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.

Двигатель однофазный переменного тока – принцип работы и устройство агрегата

Любой электрический двигатель – это устройство, способное преобразовывать электрическую энергию в кинетическую, то есть энергию вращения, которая по цепям передается на ведомые устройства. Применяются электрические двигатели сегодня практически везде. Эти устройства, которые практически не изменились за последние 150 лет, можно встретить даже в зубных щетках.

Сегодня мы поговорим с вами про электродвигатели переменного тока однофазные, узнаем, как они устроены и за счет каких сил приводятся в движение.

Основная информация

Итак, особенностью однофазного двигателя является то, что он способен запитываться от стандартной электрической сети с частотой 50 Гц и напряжением 220 В.

• Ставят такие электромоторы в основном в устройствах небольшой мощности, так как по эффективности они существенно уступают двухфазным и трехфазным аналогам.
• Мощность данных агрегатов варьируется от 5 Вт до 10 кВт.
• Однофазная схема подключения двигателя существенно влияет на его КПД, который приблизительно равен 70% от показателей такого же по мощности двигателя, но трехфазного. Также у них меньше пусковой момент, а перегрузочная способность выше.

• На самом деле, если разобрать строение такого двигателя, то он будет иметь 2 фазы, но так как задействуется, фактически, лишь одна из них, то и называют его однофазным.
• Строение мотор имеет самое что ни наесть классическое – подвижная часть (ротор или якорь) и неподвижная часть (статор).
• Вращение подвижных частей двигателя происходит за счет взаимодействия магнитных полей – подробнее об этом чуть дальше.
• Несомненным плюсом такого мотора можно считать простую и надежную конструкцию с короткозамкнутым ротором.
• А главным минусом можно посчитать неспособность самостоятельно выработать магнитное поле, что не позволяет ему самостоятельно запускаться при подключении к сети питания.
• Считается, что для того чтобы ротор пришел в движение требуется минимум 2 обмотки, а также смещение одной относительно второй на определенный градус.

• Если сопоставить все эти моменты, то можно понять следующее.
• На статоре однофазного электромотора располагается пусковая обмотка, которая смещена по отношению к рабочей, основной обмотке на 90 градусов.
• В цепь, питающую обмотку, включаю фазосдвигающее устройство – конденсаторы, катушки индуктивности, резисторы активного типа.
• То есть, фактически мы говорим про те же моторы двух- и трехфазного типа, только сдвиг фазы достигается не за счет подключения, а за счет схем согласования.

Принцип действия однофазного двигателя

Теперь давайте попробуем систематизировать то, что мы понаписали в предыдущей главе, чтобы принцип работы таких устройств стал понятен каждому.

• Итак, при подключении питания, ток начинает бежать по обмоткам статора. Движение тока порождаем пульсирующее магнитное поле. Почему пульсирующее, да потому что ток в общественных сетях имеет частоту в 50 Гц, то есть за секунду 50 раз меняет направление своего движения. Соответственно меняются и параметры магнитного поля
• Мы все знаем про такое явление, как электромагнитная индукция. Если кто-то не знает, то бегом читать – вкратце, это явление порождает электрический ток в проводнике, который перемещается поперек магнитного поля, причем нет никакой разницы, что будет двигаться – проводник или поле.
• Если устройство не будет иметь пусковых механизмов, то ротор останется неподвижным, так как в нем до сих пор нет тока, а значит и магнитного поля, а магнитные поля от тока в статора равнозначны, и тянут, так сказать, в разных направлениях, как лебедь, рак и щука.
• Но если ротору дать толчок в любую из сторон, в нем моментально начнет расти электродвижущая сила (ЭДС), которая начнет генерировать свое магнитное поле. В результате взаимодействия этих полей двигатель продолжит вращаться в туже сторону, несмотря на то, что основное магнитное поле постоянно меняет свое направление.

• Заставляет сдвинуться с места ротор пусковая обмотка, которую мы уже упоминали. Точнее делает это результирующее магнитное поле от основной и пусковой обмоток.
• Эта обмотка требует включения только при пуске мотора.

Интересно знать! В маломощных моторах пусковая обмотка является короткозамкнутой.

• Момент включения пусковой обмотки связан с пусковой кнопкой – обычно ее необходимо удерживать на протяжении нескольких секунд, пока двигатель не начнет вращаться с нормальной скоростью.
• Когда контакт на кнопке размыкается, двигатель переходит полностью в однофазный режим.
• Важно помнить, что пусковая фаза не предназначается для долгой работы – обычно время ее активного состояния составляет около 3 секунд. Если попытаться превысить данное значение обмотка начнет перегреваться, что может привести к выходу элемента из строя.
• Становится понятным, что ручной контроль за пуском двигателя неэффективен и малонадежен, поэтому данный процесс в современных устройствах автоматизирован. В них устанавливаются тепловые реле и центробежные выключатели.
• Первый элемент контролирует нагрев обеих обмоток и отключает питание, если температура достигает критического значения.
• Второй отключает питание пусковой фазы, как только ротор разгонится до нужных оборотов.

Подключение двигателя

Итак, мы уже поняли, что для работы такому мотору требуется всего одна фаза на 220 В, то есть включается он в обыкновенную розетку, что, собственно, и делает эти устройства такими популярными несмотря на низкий КПД и прочие недостатки.

Интересно знать! Практически все бытовые приборы оборудованы именно такими двигателями.

• Однофазные двигатели переменного тока по подключению делят на три типа: вариант с пусковой обмоткой и рабочим конденсатором.
• В первом пусковая обмотка запитана через конденсатор только во время старта – собственно, его мы описали в предыдущей главе.
• Во втором она подключена через конденсатор постоянно.
• В третьем вместо конденсатора используется сопротивление.

• Для последнего типа подключения может использоваться пусковой резистор, который подключается к пусковой обмотке последовательно. За счет этого удается получить сдвиг фаз на 30 градусов, чего вполне хватает для раскрутки двигателя.
• Также дополнительная обмотка может сама по себе иметь высокое активное сопротивление.
• Сдвиг фаз также может быть получен за счет того, что пусковая фаза будет иметь высокое сопротивление и меньшую индуктивность.

Конденсаторный пуск имеет следующие особенности:

• Чтобы достигнуть максимального значения пускового момента, достаточного для старта двигателя, нужно вращающееся круговое магнитное поле. Таковое возникает, когда обмотки сдвинуты относительно друг друга на 90 градусов – сразу становится понятно, что ни резистор, ни дроссель не смогут задать такое значение. А вот если правильно подобрать емкость конденсатора – ну вы поняли…
• Конденсатор необходимо подбирать по потребляемому току.

Интересно знать! На нашем сайте есть очень познавательная статья про то, как конденсаторы ведут себя в цепи переменного тока. Если интересно, обязательно ознакомьтесь.

Кстати, если вы пытаетесь самостоятельно подключить такой двигатель в сеть, но не знаете, какие выводы к какой обмотке относятся, просто замерьте их сопротивление. Для основной оно составит где-то 12 Ом, а для пусковой – 30.

Строение асинхронного однофазного двигателя

Итак, мы вами в первой части статьи разобрали общие понятия об однофазных двигателях, принципе их работы и подключении. Такой информации хватило бы для поверхностного изучения, но нас такой подход не совсем устраивает. Для любителей технических подробностей, давайте разберем теперь все детальнее.

Асинхронный двигатель

Электрические моторы бывают синхронными и асинхронными. Разница между ними состоит в том, что в синхронном, скорость вращения якоря совпадает с вращением магнитного поля, а в асинхронном ротор несколько отстает.

• Последний вариант является самым распространенным, так как имеет более простую конструкцию и очень надежен. Синхронные применяются лишь в тех сферах, где очень важен контроль за оборотами двигателя.
• Вы уже, наверное, обратили внимание на то, что словом фаза называются разные понятия – и количество питающих проводов, и обмотки на статоре и сдвиг по углам. И мы даже сказали, что однофазные двигатели, фактически имеют две фазы, но называются они таковыми именно по количеству питающих проводов.
• Мы также писали, что мотор имеет подвижную и неподвижную части. Давайте разберем их строение подробнее.

• Ротор агрегата представляет собой вал, который держится в корпусе двигателя при помощи подшипников вращения. За счет них же он свободно крутится вокруг своей оси. Строение этого элемента будет отличаться в зависимости от того является двигатель коллекторным или бесколлекторным. Давайте начнем со второго.
• На валу бесколлекторного фазного ротора закреплен магнитопровод, который набирается из шихтованных стальных пластин.
• Снаружи магнитопровода имеются пазы, в которых находятся стержни обмоток – обычно из меди.

• С концов стержни соединяются с кольцами, которые накоротко их замыкают – их называют замыкающими кольцами.

• Внутри данной обмотки будет течь ток, который индуктируется магнитным полем статора – никаких внешних подключений он не имеет.
• Магнитопровод служит для лучшего прохождения магнитного поля, которое создается в роторе.
• Для таких устройств характерна высокая надежность, так как они не имеют трущихся деталей. Управление скоростью вращения двигателя осуществляется только за счет тока на основной обмотке статора.
• Коллекторный двигатель переменного тока однофазный по своему строению мало чем отличается от ротора двигателя постоянного тока. Собственно, такие двигатели являются универсальными и могут запитываться как переменным, так и постоянным током.
• Фазы ротора подключаются к питающей сети через коллектор, который контактирует со щетками, которые в свою очередь уже соединяются с питающей цепью.
• Строение таких двигателей более сложное, также их надежность будет ниже, но они являются более гибкими в управлении.

• Статор является пассивной частью электромотора – он неподвижен и состоит из магнитопровода и обмотки.
• Назначение этого элемента – генерирование неподвижного или вращающегося магнитного поля.
• У однофазного двигателя от статора будет отходить четыре вывода – два для рабочей обмотки и два для пусковой. Как их отличить мы уже писали.

Помимо этих элементов двигатели имеют следующие составляющие:

• Станина и корпус устройства, которые удерживают в себе все рабочие части и позволяют закрепить устройство на поверхности;
• Внешняя электрическая цепь – кнопка включения, устройство регулировки оборотов, провода и устройства для шунтирования дополнительной обмотки;
• Крыльчатка – активное охлаждение двигателя, располагается также на валу;
• Подшипники вращения.

Что происходит в обмотках при включении

Чтобы лучше понять принцип взаимодействия магнитных полей, давайте представим, что у нашего двигателя обмотка имеет всего один виток. Провод при этом уложен в магнитопроводе так, что его части разведены на 180 градусов, то есть уложены друг напротив друга.

• Подключаем питание, и по нашему проводу начинает течь синусоидальный или переменный ток.

• Период синусоидального тока состоит из двух полупериодов, при которых ток двигается в разных направлениях. Именно это изображено на схеме выше.
• Как вы можете видеть, изначально значение тока равно нулю, затем он растет, достигая пика, после чего падает до нулевой отметки и опять возрастает, но уже в другом направлении.
• Давайте представим, что ток и магнитное поле от него замерли в какой-то точке. Представьте, что смотрите на виток сбоку – он будет похож на букву «С».
• Ток протекает в верхней горизонтальной части обмотки влево, соответственно, в нижней – вправо. При этом ток одинаков и получается так, что создаваемое им магнитное поле противодействует друг другу. Почему ротор и находится в неподвижном состоянии.
• Итак, ток течет, меняется его величина и направление, как и у магнитного поля, но они всегда остаются в противовесном состоянии, поэтому ротор так и продолжает стоять.

Как же создается сила, заставляющая ротор вращаться?

• Как вариант можно толкнуть его рукой и этого будет достаточно, чтобы совершить пуск, но мы же говорим про техническое решение вопроса!
• Ну ладно, мы уже знаем, что нам потребуется еще одна обмотка.
• Обмотка сделана из более толстого провода, чтобы она смогла пропустить большие токи. Фаза тока в этой обмотке отстает от основной на 90 градусов, то есть когда ток в основной обмотке уже опустился до нуля, здесь он буден на пике (отстает на четверть периода). В итоге разница магнитных полей придает ротору первый вращающий импульс. Направление вращения зависит от полярности подключения концов пусковой обмотки.
• Как только ротор начинает вращаться, в нем создается ЭДС.
• Направление тока в стержнях будет противоположно направленным, так как на них воздействуют разные магнитные поля.
• За счет возникновения вращающего момента двигатель моментально подхватит направление вращения и начнет раскручивать ротор до достижения им максимальных оборотов. Но почему не происходит торможения, когда ток в статоре меняет свое направление на обратное?
• Дело в том, что, по сути ничего не меняется. Просто подталкивающая вращение сила будет переходить с верхней части обмотки на нижнюю и обратно. А так как двигатель уже получил смещение в одну из сторон, а противодействующая сила может лишь уравновесить, то коэффициент ускорения будет несколько сильнее торможения.

То есть, в роторе будут наводиться токи с разной частотой, которые будут создавать моменты сил с разными направлениями, именно поэтому якорь продолжит вращаться в том же направлении.

На этом закончим наш материал. Мы узнали, как устроены электродвигатели переменного тока однофазные, если тема вам интересно, то посмотрите следующее увлекательное видео.