, ротор останавливается, потому что результирующий крутящий момент равен нулю. В случае, когда ротор начинает вращаться в одном направлении, соответствующий крутящий момент становится выше, когда вал двигателя продолжает вращаться в заданном направлении.

Момент запуска

Сигналом к запуску становится магнитное поле двух обмоток, вращающее подвижную часть двигателя. Оно создается 2 обмотками: главной и пусковой. Дополнительная обмотка меньшего размера является пусковой и подключается к основной схеме включения однофазного двигателя через ёмкостное или индуктивное сопротивление.

Пусковая обмотка может работать кратковременно. Более длительное время нахождения под нагрузкой может вызвать перегревание и воспламенение изолирующих элементов, что приведет к выходу из строя.

Надежность повышается за счет встраивания в схему однофазного асинхронного двигателя таких элементов как тепловое реле и центробежный выключатель. Последний отключает пусковую фазу в тот момент, когда ротор разгоняется до номинальной скорости. Отключение происходит автоматически.

Работа реле происходит следующим образом: когда обмотки нагреваются до предельного значения, установленного на реле, механизм прерывает подачу питания на обе фазы, предотвращая отказ из-за перегрузки или по любой другой причине. Это защищает от возгорания.

Возможно, вам будет интересно также почитать все, что нужно знать о шаговых электродвигателях в другой нашей статье.

Варианты подключения

Для того, чтобы мотор заработал необходимо иметь одну 220-вольтовую фазу. Это значит, что подойдет любая стандартная розетка. Благодаря этой простоте двигатели завоевали популярность в быту. Любой прибор, начиная от стиральной машины и до соковыжималки, имеет подобные механизмы в своем составе.

Известны два типа однофазных двигателей в зависимости от способа подключения:

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

Схема подключения однофазного асинхронного двигателя с помощью конденсаторов изображена на рисунке.

Схема содержит пусковую обмотку с конденсатором. После ускорения ротора происходит выключение катушки. Рабочий конденсатор не позволяет размыкаться пусковой цепи, и запускающая обмотка работает через конденсатор в постоянном режиме.

Одновременно с рабочей обмоткой пусковая катушка снабжена током через конденсатор. При использовании в режиме пуска у катушки более высокое активное сопротивление. Фазовый сдвиг при этом имеет достаточную величину, чтобы началось вращение.

Допускается брать пусковую обмотку, с меньшей индуктивностью и большим сопротивлением. Запуск конденсатора осуществляется при подключении его к пусковой обмотке и временному источнику питания.

Чтобы достичь максимального значения пускового момента требуется вращающееся магнитное поле. Для этого нужно добиться положения обмоток под углом 900. При правильно рассчитанной емкости конденсатора обмотки могут быть смещены на 900 градусов. Расчет однофазного асинхронного двигателя зависит от схем подключения, которые приведены ниже.

Различные варианты подключения:

• временное включение электрического тока на стартовую обмотку через конденсатор;
• подача на пусковое устройство через резистор, без конденсатора;
• запуск через конденсатор на пусковую обмотку постоянно, одновременно с работой рабочей обмотки.

Расчет проводной принадлежности

Для расчета проводов, соединяющих рабочую и пусковую обмотки, понадобится омметр. Измеряется сопротивление обмоток. R рабочей обмотки должно быть ниже, чем у стартера. Например, если измерения составили 12 Ом для одной обмотки и 30 Ом для другой, то сработают обе. У рабочей обмотки поперечное сечение больше, чем у выходной.

Выбор емкости конденсатора

Чтобы определить емкость конденсатора, необходимо знать ток потребления электродвигателя. Если ток 1,4 А, то понадобится конденсатор емкостью 6 микрофарад. Также можно ориентироваться на таблицу расчета емкости конденсатора, приведенную ниже.

Проверка работоспособности

Тестирование начинается с визуального осмотра. Возможные неисправности:

1. Если опорная часть на устройстве была сломана, это может привести к неисправностям.
2. При потемнении корпуса в средней части идет перегрев. Бывает попадание в корпус различных посторонних предметов, это способствует перегреванию. При износе и загрязнении подшипников возможен перегрев.
3. Когда однофазный электродвигатель на 220 вольт имеет в схеме подключения конденсатор увеличенного размера, он начинает перегреваться.

Запустить двигатель минут на пятнадцать, а затем проверить, не прогрелся ли он. Если двигатель не греется, причиной являлась увеличенная емкость конденсатора. Необходимо установить конденсатор, имеющий меньшую емкость.

Для лучшего понимания механизма работы двигателей, рекомендуем также подробнее прочитать, что такое трехфазный двигатель и как он работает.

Достоинства и недостатки

Основными плюсами являются:

• простота конструкции;
• повсеместная доступность однофазных сетей переменного тока 220 В при частоте 50 Гц (практически во всех районах).

К минусам можно отнести следующие обстоятельства:

• невысокий пусковой момент двигателя;
• низкая эффективность.

Заключение

Маломощные однофазные электродвигатели выпускаются в разной модификации и для разного назначения. Перед приобретением необходимо точно знать некоторые характеристики. Подробно с устройством данного типа двигателей можно ознакомиться, скачав книгу Алиева И. И. Асинхронные двигатели в трехфазном и однофазном режимах.

Российские производители предлагают некоторые серии устройств, имеющие мощность от 18 до 600 Вт, частоту вращения 3000 и 1500 об/мин. Все они предназначены для подключения в сеть с напряжением 127, 220 или 380 Вольт и частотой 50 Гц.

Однофазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором с рабочим напряжением 220 вольт — устройство и принцип работы

Потребляемая мощность электроприборов в быту обычно невелика. А значит применение трехфазных потребителей становится излишним. Электроприборы в домах, квартирах и офисах применяются однофазные. Потому в быту для питания электроприборов наиболее часто используется однофазная электросеть напряжением 220-240 вольт. Разумеется, что в бытовых электроприборах применяются однофазные электродвигатели с рабочим напряжением 220 вольт. Очень часто таким двигателем является однофазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Устройство асинхронного однофазного электродвигателя

Как и любой другой электрический двигатель, асинхронный однофазный двигатель состоит из двух основных частей. А именно, из ротора и статора. Статор является неподвижной частью асинхронного двигателя . Именно на контактные выводы обмотки статора подаётся питание однофазным переменным током с напряжением 220 вольт. А ротор — это подвижная (вращающаяся) часть асинхронного двигателя. Через ротор, посредством вала, двигатель соединяется с какой-нибудь механической нагрузкой. Как ротор, так и статор электродвигателя, оба состоят из стального сердечника и обмотки. Однофазный асинхронный электродвигатель по конструкции похож на трехфазный асинхронный двигатель. Основное отличие заключается в устройстве обмотки статора двигателя.

Короткозамкнутый ротор асинхронного однофазного электродвигателя

В подавляющем большинстве случаев, бытовые асинхронные однофазные электродвигатели имеют короткозамкнутый ротор. Короткозамкнутый ротор обычно изготавливают нижеописанным способом.

Сердечник ротора спрессовывают из множества круглых листов электротехнической стали. Каждый стальной лист изолируют друг от друга слоем лака. Такой способ изготовления сердечника применяется для уменьшения потерь электроэнергии. Если бы сердечники изготавливались из единого куска стали, то были бы большие потери на образование вихревых токов. То есть, электродвигатель потреблял бы больше электроэнергии, чем ему практически нужно для выполнения работы. А также ротор перегревался бы даже при небольших нагрузках. Однако, все же существует разновидность асинхронных двигателей с массивным ротором.

В итоге, получается конструкция цилиндрической формы с выполненными в ней пазами. Пазы параллельны друг другу. Однако, они не параллельны оси самого ротора. Чаще всего они имеют некоторый перекос направления относительно этой оси. Этот перекос уменьшает высшие гармонические ЭДС, вызванные пульсациями магнитного потока. Такие пульсации происходят из-за того, что магнитное сопротивление зубцов статора и ротора, образованных благодаря пазам, намного ниже магнитного сопротивления обмотки, которая находится в пазах.

То есть, часть ротора, на которой находится обмотка, имеет неоднородную структуру по своей окружности. Сначала сталь, потом алюминий, затем опять сталь и так далее. Потому и магнитное сопротивление на разных участках этой окружности очень отличается. А отсюда пульсации магнитного потока. А скосы позволяют свести к минимуму различие магнитных сопротивлений. И соответственно уменьшатся пульсации. Проще говоря, благодаря такому направлению пазов, работа асинхронного двигателя становится более плавной и менее шумной. К примеру, работа электродвигателя с ротором, у которого нет такого скоса у пазов для обмотки, будет сопровождаться сильным гудением или свистом.

В пазах находятся стержни из сплава алюминия. При изготовлении ротора алюминий впрессовывается или заливается в пазы. С двух сторон цилиндра ротора стержни соединяются (замыкаются) алюминиевыми кольцами. На кольцах могут располагаться лопасти для охлаждения электродвигателя. Алюминиевые стержни и кольца представляют собой обмотку ротора. Такой вид обмотки обычно называется — «беличья клетка». Однако, по форме она скорее напоминает колесо, в котором бегают белки для соблюдения моциона. Обмотка типа «беличья клетка» может иметь некоторые разновидности в своем устройстве.

Статор асинхронного однофазного электродвигателя

Сердечник статора также набран из отдельных стальных листов. По той же причине, что и сердечник ротора. И также на сердечнике статора имеются пазы. В пазах расположена обмотка статора. Но в отличии от обмотки ротора, эта обмотка намотана в пазах медной обмоточной проволокой. Питание переменным током напряжением 220 вольт подключают к обмотке статора. А то, каким образом подключают питание, зависит от особенностей принципа работы однофазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.

Принцип работы асинхронного однофазного двигателя

У однофазного асинхронного электродвигателя на статоре обычно находятся две обмотки. Потому как одной обмотки для работы подобного электродвигателя не достаточно. Переменный ток, протекающий по одной обмотке, создает не вращающийся, а пульсирующий магнитный поток. Для удобства объяснения происходящего принято считать этот пульсирующий поток за два вращающихся в противоположные стороны магнитных потока (Φпр и Φобр).

Считается, что благодаря электромагнитной индукции два этих магнитных потока наводят в обмотке ротора две противоположные ЭДС. А эти электродвижущие силы образуют в обмотке ротора два противоположно протекающих тока. То есть, ток прямой и ток обратный (Iпр и Iобр ). Также считается, что каждый из магнитных потоков обуславливает для ротора вращающий электромагнитный момент (Mпр и Mобр). Принято считать, что оба эти вращающих момента равны (Mпр = Mобр). Потому пусковой момент для ротора однофазного асинхронного двигателя равен нулю. Иначе говоря, такой электродвигатель не может самостоятельно запуститься при подаче на рабочую обмотку статора питания.

Чтобы асинхронный однофазный двигатель запустился, нужно во время пуска создать в нем вращающееся магнитное поле. А ведь в электродвигателе уже существует два противоположно вращающихся магнитных поля. То есть, задача состоит в том, чтобы подавить одно из вращающихся магнитных полей. И тогда останется всего один вращающийся магнитный поток. И мы придадим первоначальное вращение ротору. Для этого используется вторая, вспомогательная обмотка и фазосмещающий элемент.

Считается, что вспомогательная обмотка также производит два противоположно вращающихся магнитных поля. Причем, вспомогательная обмотка расположена в стартере особым образом. Ее расположение позволяет взаимно подавлять по одному из магнитных потоков главной и вспомогательной обмотки, вращающихся в одном направлении. А два других потока при этом, наоборот, взаимно усиливают друг друга.

А также, токи в обмотке статора должны быть сдвинуты по фазе относительно друг друга. Для этого и применяется какой-либо фазосмещающий элемент. К примеру, индуктивное сопротивление , активное сопротивление или ёмкость. Чаще всего используется конденсатор.

В результате, на статоре остается только один магнитный поток, который вращается в одну сторону. Этот магнитный поток пронизывает обмотку ротора и индуктирует в ней ЭДС. Электродвижущая сила образует в обмотке ротора протекание электрического тока. Этот электрический ток , в свою очередь, вызывает образования магнитного потока ротора. Другими словами, появляются два магнитных поля неподвижные относительно друг друга. И это, согласно третьему закону электромеханики, приводит к электромеханическому преобразованию. Взаимосвязь потоков придает пусковой момент ротору. То есть, при подаче питания произойдет самостоятельный запуск электродвигателя.

Вспомогательная обмотка располагается перпендикулярно рабочей. То есть, осуществляется сдвиг фазы тока в обмотках на четверть периода. Благодаря такому расположению обмоток и такому сдвигу фаз происходит самостоятельный запуск электродвигателя. (Такого эффекта в трехфазном двигателе добиваются, располагая три обмотки под углом 120°. И там это приводит к сдвигу фаз электрического тока на треть периода.)

При разгоне ротора до определенной скорости, вспомогательную обмотку можно отключить. Ротор все равно продолжит вращаться. Осуществление отключения вспомогательной обмотки обычно проводится центробежным выключателем. То есть, во время пуска двигатель является двухфазным, а затем становится однофазным.

Для того, чтобы получить нужный вращающийся магнитный поток с помощью вспомогательной обмотки, нужно соблюдать два условия:

• Во-первых, магнитодвижущие силы обоих обмоток должны быть равны и сдвинуты относительно друг друга электрически на 90°.
• Во-вторых, токи в обмотке статора должны быть сдвинуты по фазе относительно друг друга на 90°. То есть, необходим сдвиг фазы тока в обмотках на четверть периода.

Если выполнять эти условия, то вращающееся поле статора будет круговым. Это обеспечивает наибольший вращающий момент. При нарушении условий вращающееся поле становится эллиптическим. Такое поле ухудшает пуск электродвигателя и создает для ротора тормозной момент.

Если бы не было вспомогательной обмотки, пришлось бы каждый раз электродвигатель запускать вручную. То есть, нужно было бы придавать ему первоначальное вращение. Причем, в какую сторону это вращение бы было придано, в ту сторону и вращался бы ротор. После вращательного толчка он вращался бы самостоятельно, до отключения его от питания.

В асинхронном электродвигателе скорость вращения ротора всегда меньше чем скорость вращения магнитного поля статора. Иначе говоря, магнитное поле статора и ротор вращаются не одновременно и не синхронно. Их вращение не совпадает по времени. Из-за этой особенности подобные двигатели и названы асинхронными.

Однофазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором надежны, потому как просты в конструкции. Они дешевы по стоимости изготовления по сравнению с другими видами электродвигателей. А также, удобны для ремонта и обслуживания. Благодаря всем этим преимуществам, однофазный асинхронный электродвигатель находит свое применение во многих бытовых электроприборах.

Конечно, они имеют свои недостатки. Например, при тех же размерах однофазные асинхронные двигатели развивают мощность составляющую максимум 50% от мощности трехфазных асинхронных двигателей. Но для бытовых условий данный недостаток несущественен. Потому как большие мощности в домашних условиях и не нужны. Обычно подобные электродвигатели изготавливают мощностью до 1 киловатта.

Для вашего удобства подборка публикаций