Устройство однофазных электродвигателей: Двигатель Однофазный Переменного Тока: Принцип Работы

Содержание

Двигатель Однофазный Переменного Тока: Принцип Работы

Простое и крайне надежное устройство

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

Синхронный однофазный двигатель переменного тока работает от общественной сети

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.

Электрический двигатель в разрезе

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.

Асинхронный двигатель переменного тока

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

Однофазный синхронный двигатель переменного тока

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

Как работает асинхронный электродвигатель однофазный

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.

Однофазный коллекторный электродвигатель переменного тока – принцип работы

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

Как подключается коллекторный однофазный электродвигатель переменного тока

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.

Различные варианты подключения

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.

Коллекторный однофазный двигатель переменного тока от стиральной машины

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.

Конденсатор и переменный ток

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

Однофазный коллекторный двигатель переменного тока

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.

Коллекторные электродвигатели переменного тока однофазные

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.

Двигатель с ротором фазного типа

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

Строение фазного ротора

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.

На фото – статор электродвигателя

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.

Полный период синусоидального тока

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?

Инструкция по работе однофазного двигателя переменного тока

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.

Однофазный асинхронный электродвигатель

Дмитрий Левкин

Однофазный асинхронный электродвигатель — это асинхронный электродвигатель, который работает от электрической сети однофазного переменного тока без использования частотного преобразователя и который в основном режиме работы (после пуска) использует только одну обмотку (фазу) статора.

Конструкция однофазного двигателя с вспомогательной или пусковой обмоткой

Основными компонентами любого электродвигателя являются ротор и статор. Ротор — вращающаяся часть электродвигателя, статор — неподвижная часть электродвигателя, с помощью которого создается магнитное поле для вращения ротора.

Основные части однофазного двигателя: ротор и статор

Статор имеет две обмотки, расположенные под углом 90° относительно друг друга. Основная обмотка называется главной (рабочей) и обычно занимает 2/3 пазов сердечника статора, другая обмотка называется вспомогательной (пусковой) и обычно занимает 1/3 пазов статора.

Двигатель фактически является двухфазным, но так как рабочей является только одна обмотка, электродвигатель называют однофазным.

Ротор обычно представляет из себя короткозамкнутую обмотку, также из-за схожести называемой «беличьей клеткой». Медные или алюминиевые стержни которого с торцов замкнуты кольцами, а пространство между стержнями чаще всего заливается сплавом алюминия. Так же ротор однофазного двигателя может быть выполнен в виде полого немагнитного или полого ферромагнитного цилиндра.

Однофазный двигатель с вспомогательной обмоткой имеет 2 обмотки расположенные перпендикулярно относительно друг друга

Принцип работы однофазного асинхронного двигателя

Для того чтобы лучше понять работу однофазного асинхронного двигателя, давайте рассмотрим его только с одним витком в главной и вспомогательной обмотки.

Проанализируем случай с двумя обмотками имеющими по оному витку

Рассмотрим случай когда в вспомогательной обмотки не течет ток. При включении главной обмотки статора в сеть, переменный ток, проходя по обмотке, создает пульсирующее магнитное поле, неподвижное в пространстве, но изменяющееся от +Ф_mах до -Ф_mах.

Запустить

Остановить

Пульсирующее магнитное поле

Если поместить ротор, имеющий начальное вращение, в пульсирующее магнитное поле, то он будет продолжать вращаться в том же направлении.

Чтобы понять принцип действия однофазного асинхронного двигателя разложим пульсирующее магнитное поле на два одинаковых круговых поля, имеющих амплитуду равную Ф_mах/2 и вращающихся в противоположные стороны с одинаковой частотой:

где n_пр – частота вращения магнитного поля в прямом направлении, об/мин,

n_обр – частота вращения магнитного поля в обратном направлении, об/мин,

f₁ – частота тока статора, Гц,

p – количество пар полюсов,

n₁ – скорость вращения магнитного потока, об/мин

Запустить

Остановить

Разложение пульсирующего магнитного потока на два вращающихся

Действие пульсирующего поля на вращающийся ротор

Рассмотрим случай когда ротор, находящийся в пульсирующем магнитном потоке, имеет начальное вращение. Например, мы вручную раскрутили вал однофазного двигателя, одна обмотка которого подключена к сети переменного тока. В этом случае при определенных условиях двигатель будет продолжать развивать вращающий момент, так как скольжение его ротора относительно прямого и обратного магнитного потока будет неодинаковым.

Будем считать, что прямой магнитный поток Ф_пр, вращается в направлении вращения ротора, а обратный магнитный поток Ф_обр — в противоположном направлении. Так как, частота вращения ротора n₂ меньше частоты вращения магнитного потока n₁, скольжение ротора относительно потока Ф_пр будет:

где s_пр – скольжение ротора относительно прямого магнитного потока,

n₂ – частота вращения ротора, об/мин,

s – скольжение асинхронного двигателя

Прямой и обратный вращающиеся магнитные потоки вместо пульсирующего магнитного потока

Магнитный поток Ф_обр вращается встречно ротору, частота вращения ротора n₂ относительно этого потока отрицательна, а скольжение ротора относительно Ф_обр

где s_обр – скольжение ротора относительно обратного магнитного потока

Запустить

Остановить

Вращающееся магнитное поле пронизывающее ротор

Ток индуцируемый в роторе переменным магнитным полем

Согласно закону электромагнитной индукции прямой Ф_пр и обратный Ф_обр магнитные потоки, создаваемые обмоткой статора, наводят в обмотке ротора ЭДС, которые соответственно создают в короткозамкнутом роторе токи I_2пр и I_2обр. При этом частота тока в роторе пропорциональна скольжению, следовательно:

где f_2пр – частота тока I_2пр наводимого прямым магнитным потоком, Гц

где f_2обр – частота тока I_2обр наводимого обратным магнитным потоком, Гц

Таким образом, при вращающемся роторе, электрический ток I_2обр, наводимый обратным магнитным полем в обмотке ротора, имеет частоту f_2обр, намного превышающую частоту f_2пр тока ротора I_2пр, наведенного прямым полем.

Пример: для однофазного асинхронного двигателя, работающего от сети с частотой f₁ = 50 Гц при n₁ = 1500 и n₂ = 1440 об/мин,

скольжение ротора относительно прямого магнитного потока s_пр = 0,04;
частота тока наводимого прямым магнитным потоком f_2пр = 2 Гц;
скольжение ротора относительно обратного магнитного потока s_обр = 1,96;
частота тока наводимого обратным магнитным потоком f_2обр = 98 Гц

Согласно закону Ампера, в результате взаимодействия электрического тока I_2пр с магнитным полем Ф_пр возникает вращающий момент

Мпр= ,

где M_пр – магнитный момент создаваемый прямым магнитным потоком, Н∙м,

с_M — постоянный коэффициент, определяемый конструкцией двигателя

Электрический ток I_2обр, взаимодействуя с магнитным полем Ф_обр, создает тормозящий момент М_обр, направленный против вращения ротора, то есть встречно моменту М_пр:

где M_обр – магнитный момент создаваемый обратным магнитным потоком, Н∙м

Результирующий вращающий момент, действующий на ротор однофазного асинхронного двигателя,

Справка: В следствие того, что во вращающемся роторе прямым и обратным магнитным полем будет наводиться ток разной частоты, моменты сил действующие на ротор в разных направлениях будут не равны. Поэтому ротор будет продолжать вращаться в пульсирующем магнитном поле в том направлении в котором он имел начальное вращение.

Тормозящее действие обратного поля

При работе однофазного двигателя в пределах номинальной нагрузки, то есть при небольших значениях скольжения s = s_пр, крутящий момент создается в основном за счет момента М_пр. Тормозящее действие момента обратного поля М_обр — незначительно. Это связано с тем, что частота f_2обр много больше частоты f_2пр, следовательно, индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора х_2обр = x₂s_обр току I_2обр намного больше его активного сопротивления. Поэтому ток I_2обр, имеющий большую индуктивную составляющую, оказывает сильное размагничивающее действие на обратный магнитный поток Ф_обр, значительно ослабляя его.

где r₂ — активное сопротивление стержней ротора, Ом,

x_2обр — реактивное сопротивление стержней ротора, Ом.

Если учесть, что коэффициент мощности невелик, то станет, ясно, почему М_обр в режиме нагрузки двигателя не оказывает значительного тормозящего действия на ротор однофазного двигателя.

С помощью одной фазы нельзя запустить ротор

Ротор имеющий начальное вращение будет продолжать вращаться в поле создаваемом однофазным статором

Действие пульсирующего поля на неподвижный ротор

При неподвижном роторе (n₂ = 0) скольжение s_пр = s_обр = 1 и М_пр = М_обр, поэтому начальный пусковой момент однофазного асинхронного двигателя М_п = 0. Для создания пускового момента необходимо привести ротор во вращение в ту или иную сторону. Тогда s ≠ 1, нарушается равенство моментов М_пр и М_обр и результирующий электромагнитный момент приобретает некоторое значение .

Пуск однофазного двигателя. Как создать начальное вращение?

Одним из способов создания пускового момента в однофазном асинхронном двигателе, является расположение вспомогательной (пусковой) обмотки B, смещенной в пространстве относительно главной (рабочей) обмотки A на угол 90 электрических градусов. Чтобы обмотки статора создавали вращающееся магнитное поле токи I_A и I_B в обмотках должны быть сдвинуты по фазе относительно друг друга. Для получения фазового сдвига между токами I_A и I_B в цепь вспомогательной (пусковой) обмотки В включают фазосмещающий элемент, в качестве которого используют активное сопротивление (резистор), индуктивность (дроссель) или емкость (конденсатор) [1].

После того как ротор двигателя разгонится до частоты вращения, близкой к установившейся, пусковую обмотку В отключают. Отключение вспомогательной обмотки происходит либо автоматически с помощью центробежного выключателя, реле времени, токового или дифференциального реле, или же вручную с помощью кнопки.

Таким образом, во время пуска двигатель работает как двухфазный, а по окончании пуска — как однофазный.

Подключение однофазного двигателя

С пусковым сопротивлением

Двигатель с расщепленной фазой — однофазный асинхронный двигатель, имеющий на статоре вспомогательную первичную обмотку, смещенную относительно основной, и короткозамкнутый ротор [2].

Однофазный асинхронный двигатель с пусковым сопротивлением — двигатель с расщепленной фазой, у которого цепь вспомогательной обмотки отличается повышенным активным сопротивлением.

Омический сдвиг фаз, биффилярный способ намотки пусковой обмотки

Разное сопротивление и индуктивность обмоток

Для запуска однофазного двигателя можно использовать пусковой резистор, который последовательно подключается к пусковой обмотки. В этом случае можно добиться сдвига фаз в 30° между токами главной и вспомогательной обмотки, которого вполне достаточно для пуска двигателя. В двигателе с пусковым сопротивлением разность фаз объясняется разным комплексным сопротивлением цепей.

Также сдвиг фаз можно создать за счет использования пусковой обмотки с меньшей индуктивностью и более высоким сопротивлением. Для этого пусковая обмотка делается с меньшим количеством витков и с использованием более тонкого провода чем в главной обмотке.

Отечественной промышленностью изготавливается серия однофазных асинхронных электродвигателей с активным сопротивлением в качестве фазосдвигающего элемента серии АОЛБ мощностью от 18 до 600 Вт при синхронной частоте вращения 3000 и 1500 об/мин, предназначенных для включения в сеть напряжением 127, 220 или 380 В, частотой 50 Гц.

С конденсаторным пуском

Двигатель с конденсаторным пуском — двигатель с расщепленной фазой, у которого цепь вспомогательной обмотки с конденсатором включается только на время пуска.

Ёмкостной сдвиг фаз с пусковым конденсатором

Чтобы достичь максимального пускового момента требуется создать круговое вращающееся магнитное поле, для этого требуется чтобы токи в главной и вспомогательной обмотках были сдвинуты друг относительно друга на 90°. Использование в качестве фазосдвигающего элемента резистора или дросселя не позволяет обеспечить требуемый сдвиг фаз. Лишь включение конденсатора определенной емкости позволяет обеспечить фазовый сдвиг 90°.

Среди фазосдвигающих элементов, только конденсатор позволяет добиться наилучших пусковых свойств однофазного асинхронного электродвигателя.

Двигатели в цепь которых постоянно включен конденсатор используют для работы две фазы и называются — конденсаторными. Принцип действия этих двигателей основан на использовании вращающегося магнитного поля.

Двигатель с экранированными полюсами — двигатель с расщепленной фазой, у которого вспомогательная обмотка короткозамкнута.

Статор однофазного асинхронного двигателя с экранированными полюсами обычно имеет явно выраженные полюса. На явно выраженных полюсах статора намотаны катушки однофазной обмотки возбуждения. Каждый полюс статора разделен на две неравные части аксиальным пазом. Меньшую часть полюса охватывает короткозамкнутый виток. Ротор однофазного двигателя с экранированными полюсами — короткозамкнутый в виде «беличьей» клетки.

При включении однофазной обмотки статора в сеть в магнитопроводе двигателя создается пульсирующий магнитный поток. Одна часть которого проходит по неэкранированной Ф’, а другая Ф» — по экранированной части полюса. Поток Ф» наводит в короткозамкнутом витке ЭДС E_k, в результате чего возникает ток I_k отстающий от E_k по фазе из-за индуктивности витка. Ток I_k создает магнитный поток Ф_k, направленный встречно Ф», создавая результирующий поток в экранированной части полюса Ф_э=Ф»+Ф_k. Таким образом, в двигателе потоки экранированной и неэкранированной частей полюса сдвинуты во времени на некоторый угол.

Пространственный и временной углы сдвига между потоками Ф_э и Ф’ создают условия для возникновения в двигателе вращающегося эллиптического магнитного поля, так как Ф_э ≠ Ф’.

Пусковые и рабочие свойства рассматриваемого двигателя невысоки. КПД намного ниже, чем у конденсаторных двигателей такой же мощности, что связано со значительными электрическими потерями в короткозамкнутом витке.

Статор такого однофазного двигателя выполняется с ярко выраженными полюсами на не симметричном шихтованном сердечнике. Ротор — короткозамкнутый типа «беличья клетка».

Данный электродвигатель для работы не требует использования фазосдвигающих элементов. Недостатком данного двигателя является низкий КПД.

Однофазный асинхронный двигатель: 6 схем работы

Изготовление самодельных станков и механизмов требует наличия источника крутящего момента, способного развивать высокую механическую мощность на валу привода при питании от сети 220 вольт.

Для этих целей подходит электродвигатель от бетономешалки, стиральной машины, другого оборудования или просто приобретенный в продаже.

В статье я рассказываю все про однофазный асинхронный двигатель, схема подключения которого зависит от внутренней конструкции и может быть выполнена с пусковой обмоткой или конденсаторным запуском.

Содержание статьи

С чего обязательно следует начинать подключение двигателя: 2 важных момента, проверенные временем

Перед первым включением любого электродвигателя необходимо уточнить его устройство: конструкцию статора и ротора, состояние подшипников.

На собственном и чужом опыте могу заверить, что проще раскрутить несколько гаек, осмотреть внутреннюю конструкцию, выявить дефекты на начальном этапе и устранить их, чем после запуска в непродолжительную работу заниматься сложным ремонтом, который можно было предотвратить.

Важное предупреждение

Начинающие электрики довольно часто сами создают неисправности двигателя, нарушая технологию его разборки, работая обычным молотком: разбивают грани вала.

Для сохранения структуры деталей без их повреждения необходимо использовать специальный съемник подшипников электродвигателя.

В самом крайнем случае, когда его нет, удары молотком наносят через толстые пластины из мягкого металла (медь, алюминий) или плотную сухую древесину (яблоня, груша, дуб).

Как состояние подшипников влияет на работу двигателя

Любой асинхронный электродвигатель (АД) имеет ротор с короткозамкнутыми обмотками. В них наводится ток, создающий магнитный поток, взаимодействующий с вращающимся магнитным полем статора, которое и является его источником движения.

Ротор внутри корпуса крепится на подшипниках. Их состояние сильно влияет на качество вращения. Они призваны обеспечить легкое скольжение вала без люфтов и биений. Любые нарушения недопустимы.

Дело в том, что обмотку статора можно рассматривать как обыкновенный электромагнит. Если у ротора разбиты подшипники, то он под действием магнитного поля станет притягиваться, приближаясь к статорной обмотке.

Зазор между вращающейся и стационарной частями очень маленький. Поэтому касания или биения ротора могут задевать, царапать, деформировать статорные обмотки, безвозвратно повреждая их. Ремонт потребует полной перемотки статора, а это весьма сложная работа.

Обязательно разбирайте электродвигатель перед его подключением, тщательно осматривайте всю его внутреннюю конструкцию.

Обращайте особое внимание на состояние подшипников, выполнение нормативов по допускам и посадкам, качество смазки. Сухую и старую смазку обязательно необходимо заменять свежей.

Что надо учитывать в конструкции статорных обмоток и как их подготовить

Домашнему мастеру чаще всего попадают электродвигатели, которые уже где-то поработали, а, возможно, и прошли реконструкцию или перемотку. Никто об этом обычно не заявляет, на шильдиках и бирках информацию не меняют, оставляют прежней. Поэтому рекомендую визуально осмотреть их внутренности.

Статорные катушки у асинхронных двигателей для питания от однофазной и трехфазной сети отличаются количеством обмоток и конструкцией.

Трехфазный электродвигатель имеет три абсолютно одинаковые обмотки, разнесенные по направлению вращения ротора на 120 угловых градусов. Они выполнены из одного провода с одинаковым числом витков.

Все они имеют равное активное и индуктивное сопротивление, занимают одинаковое число пазов внутри статора.

Это позволяет первоначально оценивать их состояние обычным цифровым мультиметром в режиме омметра при отключенном напряжении.

Однофазный асинхронный двигатель имеет две разные обмотки на статоре, разнесенные на 90 угловых градусов. Одна из них создана для длительного прохождения тока в номинальном режиме работы и поэтому называется основной, главной либо рабочей.

Для уменьшения нагрева ее делают более толстым проводом, обладающим меньшим электрическим сопротивлением.

Перпендикулярно ей смонтирована вторая обмотка большего сопротивления и меньшего диаметра, что позволяет различать ее визуально. Она создана для кратковременного протекания пусковых токов и отключается сразу при наборе ротором номинального числа оборотов.

Пусковая или вспомогательная обмотка занимает примерно 1/3 пазов статора, а остальная часть отведена рабочим виткам.

Однако, приведенное правило имеет исключения: на практике встречаются однофазные электродвигатели с двумя одинаковыми обмотками.

Для подключения статора к питающей сети концы обмоток выводят наружу проводами. С учетом того, что одна обмотка имеет два конца, то у трехфазного электродвигателя может быть, как правило, шесть выводов, а у однофазного — четыре.

Но из этого простого правила встречаются исключения, связанные с внутренней коммутацией выводов для упрощения монтажа на специальном оборудовании:

у трехфазных двигателей из статора могут выводиться:
- три жилы при внутренней сборке схемы треугольника;
- или четыре — для звезды;
однофазный электродвигатель может иметь:
- три вывода при внутреннем объединении одного конца пусковой и рабочей обмоток;
- или шесть концов для конструкции с пусковой обмоткой и встроенным контактом ее отключения от центробежного регулятора.

Как видите, судить о конструкции асинхронного двигателя по количеству выведенных проводов на клеммнике от обмоток статора можно, но вероятность ошибки довольно высока. Нужен более тщательный анализ его устройства.

Техническое состояние изоляции обмоток

Где и в каких условиях хранился статор не всегда известно. Если он находился без защиты от атмосферных осадков или внутри влажных помещений, то его изоляция требует сушки.

В домашней обстановке разобранный статор можно поместить в сухую комнату для просушки. Ускорить процесс допустимо обдувом вентилятора или нагревом обычными лампами накаливания.

Обращайте внимание, чтобы разогретое стекло лампы не касалось провода обмоток, обеспечивайте воздушный зазор. Окончание процесса сушки связано с восстановлением свойств изоляции. Этот процесс необходимо контролировать замерами мегаомметром.

Как отличить конструкцию однофазного асинхронного электродвигателя и определить его тип по статистической таблице

Привожу выдержку из книги Алиева И И про асинхронные двигатели, вернее таблицу основных электрических характеристик.

Как видите, промышленностью массово выпущены модели с:

повышенным сопротивлением пусковой обмотки;
пусковым конденсатором;
рабочим конденсатором;
пусковым и рабочим конденсатором;
экранированными полюсами.

А еще здесь не указаны более новые разработки, называемые АЭД — асинхронные энергосберегающие двигатели, обеспечивающие:

значительное снижение реактивной мощности;
повышение КПД;
уменьшение потребления полной мощности при той же нагрузке на вал, что и у обычных моделей.

Их конструкторское отличие: внутри зубцов сердечника статора выполнены углубления. В них жестко вставлены постоянные магниты, взаимодействующие с вращающимся магнитным полем.

Во всем этом многообразии вам предстоит разбираться самостоятельно с неизвестной конструкцией. Здесь большую помощь может оказать техническое описание или шильдик на корпусе.

Я же дальше рассматриваю только две наиболее распространенные схемы запуска АД в работу.

Схема подключения асинхронного двигателя с пусковой обмоткой: последовательность сборки

Например, мы определили, что из статора выходят четыре или три провода. Вызваниваем между ними активное сопротивление омметром и определяем пусковую и рабочую обмотку.

Допустим, что у четырех проводов между собой вызваниваются две пары с сопротивлением 6 и 12 Ом. Скрутим произвольно по одному проводу от каждой обмотки, обозначим это место, как «общий провод» и получим между тремя выводами замер 6, 12, 18 Ом.

Точками на этой схеме я обозначил начала обмоток. Пока на этот вопрос не обращайте внимание. Но, к нему потребуется вернуться дальше, когда возникнет необходимость выполнять реверс.

Цепочка между общим выводом и меньшим сопротивлением 6Ω будет главной, а большим 12Ω — вспомогательной, пусковой обмоткой. Последовательное их соединение покажет суммарный результат 18 Ом.

Помечаем эти 3 конца уже понятной нам маркировкой:

О — общий;
П — пусковой;
Р — рабочий.

Дальше нам понадобиться кнопка ПНВС, специально созданная для запуска однофазных асинхронных двигателей. Ее электрическая схема представлена тремя замыкающими контактами.

Но, она имеет важное отличие от кнопки запуска трехфазных электродвигателей ПНВ: ее средний контакт выполнен с самовозвратом, а не фиксацией при нажатии.

Это означает, что при нажатии кнопки все три контакта замыкаются и удерживаются в этом положении. Но, при отпускании руки два крайних контакта остаются замкнутыми, а средний возвращается под действием пружины в разомкнутое состояние.

Эту кнопку и клеммы вывода обмоток статора из электродвигателя соединяем трехжильным кабелем так, чтобы на средний контакт ПНВС выходил контакт пусковой обмотки. Выводы П и Р подключаем на ее крайние контакты и помечаем.

С обратной стороны кнопки между контактами пусковой и рабочей обмоток жестко монтируем перемычку. На нее и второй крайний контакт подключаем кабель питания бытовой сети 220 вольт с вилкой для установки в розетку.

При включении этой кнопки под напряжение все три контакта замкнутся, а рабочая и пусковая обмотка станут работать. Буквально через пару секунд двигатель закончит набирать обороты, выйдет на номинальный режим.

Тогда кнопку запуска отпускают:

пусковая обмотка отключается самовозвратом среднего контакта;
главная обмотка двигателя продолжает раскручивать ротор от сети 220 В.

Это самая доступная схема подключения асинхронного двигателя с пусковой обмоткой для домашнего мастера. Однако, она требует наличия кнопки ПНВС.

Если ее нет, а электродвигатель требуется срочно запустить, то ее допустимо заменить комбинацией из двухполюсного автоматического выключателя и обычной электрической кнопки соответствующей мощности с самовозвратом.

Придется включать их одновременно, а кнопку отпускать после раскрутки электродвигателя.

Все запуски электродвигателей и любого электрического оборудования всегда выполняйте с защитой этих цепей автоматическими выключателями. Они предотвратят развитие аварийных ситуаций при возникновении любых случайных ошибок.

С целью закрепления материала по этой теме рекомендую посмотреть видеоролик владельца Oleg pl. Он как раз показывает конструкцию встроенного центробежного регулятора, предназначенного для автоматического отключения вспомогательной обмотки.

Схема подключения асинхронного двигателя с конденсаторным запуском: 3 технологии

Статор с обмотками для запуска от конденсаторов имеет примерно такую же конструкцию, что и рассмотренная выше. Отличить по внешнему виду и простыми замерами мультиметром его сложно, хотя обмотки могут иметь равное сопротивление.

Ориентируйтесь по заводскому шильдику и таблице из книги Алиева. Такой электродвигатель можно попробовать подключить по схеме с кнопкой ПНВС, но он не станет раскручиваться.

Ему не хватит пускового момента от вспомогательной обмотки. Он будет гудеть, дергаться, но на режим вращения так и не выйдет. Здесь нужно собирать иную схему конденсаторного запуска.

2 конца разных обмоток подключают с общим выводом О. На него и второй конец рабочей обмотки подают через коммутационный аппарат АВ напряжение бытовой сети 220 вольт.

Конденсатор подключают к выводам пусковой и рабочей обмоток.

В качестве коммутационного аппарата можно использовать сдвоенный автоматический выключатель, рубильник, кнопки типа ПНВ или ПНВС.

Здесь получается, что:

главная обмотка работает напрямую от 220 В;
вспомогательная — только через емкость конденсатора.

Эта схема используется для легкого запуска конденсаторных электродвигателей, включаемых в работу без тяжелой нагрузки на привод, например, вентиляторы, наждаки.

Если же в момент запуска необходимо одновременно раскручивать ременную передачу, шестеренчатый механизм редуктора или другой тяжелый привод, то в схему добавляют пусковой конденсатор, увеличивающий пусковой момент.

Принцип работы такой схемы удобно приводить с помощью все той же кнопки ПНВС.

Ее контакт с самовозвратом подключается на вспомогательную обмотку через дополнительный пусковой конденсатор Сп. Второй конец его обкладки соединяется с выводом П и рабочей емкостью Ср.

Дополнительный конденсатор в момент запуска электродвигателя с тяжелым приводом помогает ему быстро выйти на номинальные обороты вращения, а затем просто отключается, чтобы не создавать перегрев статора.

Эта схема таит в себе одну опасность, связанную с длительным хранением емкостного заряда пусковым конденсатором после снятия питания 220 при отключении электродвигателя.

При неаккуратном обращении или потере внимательности работником ток разряда может пройти через тело человека. Поэтому заряженную емкость требуется разряжать.

В рассматриваемой схеме после снятия напряжения и выдергивания вилки со шнуром питания из розетки это можно делать кратковременным включением кнопки ПНВС. Тогда емкость Сп станет разряжаться через пусковую обмотку двигателя.

Однако не все люди так поступают по разным причинам. Поэтому рекомендуется в цепочку пуска монтировать два дополнительных резистора.

Сопротивление Rр выбирается номиналом около 300÷500 Ом нескольких ватт. Его задача — после снятия напряжения питания осуществить разряд вспомогательной емкости Сп.

Резистор Rо низкоомный и мощный выполняет роль токоограничивающего сопротивления.

Добавление резисторов в схему пуска электродвигателя повышает безопасность его эксплуатации, автоматически ограничивает протекание емкостного тока разряда заряженного конденсатора через тело человека.

Где взять номиналы главного и вспомогательного конденсаторов?

Дело в том, что величину пусковой и рабочей емкости для конденсаторного запуска однофазного АД завод определяет индивидуально для каждой модели и указывает это значение в паспорте.

Отдельных формул для расчета, как это делается для конденсаторного запуска трехфазного двигателя в однофазную сеть по схемам звезды или треугольника просто нет.

Вам потребуется искать заводские рекомендации или экспериментировать в процессе наладки с разными емкостями, выбирая наиболее оптимальный вариант.

Владелец
видеоролика “I V Мне интересно” показывает способы оптимальной настройки параметров схемы запуска конденсаторных двигателей.

Как поменять направление вращения однофазного асинхронного двигателя: 2 схемы

Высока вероятность того, что АД запустили по одному из вышеперечисленных принципов, а он крутится не в ту сторону, что требуется для привода.

Другой вариант: на станке необходимо обязательно выполнять реверс для обработки деталей. Оба эти случаи поможет реализовать очередная разработка.

Возвращаю вас к начальной схеме, когда мы случайным образом объединяли концы главной и вспомогательной обмоток. Теперь нам надо сменить последовательность включения одной из них. Показываю на примере смены полярности пусковой обмотки.

В принципе так можно поступить и с главной. Тогда ток по этой последовательно собранной цепочке изменит направление одного из магнитных потоков и направление вращения ротора.

Для одноразового реверса этого переключения вполне достаточно. Но для станка с необходимостью периодической смены направления движения привода предлагается схема реверса с управлением тумблером.

Этот переключатель можно выбрать с двумя или тремя фиксированными положениями и шестью выводами. Подбирать его конструкцию необходимо по току нагрузки и допустимому напряжению.

Схема реверса однофазного АД с пусковой обмоткой через тумблер имеет такой вид.

Пускать токи через тумблер лучше от вспомогательной обмотки, ибо она работает кратковременно. Это позволит продлить ресурс ее контактов.

Реверс АД с конденсаторным запуском удобно выполнить по следующей схеме.

Для условий тяжелого запуска параллельно основному конденсатору через средний контакт с самовозвратом кнопки ПНВС подключают дополнительный конденсатор. Эту схему не рисую, она показана раньше.

Переключать положение тумблера реверса необходимо исключительно при остановленном роторе, а не во время его вращения. Случайная смена направления работы двигателя под напряжением связана с большими бросками токов, что ограничивает его ресурс.

Поэтому место расположения тумблера реверса на станке необходимо выбирать так, чтобы исключить случайное оперирование им во время работы. Устанавливайте его в углублениях конструкции.

Если у вас еще остались неясные моменты про однофазный асинхронный двигатель и схему подключения, то задавайте их в комментариях. Обязательно обсудим.

Двигатель асинхронный однофазный — устройство, принцип работы и схема подключения

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

Так выглядит однофазный асинхронный двигатель.

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.

Принцип работы асинхронного двигателя (однофазного) основан на этих основных физических законах. В 80-х годах позапрошлого столетия многие умы разрабатывают трансформаторы и генераторы переменного тока. Год 1885 принес идею первого многофазного двигателя переменного тока от Галилео Феррариса, вскоре Никола Тесла уже представил свой многофазный мотор (1888 год).

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:

Статор (неподвижный элемент).
Ротор (вращающаяся часть).
Механическое соединение этих двух частей.
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:

Активное сопротивление.
Емкостное.
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.

Принцип работы однофазного асинхронного двигателя.

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.

Подключение происходит только в момент пуска. При удержании пусковой кнопки короткое время (порядка 2-3 секунд) происходит разгон ротора. В момент отпускания кнопки электрический мотор переходит в режим работы основной фазы.

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:

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

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

Схема подключения однофазного асинхронного двигателя с помощью конденсаторов.

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.

Схемы включения однофазного асинхронного двигателя.

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.

Таблица расчета емкости конденсаторов.

Проверка работоспособности

Тестирование начинается с визуального осмотра. Возможные неисправности:

Если опорная часть на устройстве была сломана, это может привести к неисправностям.
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.
Когда однофазный электродвигатель на 220 вольт имеет в схеме подключения конденсатор увеличенного размера, он начинает перегреваться.

Если есть подозрение на наличие такого элемента, его необходимо отсоединить от пусковой обмотки, включить двигатель в сети и вращать вал вручную.

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.

Основные достоинства и недостатки однофазных асинхронных двигателей

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.

Электрические машиныЧто такое трехфазный двигатель и как он работает

Однофазные электродвигатели. Виды, принцип действия, схемы включения однофазных электродвигателей.

Однофазные электродвигатели

Зачастую основное внимание уделяется изучению трёхфазных электродвигателей, частично в связи с тем, что трёхфазные электродвигатели применяются чаще, чем однофазные. Однофазные электродвигатели имеют тот же принцип действия, что и трёхфазные электродвигатели, только с более низкими пусковыми моментами. Они подразделяются по типам в зависимости от способа пуска.

Стандартный однофазный статор имеет две обмотки, расположенные под углом 90° по отношению друг к другу. Одна из них считается главной обмоткой, другая — вспомогательной, или пусковой. В соответствии с количеством полюсов каждая обмотка может делиться не несколько секций.

На рисунке приведен пример двухполюсной однофазной обмотки с четырьмя секциями в главной обмотке и двумя секциями во вспомогательной.

Следует помнить, что использование однофазного электродвигателя — это всегда, своего рода, компромисс. Конструкция того или иного двигателя зависит, прежде всего, от поставленной задачи. Это значит, что все электродвигатели разрабатываются в соответствии с тем, что наиболее важно в каждом конкретном случае: например, КПД, вращающий момент, рабочий цикл и т.д. Из-за пульсирующего поля однофазные электродвигатели CSIR и RSIR могут иметь более высокий уровень шума по сравнению с двухфазными электродвигателями PSC и CSCR, которые работают намного тише, так как в них используется пусковой конденсатор. Конденсатор, через который производится пуск электродвигателя, способствует его плавной работе.

Основные типы однофазных индукционных электродвигателей

Бытовая техника и приборы низкой мощности работают от однофазного переменного тока, кроме того, не везде может быть обеспечено трёхфазное электропитание. Поэтому однофазные электродвигатели переменного тока получили широкое распространение, особенно в США. Очень часто электродвигателям переменного тока отдают предпочтение, так как их отличает прочная конструкция, низкая стоимость, к тому же они не требуют технического обслуживания.

Как видно из названия, однофазный индукционный электродвигатель работает по принципу индукции; тот же принцип действует и для трёхфазных электродвигателей. Однако между ними есть различия: однофазные электродвигатели, как правило, работают при переменном токе и напряжении 110 -240 В, поле статора этих двигателей не вращается. Вместо этого каждый раз при скачке синусоидального напряжения от отрицательного к положительному меняются полюса.

В однофазных электродвигателях поле статора постоянно выравнивается в одном направлении, а полюса меняют своё положение один раз в каждом цикле. Это означает, что однофазный индукционный электродвигатель не может быть пущен самостоятельно.

Теоретически, однофазный электродвигатель можно было бы запустить при помощи механического вращения двигателя с последующим немедленным подключением питания. Однако на практике пуск всех электродвигателей осуществляется автоматически.

Выделяют четыре основных типа электродвигателей:

• индукционный двигатель с пуском через конденсатор / работа через обмотку (индуктивность) (CSIR),

• индукционный двигатель с пуском через конденсатор/работа через конденсатор (CSCR),

• индукционный двигатель с реостатным пуском (RSIR) и

• двигатель с постоянным разделением емкости (PSC).

На приведённом ниже рисунке показаны типичные кривые соотношения вращающий момент/частота вращения для четырёх основных типов однофазных электродвигателей переменного тока.

Однофазный электродвигатель с пуском через конденсатор/работа через обмотку (CSIR)

Индукционные двигатели с пуском через конденсатор, которые также известны как электродвигатели CSIR, составляют самую большую группу однофазных электродвигателей.

Двигатели CSIR представлены несколькими типоразмерами: от самых маломощных до 1,1 кВт. В электродвигателях CSIR конденсатор последовательно соединён с пусковой обмоткой. Конденсатор вызывает некоторое отставание между током в пусковой обмотке и в главной обмотке.

Это способствует задержке намагничивания пусковой обмотки, что приводит к появлению вращающегося поля, которое влияет на возникновение вращающего момента. После того как электродвигатель наберёт скорость и приблизится к рабочей частоте вращения, открывается пускатель. Далее электродвигатель будет работать в обычном для индукционного электродвигателя режиме. Пускатель может быть центробежным или электронным.

Двигатели CSIR имеют относительно высокий пусковой момент, в диапазоне от 50 до 250 процентов от вращающего момента при полной нагрузке. Поэтому из всех однофазных электродвигателей эти двигатели лучше всего подходят для случаев, когда пусковые нагрузки велики, например для конвейеров, воздушных компрессоров и холодильных компрессоров.

Однофазный электродвигатель с пуском через конденсатор/ работа через конденсатор (CSCR)

Этот тип двигателей, которые коротко называются «электродвигатели CSCR», сочетает в себе лучшие свойства индукционного двигателя с пуском через конденсатор и двигателя с постоянно подключённым конденсатором. Несмотря на то, что из-за своей конструкции эти двигатели несколько дороже других однофазных электродвигателей, они остаются наилучшим вариантом для применения в сложных условиях. Пусковой конденсатор электродвигателя CSCR последовательно соединён с пусковой обмоткой, как и в электродвигателе с пуском через конденсатор. Это обеспечивает высокий пусковой момент.

Электродвигатели CSCR также имеют сходство с двигателями с постоянным разделением емкости (PSC), так как у них пуск тоже осуществляется через конденсатор, который последовательно соединён с пусковой обмоткой, если пусковой конденсатор отключен от сети. Это означает, что двигатель справляется с максимальной нагрузкой или перегрузкой.

Электродвигатели CSCR могут использоваться для работы с низким током полной нагрузки и при более высоком КПД. Это даёт некоторые преимущества, в том числе обеспечивает работу двигателя с меньшими скачками температуры, в сравнении с другими подобными однофазными электродвигателями.

Электродвигатели CSCR — самые мощные однофазные электродвигатели, которые могут использоваться в сложных условиях, например, в насосах для перекачивания воды под высоким давлением и в вакуумных насосах, а также в других высокомоментных процессах. Выходная мощность таких электродвигателей лежит в диапазоне от 1,1 до 11 кВт.

Однофазный электродвигатель с пуском через сопротивление/работа через обмотку (индуктивность) (RSIR)

Данный тип двигателей ещё известен как «электродвигатели с расщеплённой фазой». Они, как правило, дешевле однофазных электродвигателей других типов, используемых в промышленности, но у них также есть некоторые ограничения по производительности.

Пусковое устройство электродвигателей RSIR включает в себя две отдельные обмотки статора. Одна из них используется исключительно для пуска, диаметр проволоки данной обмотки меньше, а электрическое сопротивление — выше, чем у главных обмоток. Это вызывает отставание вращающегося поля, что, в свою очередь, приводит в движение двигатель. Центробежный или электронный пускатель отсоединяет пусковую обмотку, когда частота вращения двигателя достигает, приблизительно, 75% от номинальной величины. После этого электродвигатель продолжит работу в соответствии со стандартными принципами действия индукционного электродвигателя.

Как уже говорилось раньше, для электродвигателей RSIR есть некоторые ограничения. У них низкие пусковые моменты, часто в диапазоне от 50 до 150 процентов от номинальной нагрузки. Кроме того, электродвигатель создаёт высокие пусковые токи, приблизительно от 700 до 1000% от номинального тока. В результате продолжительное время пуска будет вызывать перегрев и разрушение пусковой обмотки. Это означает, что электродвигатели данного типа нельзя использовать там, где необходимы большие пусковые моменты.

Электродвигатели RSIR рассчитаны на узкий диапазон напряжения питания, что, естественно, ограничивает области их применения. Их максимальные вращающие моменты варьируются в пределах от 100 до 250% от расчетной величины. Необходимо также отметить, что дополнительной трудностью является установка тепловой защиты, так как довольно сложно найти защитное устройство, которое срабатывало бы достаточно быстро, чтобы не допустить прогорания пусковой обмотки. Электродвигатели RSIR подходят для использования в небольших приборах для рубки и перемалывания, вентиляторах, а также для применения в других областях, в которых допускается низкий пусковой момент и требуемая выходная мощность на валу от 0,06 кВт до 0,25 кВт. Они не используются там, где должны быть высокие вращающие моменты или продолжительные циклы.

Однофазный электродвигатель с постоянным разделение емкости (PSC)

Как видно из названия, двигатели с постоянным разделением емкости (PSC) оснащены конденсатором, который во время работы постоянно включен и последовательно соединён с пусковой обмоткой. Это значит, что эти двигатели не имеют пускателя или конденсатора, который используется только для пуска. Таким образом, пусковая обмотка становится вспомогательной обмоткой, когда электродвигатель достигает рабочей частоты вращения.

Конструкция электродвигателей PSC такова, что они не могут обеспечить такой же пусковой момент, как электродвигатели с пусковыми конденсаторами. Их пусковые моменты достаточно низкие: 30-90% от номинальной нагрузки, поэтому они не используются в системах с большой пусковой нагрузкой. Это компенсируется за счёт низких пусковых токов — обычно меньше 200% от номинального тока нагрузки, — что делает их наиболее подходящими двигателями для областей применения с продолжительным рабочим циклом.

Двигатели с постоянным разделением емкости имеют ряд преимуществ. Рабочие параметры и частоту вращения таких двигателей можно подбирать в соответствии с поставленными задачами, к тому же они могут быть изготовлены для оптимального КПД и высокого коэффициента мощности при номинальной нагрузке. Так как они не требуют специального устройства пуска, их можно легко реверсировать (изменить направление вращения на обратное). В дополнение ко всему вышесказанному, они являются самыми надёжными из всех однофазных электродвигателей. Вот почему Grundfos использует однофазные электродвигатели PSC в стандартном исполнении для всех областей применения с мощностями до 2,2 кВт (2-полюсные) или 1,5 кВт (4-полюсные).

Двигатели с постоянным разделением емкости могут использоваться для выполнения целого ряда различных задач в зависимости от их конструкции. Типичным примером являются низкоинерционные нагрузки, например вентиляторы и насосы.

Двухпроводные однофазные электродвигатели

Двухпроводные однофазные электродвигатели имеют две главные обмотки, пусковую обмотку и рабочий конденсатор. Они широко используются в США с однофазными источниками питания: 1 ½ 115 В / 60 Гц или 1 ½ 230 В / 60 Гц. При правильном подключении данный тип электродвигателей можно использовать для обоих видов электропитания.

Ограничения однофазных электродвигателей

В отличие от трёхфазных для однофазных электродвигателей существуют некоторые ограничения. Однофазные электродвигатели ни в коем случае не должны работать в режиме холостого хода, так как при малых нагрузках они сильно нагреваются, также рекомендуется эксплуатировать двигатель при нагрузке меньшей 25% от полной нагрузки.

Электродвигатели PSC и CSCR имеют симметричное/ круговое вращающееся поле в одной точке приложения нагрузки; это значит, что во всех остальных точках приложения нагрузки вращающееся поле асимметричное/эллиптическое. Когда электродвигатель работает с асимметричным вращающимся полем, сила тока в одной или обеих обмотках может превышать силу тока в сети. Такие избыточные токи вызывают потери, в связи с этим одна или обе обмотки (что чаще происходит при полном отсутствии нагрузки) нагреваются, даже если ток в сети относительно небольшой. Смотрите примеры.

О напряжении в однофазных электродвигателях

Важно помнить о том, что напряжение на пусковой обмотке электродвигателя может быть выше сетевого напряжения питания электродвигателя. Это относится и к симметричному режиму работы. Смотрите пример.

Изменение напряжения питания

Нужно отметить, что однофазные электродвигатели обычно не используются для больших интервалов напряжения, в отличие от трёхфазных электродвигателей. В связи с этим может возникнуть потребность в двигателях, которые могут работать с другими видами напряжения. Для этого необходимо внести некоторые конструкционные изменения, например, нужна дополнительная обмотка и конденсаторы различной ёмкости. Теоретически, ёмкость конденсатора для различного сетевого напряжения (с одной и той же частотой) должна быть равна квадрату отношения напряжений:

Таким образом, в электродвигателе, рассчитанном на питание от сети в 230 В, используется конденсатор 25µФ/400 В, для модели электродвигателя на 115 В необходим конденсатор ёмкостью 100µФ с маркировкой более низкого напряжения — например 200 В.

Иногда выбирают конденсаторы меньшей ёмкости, например 60µФ. Они дешевле и занимают меньше места. В таких случаях обмотка должна подходить для определённого конденсатора. Нужно учитывать, что производительность электродвигателя при этом будет меньше, чем с конденсатором ёмкостью 100µФ — например, пусковой момент будет ниже.

Заключение

Однофазные электродвигатели работают по тому же принципу, что и трёхфазные. Однако у них более низкие пусковые моменты и значения напряжения питания (110-240В).

Однофазные электродвигатели не должны работать в режиме холостого хода, многие из них не должны эксплуатироваться при нагрузке меньше 25 % от максимальной, так как это вызывает повышение температуры внутри электродвигателя, что может привести к его поломке.

Однофазный асинхронный электродвигатель: устройство, принцип работы, подключение

Практически всем хорошо известны трехфазные электродвигатели, они широко применяются в промышленности, позволяют решать самые различные задачи. Да и принцип получения переменного тока, как физической величины мы привыкли рассматривать на примере тех же трехфазных асинхронных генераторов. Но как быть в бытовых условиях, где присутствует только одна фаза, народные умельцы научились выполнять подключение трехфазных электрических машин, но это не обязательно. На практике давно используется однофазный асинхронный электродвигатель, который может выполнять все свои функции даже в домашней сети переменного тока.

Конструктивные особенности

Если сравнивать однофазный электродвигатель с другими электрическими машинами, то конструктивно он также состоит из подвижного и неподвижного элемента — статора и ротора. Статор, за счет протекания электрического тока по его обмоткам, создает магнитное поле, вступающее во взаимодействие с ротором. В результате электромагнитного взаимодействия ротор приводится во вращение.

Рис. 1. Конструкция однофазного асинхронного электродвигателя

Однако все не так просто, как может показаться на первый взгляд, если бы вы убрали из обычного трехфазного электродвигателя лишние две обмотки и подключили в розетку, вращение бы не началось. Мотору попросту не хватит момента для вращения ротора. Поэтому конструкция однофазного асинхронного электродвигателя имеет ряд особенностей.

Ротор

Ротор однофазного электродвигателя представляет собой такой же металлический вал, который оснащается обмоткой. На валу собирается ферромагнитный каркас из шихтованной стали по ее внешней поверхности проделываются пазы. В пазах на валу ротора устанавливаются стержни из меди или алюминия, которые выступают в роли обмотки, проводящей электрический ток. На концах стержни соединяются двумя кольцами, из-за такой конструкции его также называют беличьей клеткой.

При воздействии электромагнитного потока от статора на короткозамкнутые обмотки ротора в беличьей клетке начинает протекать ток. Ферромагнитная вставка на валу помогает усилить поток, проходящий через него. Однако далеко не во всех моделях существует магнитный проводник, в некоторых он выполняется из немагнитных сплавов.

Статор

Конструкция статора в однофазном электродвигателе имеет такой же состав, как и в большинстве электрических машин:

металлический корпус;
установленный внутри магнитопровод из ферромагнитного материала;
обмотка статора, представленная медными проводниками.

Обмотки статора такого электродвигателя подразделяются на две – основную, она же рабочая, через которую осуществляется постоянная циркуляция нагрузки и пусковая, которая задействуется только в момент запуска. Обе обмотки однофазного двигателя расположены под углом 90° друг относительно друга. Такая конструкция делает их схожими с двухфазными электродвигателями, где также применяются две обмотки.

Но их объем, относительно всего пространства асинхронного двигателя отличается, основная составляет только 2/3 от общего числа пазов, а пусковые обмотки занимают 1/3.

Принцип работы

Принцип действия однофазного асинхронного электродвигателя заключается в создании пульсирующего магнитного потока от протекания электрического тока по основной обмотке статора, если рассматривать вариант пуска от вспомогательного витка. Таким образом, подключение однофазного мотора к сети мы рассмотрим на примере одно витка.

Рис. 2. Принцип формирования магнитного потока в статоре

Как видите на рисунке выше, переменный электрический ток, протекая по проводнику, согласно правила буравчика, создает концентрические магнитные потоки. При появлении максимума синусоиды магнитный поток также достигнет своего максимума. Однако в сети однофазного переменного электрического напряжения ток меняет свое направление движения в витке с частотой в 50 Гц. Это означает, что как только кривая пересечет ось абсцисс, ток будет протекать по витку обмотки в противоположном направлении и создаваемый ним магнитный поток получит противоположные полюса и направленность результирующего вектора:

Рис. 3. Формирование потока обратного направления

С физической точки зрения оба потока равнозначны, поэтому их смена с периодичностью 100 раз в секунду даст нулевой результат при сложении. Прямой магнитный поток окажется равным обратному:

Ф_пр = Ф_обр

Это означает, что если в таком поле окажется ротор электродвигателя, вращаться он не будет. 100 раз в минуту в нем произойдет смена магнитного потока, и короткозамкнутый ротор будет просто гудеть, оставаясь на месте. Однако ситуация в корне измениться, если возникнет импульс к начальному движению. В таком случае появиться скольжение, которое и приведет к постоянному вращению вала:

S_пр = (n₁ — n₂) / n₁, где

n₁ – частота вращения магнитного поля однофазного электродвигателя;
n₂ – частота вращения ротора асинхронного электродвигателя;
S – величина скольжения однофазного индукционного мотора.

При смене магнитного потока направление вращения и поля статора и ротора электродвигателя совпадут, поэтому скольжение получит иное выражение для вычисления:

S_обр = (n₁ — ( — n₂)) / n₁, где

Попеременное пересечение стержней магнитными потоками разного направления создаст в них ЭДС, которая сгенерирует электрический ток в роторе и ответный магнитный поток. А он, в свою очередь, также вступит во взаимодействие с полем статора однофазного электродвигателя, как показано на рисунке ниже.

Рис. 4. Получение ЭДС в роторе

Как видите, чтобы подключить трехфазный электродвигатель, достаточно подать на него напряжение, но с однофазным такой вариант не сработает.

Для запуска мотора необходим первичный импульс, который на практике может быть получен посредством:

раскрутки вала вручную;
кратковременного введения пусковой катушки;
расщепления магнитного поля короткозамкнутым контуром.

Из вышеприведенных способов сегодня первый используется только в лабораторных экспериментах, из практического применения он вышел из-за опасности травмирования оператора.

Схемы подключения

Для получения базового импульса вращения могут использоваться различные схемы подключения. Со временем, некоторые из них утрачивали свою актуальность и сменялись более прогрессивными, поэтому далее мы рассмотрим наиболее эффективные, которые применяются и сейчас.

С пусковым сопротивлением

Так как в индукционных электродвигателях сопротивление обмоток имеет комплексную форму, вектор магнитного потока можно легко сместить, если в пусковую обмотку добавить сопротивление. Наличие активной составляющей даст необходимый угол сдвига между рабочими катушками однофазного электродвигателя и пусковой, от 15° до 50°, что и обеспечит разницу для начального вращения.

Рис. 5. Схема с пусковым сопротивлением

С конденсаторным запуском

В отличии от предыдущего способа, в схеме с конденсаторным пуском электродвигателя применяется емкостной элемент, который позволяет сместить электрические величины в основной и пусковой катушках на 90°, обеспечивая максимальное усилие.

Рис. 6. Схема с конденсаторным пуском

На практике пусковой конденсатор вместе с дополнительной обмоткой вводятся кнопкой пуска одновременно с подачей основного питания. Пусковая кнопка устроена таким образом, что контакт C_n возвращается пружиной в изначальное положение, сразу после окончания конденсаторного запуска.

С расщепленными полюсами

В отличии от конденсаторных двигателей, такой способ пуска предусматривает наличие особой конструкции статорного магнитопровода. В этом случае каждый полюс разделяется на два, один из которых комплектуется короткозамкнутым витком, изменяющим характеристики магнитного потока.

Рис. 7. Схема с расщепленными полюсами

Существенным недостатком этого метода пуска однофазного электродвигателя является постоянная потеря мощности и снижение КПД мотора. Поэтому его применяют только в электрических машинах до 100 кВт.

Область применения

Однофазные электродвигатели находят широкое применение в бытовых устройствах или промышленных аппаратах малой механизации. Они охватывают относительно маломощное однофазное оборудование, которое питается от 220В.

Это различные станки для обработки древесины, металла, пластика и т.д. Также однофазные электродвигатели используются в установках сельскохозяйственной отрасли для смешивания зерновых, изготовления бетона и т.д. В быту их применяют в некоторых моделях микроволновок, вытяжек, стиральных машин и куллеров, питающихся от однофазного источника.

Видео по теме

Принцип работы однофазного асинхронного электродвигателя

Watch this video on YouTube

Однофазный электродвигатель 220в-принцип работы, устройство

Однофазная энергетическая система широко применяется по сравнению с трёхфазной для домашнего пользования, коммерческих целей и, в какой-то степени, для индустриальных задач. Однофазная система более экономична, энергетические же потребности в большинстве домов, офисов, магазинов весьма невелики. По этой причине однофазная система является очень подходящей в данном случае.

Однофазные электродвигатели просты по своей конструкции. Они недороги, прочны, их легко обслуживать и ремонтировать. Благодаря всем этим достоинствам, однофазный мотор нашёл применение в вентиляторах, пылесосах и т.д.

Данные моторы классифицируют так:

1. Однофазные индукционные двигатели или асинхронные двигатели.

2. Однофазные синхронные двигатели.

3. Коллекторные двигатели.

Устройство электродвигателя.

Как и любой электродвигатель, асинхронный мотор также имеет две главные составляющие. Этими компонентами являются ротор и статор.

Статор

Как можно догадаться из его названия, статор является стационарной частью индукционного мотора. На статор этого двигателя подаётся однофазный переменный ток.

Ротор

Ротор является вращающейся частью индукционного мотора. Ротор соединен с механической нагрузкой за счёт вала. Ротор в однофазном индукционном двигателе относится к типу роторов, который называют клетка для белки.

Конструкция данного электродвигателя почти такая же, как “клетка для белки” трёхфазного двигателя, за исключением того, что в асинхронном двигателе у статора две обмотки, по сравнению с одиночной обмоткой статора у трёхфазного индукционного мотора.

Про статор однофазного индукционного двигателя

Статор этого двигателя имеет многослойную штамповку для уменьшения потерь вихревого тока на его периферии. Слоты, предусмотренные на штамповке, предназначены для удерживания статора или основной обмотки. Для того чтобы уменьшить гистерезисные потери, штамповка сделана из кремнистой стали. Когда на обмотку статора подаётся однофазный переменный ток, образуется магнитное поле и двигатель вращается на скорости, которая несколько меньше синхронной скорости Ns, которая получается за счёт:

Где,
f = частота подающегося напряжения,
P = нормально разомкнутые полюсы мотора.

Конструкция статора асинхронного мотора похожа на конструкцию трёхфазного индукционного двигателя за исключением двух отличий в области обмотки в однофазном индукционном моторе.
1. Во-первых, однофазные индукционные моторы в большинстве своём выпускаются с катушками, имеющими не перекрещивающиеся лобовые соединения. Количество оборотов на катушку может быть легко отрегулировано при помощи катушек с не перекрещивающимися лобовыми соединениями. Распределение магнитодвижущей силы почти синусоидально.

2. За исключением двигателя с экранированным полюсом, асинхронный мотор имеет две обмотки на статоре, а именно основную и вспомогательную. Данные обмотки размещены квадратурно по отношению друг к другу.

О роторе однофазного электродвигателя.

Устройство данной составляющей этого двигателя похоже на “клетку для белки” трёхфазного индукционного мотора. Ротор имеет форму цилиндра. У данной составляющей двигателя есть слоты по всей периферии. Слоты не параллельны по отношению друг к другу, но немного скошены, так как скашивание препятствует магнитной блокировке зубов статора и ротора и делает работу индукционного мотора более гладкой и тихой.

Ротор в форме клетки для белки состоит из стержней. Эти стержни сделаны из одного из трёх металлов. Они могут быть алюминиевыми, могут быть медными, могут латунными. Данные стержни называют проводниками ротора, и они располагаются в слотах на периферии данной составляющей двигателя. Проводники перманентно замкнуты за счёт медных или алюминиевых колец, которые называют замыкающими кольцами. Для того чтобы обеспечивать механическую силу, эти проводники связаны с замыкающим кольцом, и следовательно, они формируют абсолютно замкнутую схему, напоминающую клетку. Поэтому эти двигатели и стали называть индукционными моторами-клетками для белки.

Так как стержни перманентно замкнуты при помощи замыкающих колец, электрическое сопротивление данной части мотора очень невелико, и нет возможности добавить внешнее сопротивление, поскольку стержни, как уже говорилось, перманентно замкнуты. Отсутствие контактного кольца и щёток делает устройство однофазного индукционного мотора очень простым и надёжным.

Принцип работы двигателя

ВНИМАНИЕ: Известно, что для действия любого мотора, который действует за счёт электроэнергии, будь-то мотор, использующий переменный ток или постоянный, нужно два магнитных потока. Взаимодействие между этими вот потоками обеспечивает требуемый крутящий момент, который является желаемым параметром для любого вращающегося мотора.

Когда на обмотку статора мотора приходит однофазный переменный ток, переменный ток начинает проходить через статор или основную обмотку. Этот переменный ток порождает переменный магнитный поток, который называют основным магнитным потоком.

Данный поток также соединен с проводниками ротора и следовательно, отрезает эти проводники. Согласно закону, установленному Фарадеем, об электромагнитной индукции, в роторе возникает электродвижущая сила. Поскольку схема ротора замкнута, электрический ток начинает поступать в ротор.

Этот ток зовётся электрическим током ротора. Данный ток производит собственный магнитный поток, который называют магнитным потоком ротора. Поскольку этот поток начинает производиться согласно принципу индукции, мотор, работающий на этом принципе, называется индукционным мотором. Теперь имеются два магнитных потока, один из них является основным, а другой называют магнитным потоком ротора. Эти два магнитных потока производят желаемый крутящий момент, который требуется мотору для вращения.

Почему данный мотор не является самозапускающимся?

Согласно теории, гласящей о двойном вращающемся поле, любое изменяющееся значение может быть поделено на 2 компонента. Каждый имеет магнитуду, равную половине максимальной магнитуды переменного значения. Оба данных компонента крутятся в противоположном направлении по отношению друг к другу. Например, магнитный поток, φ может быть разделён на 2 составляющие:

Каждый из этих компонентов вращается в противоположном направлении. Если один φm / 2 вращается по часовой стрелке, то другой φm / 2 вращается против. Когда однофазный переменный ток идёт на обмотку статора данного двигателя, он производит собственный магнитный поток магнитуды, φm.

В соответствии с теорией о двойном поле, которое вращается, этот переменный магнитный поток, φm разделён на 2 компонента магнитуды φm / 2. Каждый будет вращаться в противоположном направлении, с синхронной скоростью, Ns. Назовём эти 2 компонента магнитного потока как передний компонент потока, φf и задний компонент потока, φb.

Результат двух компонентов в любой момент даёт значение мгновенного магнитного потока статора в данный конкретный момент.

Теперь при старте, и передняя, и задняя составляющие магнитного потока точно являются противоположными. Также оба компонента магнитного потока равны по магнитуде. Поэтому они аннулируют друг друга, и поэтому получающийся крутящий момент у ротора на старте равен нулю. Поэтому такие вот двигатели не являются самозапускающимися.

Методы, которыми можно сделать данный электродвигатель самостартующим

Эти моторы не запускаются сами, потому что создаваемый магнитный поток статора является изменяющимся по характеру и при запуске 2 компонента этого потока аннулируют друг друга, и поэтому не появляется крутящего момента.

Решить эту проблему можно, если сделать магнитный поток статора потоком вращающегося типа, а не переменного типа, который вращается лишь в одну сторону. Тогда мотор станет самозапускающимся. Теперь, для того чтобы произвести это вращающееся магнитное поле, понадобится два переменных магнитных потока, имеющие угол фазы с некоторой разницей между ними.

Когда эти два потока взаимодействуют, они производят результирующий магнитный поток. Этот поток вращается по своей сути и вращается в пространстве только в одном направлении. Когда двигатель начнёт вращаться, дополнительный магнитный поток может быть удалён.

Мотор будет продолжать вращаться под воздействием только основного магнитного потока. В зависимости от методов превращения асинхронного электродвигателя в самозапускающийся мотор, существует в основном 4 типа однофазных индукционных моторов, а именно:

1. Индукционный электродвигатель с проскальзывающей фазой.

2. Ёмкостной электродвигатель со стартовым индуктором.

3. Емкостной индукционный электродвигатель со стартовым конденсатором.

4. Индукционный электродвигатель со экранированным полюсом.

5. Перманентный емкостной электродвигатель с проскальзыванием или ёмкостной мотор с одним значением.

Сравнение однофазных и трёхфазных индукционных электродвигателей

1. Однофазные электродвигатели надёжны, просты в устройстве, экономичны для маленькой мощности, если сравнивать с трёхфазными.

2. Электрический фактор мощности однофазных электродвигателей низок, если сравнить с трёхфазными.

3. Несмотря на одинаковые размеры, однофазные электродвигатели производят около 50% на выходе, тогда как трёхфазные – меньше.

4. Стартовый крутящий момент также низок для асинхронных моторов / однофазных индукционных моторов.

5. Эффективность однофазных электродвигателей меньше, чем у трёхфазных.

Однофазные индукционные электродвигатели просты, надёжны и дёшевы для маленьких мощностей. Они в целом доступны для мощности в 1 киловатт.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Поделиться ссылкой:

Похожее

Обозначения электродвигателей

— электродвигатели переменного / постоянного тока, однофазные / трехфазные двигатели

Обозначения электродвигателей переменного / постоянного тока, однофазные и трехфазные электродвигатели

Список всех символов электродвигателей на одном изображении приводится ниже для справки на конец этого поста.

Обмотка / катушка электродвигателя

Этот символ представляет обмотку или катушку электродвигателя. Обмотка внутри двигателя создает необходимое магнитное поле при возбуждении электрическим током.

Обмотка серии

Обмотка возбуждения, подключенная последовательно к обмотке якоря двигателя, называется последовательной обмоткой. Ток, потребляемый в таком двигателе, огромен, так как он включен последовательно и производит довольно большой крутящий момент.

Шунтирующая обмотка

Обмотка возбуждения, подключенная параллельно обмотке якоря двигателя, называется шунтирующей обмоткой. Сопротивление шунтирующей обмотки обычно велико, чтобы предотвратить протекание сильного тока.

Угольная щетка

Это компонент внутри электродвигателя, который передает электрический ток между статором (неподвижная часть) и ротором (вращающаяся часть). Обычно он сделан из графита, и его можно заменить во время обслуживания после износа.

Стандартный двигатель

Это обозначение общего электродвигателя, используемого в электрических схемах. Двигатель преобразует электрическую энергию в механическую.

Двухскоростной двигатель

Этот символ обозначает двухскоростной двигатель. Такие двигатели имеют две отдельные обмотки для разного передаточного числа. Каждая обмотка одновременно обеспечивает разную скорость и крутящий момент.

Двигатель переменного тока

Этот символ обозначает двигатель переменного тока. Этот тип двигателя работает только от переменного тока. Он преобразует электрическую энергию переменного тока в механическую.

Двигатель постоянного тока

Этот символ используется для обозначения двигателя постоянного тока на любой электрической схеме.Он преобразует электрическую энергию постоянного тока в механическую. Работает только на постоянном токе.

Линейный двигатель

Это общий символ, используемый для обозначения линейного двигателя. Линейный двигатель имеет развернутый статор, что приводит к созданию линейной силы вместо вращающего момента.

Шаговый двигатель

Шаговый двигатель или шаговый двигатель — это тип бесщеточного двигателя постоянного тока, полное вращение которого делится на количество равных шагов.Он вращается пошагово, а не непрерывно. Они используются для точного позиционирования с помощью управляющего сигнала.

Электрическая машина

Этот тип символа используется для таких машин, которые могут использоваться как в качестве двигателя, так и генератора. Двигатель преобразует электрическую энергию в механическую, а генератор — наоборот.

Двигатель постоянного тока с постоянным магнитом

В бесщеточных двигателях постоянного тока такого типа для создания полюсов вместо обмоток возбуждения используется постоянный магнит.Символ выше представляет двигатель постоянного тока со значком магнита, обозначающим тип постоянного магнита.

Однофазный двигатель переменного тока серии

Этот символ обозначает однофазный двигатель переменного тока. Он работает от однофазного источника переменного тока, и его обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря. Он также известен как модифицированный двигатель постоянного тока.

Двигатель постоянного тока

Двигатель постоянного тока, обмотка возбуждения которого соединена последовательно с обмоткой якоря, называется двигателем постоянного тока и на схематических изображениях обозначается этим символом.

Однофазный асинхронный двигатель

переменного тока с выведенными выводами обмотки

Он также известен как асинхронный двигатель с расщепленной фазой. Этот тип однофазного двигателя переменного тока имеет доступную отдельную обмотку, известную как пусковая обмотка с высоким сопротивлением. Пусковая обмотка используется для запуска двигателя.

Однофазный отталкивающий двигатель

Это однофазный двигатель переменного тока, работающий по принципу отталкивания между магнитным полем статора и ротора.Магнитное поле ротора создается индуцированным током и может вращаться, вращая щетки вдоль своей оси. Это вращающееся магнитное поле используется для изменения направления двигателя.

Параллельный двигатель постоянного тока

Это символ, используемый для параллельного двигателя постоянного тока, обмотка возбуждения которого подключена параллельно обмотке якоря. Обе обмотки подключены к общему источнику постоянного тока.

Однофазный синхронный двигатель

Этот символ обозначает однофазный синхронный двигатель переменного тока.Синхронные двигатели изначально запускаются как асинхронные, но позже достигают синхронной скорости, которая зависит только от входной частоты питания.

Двигатель постоянного тока с комбинированным возбуждением

Этот тип двигателя постоянного тока имеет как последовательную обмотку возбуждения, так и шунтирующую (или параллельную) обмотку возбуждения. Обмотка шунтирующего поля усиливает магнитное поле, создаваемое последовательной обмоткой. он имеет преимущества как двигателей постоянного тока с последовательной обмоткой, так и двигателей постоянного тока с параллельной обмоткой, то есть высокий пусковой момент и регулирование скорости.

Трехфазный двигатель переменного тока

Это общий символ, используемый для трехфазного двигателя переменного тока. Трехфазный источник переменного тока создает вращающееся магнитное поле, которое реагирует с магнитным полем, создаваемым ротором, таким образом вращая ротор.

Трехфазный двигатель в форме звезды

Это трехфазный двигатель, обмотки которого соединены вместе по схеме звезды или звезды. этот символ также обозначает функцию автоматического запуска двигателя.

Трехфазный двигатель с ротором

Этот символ представляет трехфазный двигатель с ротором. Это тип трехфазного двигателя переменного тока, ротор которого связан с внешним сопротивлением через контактные кольца. Преимущество двигателя с фазным ротором состоит в том, что он генерирует высокий пусковой момент при меньшем токе.

Трехфазный линейный двигатель

Этот символ представляет линейный двигатель, который работает от трехфазного источника питания переменного тока.Статор такого двигателя раскручивается для создания линейной силы вместо вращающего момента.

На следующем изображении показаны все символы электрических двигателей.

Соответствующие электрические / электронные символы:

Электродвигатель | Британника

Самый простой тип асинхронного двигателя показан на рисунке в разрезе. Трехфазный набор обмоток статора вставлен в пазы в железе статора. Эти обмотки могут быть подключены по схеме «звезда», обычно без внешнего подключения к нейтральной точке, или по схеме «треугольник». Ротор состоит из цилиндрического стального сердечника с проводниками, размещенными в пазах по всей поверхности. В наиболее обычной форме эти проводники ротора соединены вместе на каждом конце ротора проводящим концевым кольцом.

Поперечное сечение трехфазного асинхронного двигателя. Encyclopdia Britannica, Inc.

Основы работы асинхронного двигателя можно разработать, сначала предположив, что обмотки статора подключены к трехфазному источнику питания и что набор из трех синусоидальных токов, показанных на рисунке, протекает в обмотках статора. На этом рисунке показано влияние этих токов на создание магнитного поля в воздушном зазоре машины в течение шести моментов цикла.Для простоты показана только центральная токопроводящая петля для каждой фазной обмотки. В момент t ₁ на рисунке, ток в фазе a является максимально положительным, а в фазах b и c — вдвое отрицательным. Результатом является магнитное поле с приблизительно синусоидальным распределением вокруг воздушного зазора с максимальным значением наружу вверху и максимальным значением внутрь внизу. В момент времени t ₂ на рисунке (т.е.е., одна шестая часть цикла позже), ток в фазе c является максимально отрицательным, в то время как в фазе b и фазе a имеет положительное значение на половину. Результат, как показано на рисунке для t ₂, снова представляет собой синусоидально распределенное магнитное поле, но повернутое на 60 ° против часовой стрелки. Изучение распределения тока для т ₃, т ₄, т ₅ и т ₆ показывает, что магнитное поле продолжает вращаться с течением времени.Поле совершает один оборот за один цикл токов статора. Таким образом, совокупный эффект трех равных синусоидальных токов, равномерно смещенных во времени и протекающих в трех обмотках статора, равномерно смещенных в угловом положении, заключается в создании вращающегося магнитного поля с постоянной величиной и механической угловой скоростью, которая зависит от частоты электроснабжение.

Получите эксклюзивный доступ к контенту из нашего первого издания 1768 с вашей подпиской.
Подпишитесь сегодня

Вращательное движение магнитного поля относительно проводников ротора вызывает индуцирование в каждом из них напряжения, пропорционального величине и скорости поля относительно проводников.Поскольку проводники ротора закорочены друг с другом на каждом конце, это приведет к протеканию токов в этих проводниках. В простейшем режиме работы эти токи будут примерно равны индуцированному напряжению, деленному на сопротивление проводника. На этом рисунке показана диаграмма токов ротора за мгновение t ₁ рисунка. Видно, что токи примерно синусоидально распределены по периферии ротора и расположены так, чтобы создавать вращающий момент против часовой стрелки на роторе (т.е.е. крутящий момент в том же направлении, что и вращение поля). Этот крутящий момент ускоряет ротор и вращает механическую нагрузку. По мере увеличения скорости вращения ротора его скорость относительно скорости вращающегося поля уменьшается. Таким образом, индуцированное напряжение снижается, что приводит к пропорциональному снижению тока в проводнике ротора и крутящего момента. Скорость ротора достигает постоянного значения, когда крутящий момент, создаваемый токами ротора, равен крутящему моменту, необходимому на этой скорости для нагрузки, при отсутствии избыточного крутящего момента для ускорения объединенной инерции нагрузки и двигателя.

Вращающееся поле и токи, которые оно создает в короткозамкнутых проводниках ротора. Encyclopdia Britannica, Inc.

Механическая выходная мощность должна обеспечиваться входной электрической мощностью. Исходные токи статора, показанные на рисунке, достаточны только для создания вращающегося магнитного поля. Чтобы поддерживать это вращающееся поле при наличии токов ротора, показанных на рисунке, необходимо, чтобы обмотки статора несли дополнительную составляющую синусоидального тока такой величины и фазы, чтобы нейтрализовать влияние магнитного поля, которое в противном случае могло бы возникнуть. токами ротора на рисунке.Общий ток статора в каждой фазной обмотке является суммой синусоидальной составляющей, создающей магнитное поле, и другой синусоиды, опережающей первую на четверть цикла, или 90 °, для обеспечения необходимой электроэнергии. Вторая, или силовая, составляющая тока находится в фазе с напряжением, приложенным к статору, в то время как первая, или намагничивающая, составляющая отстает от приложенного напряжения на четверть цикла или 90 °. При номинальной нагрузке эта намагничивающая составляющая обычно находится в диапазоне 0.От 4 до 0,6 величины силовой составляющей.

Большинство трехфазных асинхронных двигателей работают с обмотками статора, подключенными непосредственно к трехфазному источнику питания постоянного напряжения и постоянной частоты. Типичное напряжение питания находится в диапазоне от 230 вольт между фазами для двигателей относительно небольшой мощности (например, от 0,5 до 50 киловатт) до примерно 15 киловольт между фазами для двигателей большой мощности и до примерно 10 мегаватт.

За исключением небольшого падения напряжения на сопротивлении обмотки статора, напряжение питания согласовано со скоростью изменения магнитного потока в статоре машины во времени.Таким образом, при питании с постоянной частотой и постоянным напряжением величина вращающегося магнитного поля остается постоянной, а крутящий момент примерно пропорционален силовой составляющей тока питания.

В асинхронном двигателе, показанном на предыдущих рисунках, магнитное поле вращается на один оборот за каждый цикл частоты питания. Для источника с частотой 60 Гц скорость поля составляет 60 оборотов в секунду или 3600 оборотов в минуту. Скорость ротора меньше скорости поля на величину, достаточную для того, чтобы индуцировать необходимое напряжение в проводниках ротора для создания тока ротора, необходимого для момента нагрузки.При полной нагрузке скорость обычно на 0,5–5 процентов ниже полевой скорости (часто называемой синхронной скоростью), причем более высокий процент применяется к двигателям меньшего размера. Эта разница в скорости часто называется скольжением.

Другие синхронные скорости могут быть получены с источником постоянной частоты путем создания машины с большим количеством пар магнитных полюсов, в отличие от двухполюсной конструкции, показанной на рисунке. Возможные значения скорости магнитного поля в оборотах в минуту: 120 f / p , где f — частота в герцах (циклов в секунду), а p — количество полюсов (которое должно быть четное число).Данный железный каркас может быть намотан для любого из нескольких возможных количеств пар полюсов с помощью катушек, охватывающих угол приблизительно (360/ p ) °. Крутящий момент, доступный от рамы машины, останется неизменным, поскольку он пропорционален произведению магнитного поля и допустимого тока катушки. Таким образом, номинальная мощность рамы, являющаяся произведением крутящего момента и скорости, будет примерно обратно пропорциональна количеству пар полюсов. Наиболее распространенные синхронные скорости для двигателей с частотой 60 Гц — 1800 и 1200 оборотов в минуту.

Привод однофазного асинхронного двигателя для навесного оборудования

Блок однофазного асинхронного электродвигателя моделирует привод с векторным управлением
однофазный привод машины. Конфигурация привода состоит из полумостового выпрямителя,
разделенная шина постоянного тока с двумя фильтрующими конденсаторами и двухпозиционный инвертор, который питает
обмотки двигателя.

Однофазная индукционная машина (СПИМ) без пусковых и рабочих конденсаторов,
трактуется как асимметричная двухфазная машина.Вспомогательная и основная обмотки
доступны и находятся в квадратуре. Эта конфигурация обеспечивает хорошие характеристики и
работа в режиме регенерации.

Уравнения

Однофазный асинхронный двигатель асимметричен из-за неравных сопротивлений
и индуктивности основной и вспомогательной обмоток. Для получения математической модели
двигателя с постоянными параметрами (напряжение, ток, магнитный поток) необходимо
чтобы преобразовать все переменные в стационарную систему отсчета
( d — q ) закреплен на статоре.

Математическая модель

На этой диаграмме показана математическая модель станка.

N _a и
N _м представляют собой количество
вспомогательная и основная обмотки статора соответственно.

Напряжение

Уравнения, определяющие напряжение для модели (в стационарном
опорная рамка d — q ):

0 = R’ri’qr + dϕqr’dt − 1k⋅ωrϕqr ‘,

0 = k2R’ri’dr + dϕdr’dt + k⋅ωrϕdr ‘,

где:

V _qs — это
q — напряжение статора по оси.
R _с — главный статор
сопротивление.
i _qs — это
q — ток статора по оси.
ϕ _qs — это
q — потокосцепление статора оси.
V _DS — это
d — напряжение статора оси.
R _a вспомогательный
сопротивление статора.
i _DS — это
d — ток статора по оси.
ϕ _ds — это
d — потокосцепление статора оси.
R ‘_r — обмотка ротора
сопротивление относительно основной обмотки статора.
i _qr — это
q — ток ротора оси отнесен к основному
обмотка статора.
ϕ ‘_qr — это
q — потокосцепление ротора оси, относящееся к
основная обмотка статора.
k — передаточное число
N _a к
N _м .
ω _r — ротор
электрическая угловая скорость.
i ‘_dr это
d -осевой ток ротора относительно основного
обмотка статора.
ϕ ‘_dr — это
d — потокосцепление ротора оси относящееся к
основная обмотка статора.
N _a — количество
вспомогательные обмотки статора.
N _м — количество основных
обмотки статора.

Flux

Уравнения, которые определяют поток для модели (в стационарной ссылке
рама d — q ) являются:

ϕqs = Llsiqs + Lms (iqs + iqr ‘)

ϕds = Llaids + k2Lms (ids + idr ‘)

ϕqr ‘= Llr’iqr’ + Lms (iqs + iqr ‘)

ϕdr ‘= k2Llr’idr’ + k2Lms (ids + idr ‘)

где:

L _ls — утечка
индуктивность основной обмотки статора.
L _la — утечка
индуктивность вспомогательной обмотки статора.
L _мс — намагничивание
индуктивность основной обмотки статора.
L ‘_lr — утечка
индуктивность обмотки ротора по отношению к главному статору
обмотка.

Электромагнитный крутящий момент, выраженный как функция магнитопроводов ротора
и токов

Te = P (k⋅ϕqr’idr’ − 1k⋅ϕdr’iqr ‘)

где:

Field-Oriented Control

Использование токов статора и потокосцеплений ротора в качестве переменных пространства состояний для
В модели SPIM уравнение электромагнитного момента равно

Te = P⋅LmsLr ‘(1k⋅iqsϕdr’ − k⋅idsϕqr’).

Используя следующее изменение переменной,

Следовательно, уравнение электромагнитного момента можно переписать как

Te = P⋅LmsLr’k (ϕdr’iqs1 − ϕqr’ids1).

При непрямом управлении потоком ротора ось d
Система отсчета ориентирована по вектору магнитной связи ротора
ϕ ‘_r , затем

Электромагнитный крутящий момент приводит к

Te = P⋅LmsLr’k⋅ϕr’iqs1e.

Отсюда составляющая тока оси q составляет

iqs1e = ⋅Te⋅Lr’k⋅Lms⋅P⋅ϕr ‘.

Результирующая скорость скольжения, ω _с , составляет

ωs = k3⋅Lms⋅iqs1e (Lr’Rr ‘) ⋅ϕr’.

Отсюда составляющая тока оси d —

, где надстрочный индекс e означает, что
переменная относится к синхронной системе отсчета.

На этой блок-схеме показано управление, ориентированное на поля.

Прямое управление крутящим моментом

Этот тип управления выбирает вектор напряжения из таблицы переключения на
управлять переключателями мощности в инверторе, чтобы получить требуемый поток статора
и соответствующий крутящий момент двигателя.Из уравнений двигателя в стационарном
опорная рамка d — q , оценить статор
поток и крутящий момент:

ϕqs = ∫ (Vqs − Rsiqs) dt

ϕds = ∫ (Vds − Raids) dt.

В приближении

и используя переменные статора (потокосцепления и токи)
как переменные пространства состояний модели SPIM, электромагнитный момент задается

Te = P (1k⋅iqsϕds − k⋅idsϕqs).

Используя кросс-произведение, крутящий момент равен

, то есть

где:

| ϕ _с | а также
| ϕ _r | являются
величины пространственных векторов потокосцепления статора и ротора,
соответственно.
δ — угол между пространством
векторы.

Изменение относительного движения
ϕ _с и
ϕ _r (определяется углом,
δ ) влияет на мгновенный крутящий момент двигателя.Если напряжение
падение сопротивления статора исключено, потокосцепление статора напрямую
зависит от выходного напряжения инвертора.

На следующей диаграмме показаны доступные векторы напряжения, соответствующие
возможных состояний инвертора, и четыре отдельных сектора в
d — q плоскость для двухполюсного инвертора.

Выбор соответствующих векторов напряжения инвертора может напрямую изменить
магнитудой ϕ _с (контроль потока) и
скорость вращения ϕ _с (контроль крутящего момента)
как показано на этой диаграмме сектора 1.

На этой блок-схеме показано управление прямым крутящим моментом.

Расчетные магнитный поток и крутящий момент сравниваются со справочными данными с использованием
гистерезисный контроль. Цифровые выходные переменные и поток статора
сектор положения используются для выбора соответствующего вектора напряжения из
таблица переключения. В этой таблице показан соответствующий вектор напряжения для
инвертор, где H _ϕ и
H _Te являются выходом флюса
и блоки гистерезиса крутящего момента

9045 Сектор 3

9045 (поток увеличивается)

Поток снижен)

H _ϕ	H _Te	Сектор 1	Сектор 2	Сектор 3	`1` (крутящий момент увеличивается)	V ₁	V ₂	V ₃	V ₄	V ₄
`0` (Момент снижен)	V ₄	V ₁	V ₂	V ₃
`1` (Крутящий момент повышен)	В ₂	В ₃	В ₄	V ₁
`0` (Крутящий момент снижен)	V ₃	V ₄	V ₁	V ₁

Электроприводы — Двигатели переменного тока

(Описание и применение)

Двигатели переменного тока

Многофазные асинхронные двигатели

Одна треть мирового потребления электроэнергии используется для работы асинхронных двигателей, приводящих в действие насосы, вентиляторы, компрессоры, лифты и механизмы различных типов.Асинхронный двигатель переменного тока — это распространенная форма асинхронного двигателя, работа которого зависит от трех электромагнитных явлений:

Действие двигателя — Когда железный стержень (или другой магнитный материал) подвешен в магнитном поле так, что он может свободно вращаться, он выравнивается с полем. Если магнитное поле движется или вращается, железный стержень будет двигаться вместе с движущимся полем, чтобы поддерживать выравнивание.
Вращающееся поле — Вращающееся магнитное поле может быть создано из фиксированных полюсов статора путем возбуждения каждой пары полюсов от разных фаз источника переменного тока.
Действие трансформатора — Ток в обмотках ротора индуцируется током в обмотках статора, что исключает необходимость прямого подключения источника питания к вращающимся обмоткам.

Асинхронный двигатель можно рассматривать как трансформатор переменного тока с вращающейся вторичной обмоткой.

Вращающиеся поля

Вращающиеся магнитные поля создаются многофазным возбуждением обмоток статора.В приведенном ниже примере трехфазного двигателя, когда ток, подаваемый на обмотку пары полюсов A (фаза 1), проходит свой пик и начинает падать, поток, связанный с обмоткой, также начинает ослабевать, но в то же время ток в обмотке следующей пары полюсов B (фаза 2) и связанный с ней поток возрастают. Одновременно ток через обмотку предыдущей пары полюсов C (фаза 3) и связанный с ней поток будет отрицательным и возрастающим (в сторону положительного). В результате возникает волна магнитного потока, создаваемая полюсами статора, которые вращаются от одного полюса к другому вокруг оси машины с частотой приложенного напряжения.Другими словами, вращающееся магнитное поле представляется статору как северный и южный полюса магнита, вращающегося вокруг статора.

Величина вращающейся магнитной волны пропорциональна приложенному MMF. Пренебрегая эффектом обратной ЭДС, создаваемой наведенными токами в обмотках ротора, плотность магнитного потока B будет пропорциональна приложенному напряжению.

История

Трансформатор Action

Статор несет первичные обмотки двигателя и подключен к источнику питания. Обычно нет внешних соединений с ротором, который несет вторичные обмотки. Вместо этого закорачиваются обмотки ротора.

Когда в обмотках статора протекает ток, в закороченных вторичных обмотках возникает ток под действием трансформатора.Величина тока ротора будет пропорциональна плотности потока B в воздушном зазоре (и относительному движению ротора, называемому скольжением, относительно вращающегося поля, как мы увидим ниже).

Крутящий момент создается реакцией между индуцированными токами ротора и потоком в воздушном зазоре, создаваемым токами статора.

Используются роторы многих типов.В наиболее популярных двигателях переменного тока используются роторы с «короткозамкнутым ротором», которые построены из медных или алюминиевых стержней, закрепленных между токопроводящими концевыми кольцами, которые обеспечивают путь короткого замыкания для токов, наведенных в стержнях.

Поскольку нет соединений с вращающимися обмотками, можно исключить дорогостоящий коммутатор, который может стать потенциальным источником ненадежности.

История

Создание крутящего момента (моторное действие)

Когда двигатель впервые включается и ротор находится в состоянии покоя, в обмотках (проводниках) ротора индуцируется ток под действием трансформатора. Другой способ увидеть это заключается в том, что относительное движение вращающегося потока, проходящего по более медленно движущимся (изначально статическим) обмоткам ротора, вызывает протекание тока в обмотках под действием генератора.

Когда в обмотках ротора протекает ток, вступает в действие действие двигателя из-за силы Лоренца, действующей на проводники. Реакция между током, протекающим в проводниках ротора, и магнитным потоком в воздушном зазоре заставляет ротор вращаться в том же направлении, что и вращающийся поток, как если бы он увлекался магнитной волной.

Подобно машине постоянного тока, крутящий момент в асинхронном двигателе T пропорционален плотности потока B и индуцированному току ротора I .Таким образом,

T = k ₁ BI

Где k ₁ — постоянная, зависящая от числа витков статора, числа фаз и конфигурации магнитной цепи.

Скорость ротора увеличивается из-за действия двигателя, описанного выше, но при этом уменьшается относительное движение между вращающимся полем статора и вращающимися проводниками ротора.Это, в свою очередь, снижает работу генератора и, следовательно, ток в проводниках ротора и крутящий момент на роторе. Когда скорость ротора приближается к скорости вращающегося поля, известной как синхронная скорость, крутящий момент на роторе падает до нуля. Таким образом, скорость асинхронного двигателя никогда не может достичь синхронной скорости.

Таким образом, асинхронный двигатель представляет собой асинхронную машину

Клинья

Относительное движение между вращающимся полем и вращающимся ротором называется скольжением и определяется по формуле:

S = N _s — N _r
№ _с

Где S — проскальзывание, N _s — синхронная скорость в об / мин, а N _r — скорость ротора.

Так как ток ротора пропорционален относительному движению между вращающимся полем и скоростью ротора, ток ротора и, следовательно, крутящий момент прямо пропорциональны скольжению.

Ток ротора пропорционален сопротивлению ротора. Увеличение сопротивления ротора уменьшит ток и увеличит скольжение; следовательно, для двигателей с фазным ротором возможна форма управления скоростью и крутящим моментом.Повышенное сопротивление ротора также дает дополнительное преимущество в виде уменьшения входного импульсного тока и увеличения пускового момента при включении, но все эти преимущества достигаются за счет более сложной конструкции ротора и ненадежных контактных колец, обеспечивающих доступ к обмоткам ротора.

Скорость

Синхронная скорость в об / мин определяется по формуле:

N _s = 120 ( f )
п

Где f — частота в сети в Гц, а p — количество полюсов на фазу. p должно быть четным целым числом, поскольку каждому северному полюсу соответствует соответствующий южный полюс.

В следующей таблице показаны скорости вращения двигателей с разным числом полюсов, работающих с разными частотами питания переменного тока.

Скорость вращения ротора (об / мин)

Количество полюсов	2	4	6	8	10	12
Частота 50 Гц	3000	1500	1000	750	600	500
Частота 60 Гц	3600	1800	1200	900	720	600

Фактическая скорость двигателя зависит от нагрузки, которую он должен приводить.Увеличение нагрузки на двигатель приводит к его замедлению, увеличивая скольжение. Скорость двигателя установится на равновесную скорость, когда крутящий момент двигателя равен крутящему моменту нагрузки. Это происходит, когда скольжение обеспечивает ток, достаточный для обеспечения необходимого крутящего момента.

Контроль скорости

Смена полюсов

Ранние машины были сконструированы с несколькими полюсами для облегчения управления скоростью путем переключения полюсов.Путем переключения на различное количество или комбинацию полюсов можно получить ограниченное количество фиксированных скоростей.

Переменное сопротивление ротора

Скорость асинхронных двигателей, однако, можно изменять в ограниченном диапазоне, изменяя сопротивление ротора, как указано в разделе о скольжении, но только за счет использования конструкции с фазным ротором, что сводит на нет многие преимущества асинхронного двигателя.

Переменная частота

Поскольку скорость двигателя зависит от скорости вращающегося поля, управление скоростью может осуществляться путем изменения частоты переменного тока, подаваемого на двигатель.

Как и в большинстве машин, асинхронный двигатель предназначен для работы с плотностью магнитного потока чуть ниже точки насыщения в большей части рабочего диапазона для достижения оптимального КПД.

Плотность потока B определяется по формуле:

B = k ₂ V

Где В, — приложенное напряжение, f — частота питания, а k ₂ — постоянная величина, зависящая от формы и конфигурации полюсов статора.

Другими словами, если плотность потока постоянна, вольт на герц также будет постоянной. Это важные отношения, и они имеют следующие последствия.

Отметим также, что, поскольку индуцированный ток в роторе пропорционален плотности потока, а плотность потока, в свою очередь, пропорциональна линейному напряжению, крутящий момент, который зависит от произведения плотности потока и тока ротора, пропорционален квадрат линейного напряжения В .

Действие генератора

Если асинхронный двигатель вынужден работать на скоростях, превышающих синхронную скорость, крутящий момент нагрузки превышает крутящий момент машины, и скольжение является отрицательным, реверсируя ЭДС, наведенную ротором, и ток ротора. В этой ситуации машина будет действовать как генератор, энергия которого возвращается в источник.

Если просто убрать напряжение питания переменного тока для возбуждения статора, генерация невозможна, поскольку в роторе не может быть индуцированного тока.

Рекуперативное торможение

Таким образом, в тяговых приложениях рекуперативное торможение невозможно при скорости ниже синхронной в машине, питаемой от источника фиксированной частоты. Однако если двигатель питается от преобразователя частоты, то рекуперативное торможение возможно за счет уменьшения частоты питания, так что синхронная скорость становится меньше скорости двигателя.

Двигатели

переменного тока могут управляться микропроцессором с высокой точностью и могут регенерировать ток почти до остановки, тогда как регенерация постоянного тока быстро затухает на низких скоростях.

Динамическое торможение

Асинхронные двигатели

могут быть быстро остановлены (и / или реверсированы) путем переворота одной пары проводов, что имеет эффект обращения вращающейся волны. Это называется «закупоркой». Двигатель также можно быстро остановить, отключив питание переменного тока и запитав обмотки статора источником постоянного тока (нулевой частоты). При использовании обоих этих методов энергия не возвращается в источник, а рассеивается в двигателе в виде тепла.Эти методы известны как динамическое торможение.

Подробнее о характеристиках асинхронного двигателя и генератора.

Начиная с

Трехфазные асинхронные двигатели и некоторые синхронные двигатели не являются самозапускающимися, но для решения этой проблемы используются такие конструктивные изменения, как вспомогательные или «демпферные» обмотки на роторе.

Обычно асинхронный двигатель потребляет в 5–7 раз больше номинального тока во время запуска, прежде чем скорость возрастет и ток не будет изменен обратной ЭДС. В двигателях с фазным ротором пусковой ток можно ограничить путем увеличения сопротивления последовательно с обмотками ротора.

В конструкции с короткозамкнутым ротором электронные системы управления используются для управления током, чтобы предотвратить повреждение двигателя или его источника питания.

Даже при регулировании тока двигатель все еще может перегреваться, потому что, хотя ток может быть ограничен, нарастание скорости происходит медленнее, а пусковой ток, хотя и сниженный, сохраняется в течение более длительного периода.

Коэффициент мощности

Ток, потребляемый асинхронным двигателем, состоит из двух составляющих: тока, синфазного с напряжением, управляющего передачей мощности нагрузке, и индуктивной составляющей, представляющей ток намагничивания в магнитной цепи, который отстает на 90 ° от тока нагрузки.

Коэффициент мощности определяется как cosΦ , где Φ — чистое отставание тока от приложенного напряжения из-за синфазных и противофазных составляющих тока. Полезная мощность, подаваемая на нагрузку, составляет VAcosΦ , где V, — приложенное напряжение, A, — протекающий ток.

Различные методы коррекции коэффициента мощности используются для уменьшения запаздывания по току, чтобы избежать потерь из-за низкого коэффициента мощности.Самый простой — подключить конденсатор подходящего размера к клеммам двигателя. Поскольку ток через конденсатор ведет к напряжению, конденсатор уравновешивает индуктивный элемент в двигателе, компенсируя отставание по току.

Коррекция коэффициента мощности также может выполняться в контроллере мотора.

Характеристики

Одним из основных преимуществ асинхронного двигателя является то, что ему не нужен коммутатор.Следовательно, асинхронные двигатели просты, прочны, надежны, не требуют обслуживания и относительно невысоки.

Обычно это устройства с постоянной скоростью, скорость которых пропорциональна частоте сети.

Двигатели с регулируемой скоростью также возможны при использовании контроллеров двигателей, которые обеспечивают выход переменной частоты.

Приложения

Трехфазные асинхронные двигатели используются везде, где требуется питание переменного тока от национальной сети.Поскольку им не нужны коммутаторы, они особенно подходят для приложений с высокой мощностью.

Они доступны с допустимой мощностью от нескольких ватт до более 10 мегаватт.

Они в основном используются в тяжелой промышленности и в станках.

Доступность твердотельных инверторов в последние годы означает, что асинхронные двигатели теперь могут работать от источника постоянного тока.Теперь они находят применение в автомобильных приложениях для электрических и гибридных электромобилей. Асинхронные двигатели считаются более надежными для этих применений, чем двигатели с постоянными магнитами, которые уязвимы для возможной деградации или размагничивания магнитов из-за перегрева или случайного перегрузки по току при уровнях мощности более 5 кВт. Тем не менее, асинхронный двигатель может не подходить для некоторых автомобильных применений из-за трудностей, связанных с отводом тепла от ротора, проблем эффективности в широком диапазоне скоростей и мощностей, а также более дорогостоящего производственного процесса из-за распределенных обмоток.Электродвигатели с постоянными магнитами и реактивные двигатели могут предложить лучшие решения для этих приложений.

Асинхронный двигатель с обмоткой ротора

В настоящее время представляют только исторический интерес, эти двигатели были разработаны для управления характеристиками скорости и момента машины. Они использовали обычные обмотки на роторе, которые были доступны через контактные кольца. Обмотки ротора не были подключены к питающей сети, но ток через обмотки можно было контролировать с помощью внешних реостатов, подключенных последовательно с обмотками.Современные электронные средства управления сделали эти конструкции устаревшими.

Однофазные асинхронные двигатели

На первый взгляд можно предположить, что создать вращающееся поле, используя только однофазное питание, невозможно. Однако с помощью вспомогательной обмотки статора, смещенной от основной обмотки, можно создать вторую магнитодвижущую силу (MMF) во вспомогательной обмотке, не совпадающую по фазе с MMF в основной обмотке, и этого достаточно для создания вращающейся поле.

Конденсаторные двигатели

Необходимая разность фаз между основной и вспомогательной обмотками может быть обеспечена путем последовательного включения конденсатора большой емкости со вспомогательной обмоткой. Эти двигатели обычно используются в бытовых стиральных машинах, холодильниках и душевых насосах и могут быть легко идентифицированы по большому электролитическому конденсатору, прикрепленному к корпусу двигателя.

В качестве альтернативы использованию внешнего конденсатора в методе с расщепленной фазой используется вспомогательная обмотка с высоким сопротивлением.Разницы в сопротивлении двух обмоток достаточно для создания необходимой разности фаз между токами в двух обмотках.

Двигатели с экранированными полюсами

В двигателе с экранированными полюсами используется другой, довольно грубый, метод наведения второго MMF статора, не совпадающего по фазе с основным MMF, чтобы создать желаемое вращающееся поле от однофазного источника переменного тока. Короткозамкнутый виток толстой меди, известный как затеняющее кольцо, устанавливается в паз полюсного наконечника.Некоторая часть магнитного потока, создаваемого основной обмоткой, индуцирует ток в затеняющем кольце, который создает свой собственный слабый поток, который противодействует и задерживает основной поток, проходящий через кольцо, так что результирующий поток через кольцо не в фазе с основным потоком. Таким образом, между одной стороной полюса и другой существует разность фаз. Хотя этот метод неэффективен, его снова достаточно для создания вращающегося поля.

Характеристики

Однофазные асинхронные двигатели менее эффективны, чем многофазные машины, и были разработаны в основном для домашнего использования, поскольку большинство жилых домов получают только однофазное питание.

Нет контроля скорости.

Приложения

Все виды бытовой техники и легкой промышленности.

Синхронные двигатели переменного тока

Синхронный двигатель похож на асинхронный в том смысле, что это многофазная машина, в которой статор создает вращающееся поле, однако ротор состоит из постоянных магнитов или электромагнитов, питаемых постоянным током, подаваемым через контактные кольца.

Крутящий момент

Крутящий момент зависит от притяжения магнитов ротора к вращающимся магнитным полюсам, а не от относительного движения между обмотками в роторе и вращающимся магнитным полем. Таким образом, он может блокировать вращающееся поле. См. Альтернативное двигательное действие. В отличие от асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, синхронные двигатели могут работать и создавать крутящий момент с синхронной скоростью.

Их трудно запускать на частоте сети, потому что вращающееся поле слишком быстрое, поэтому им нужно запускать на более низкой частоте или им нужны невозбужденные вспомогательные обмотки или элементарный беличий каркас для приведения ротора к синхронной скорости. Когда двигатель приближается к синхронной скорости, он внезапно переключается на синхронизацию.

Момент затяжки

Для достижения синхронизации крутящий момент двигателя должен быть больше крутящего момента нагрузки.Крутящий момент, возникающий, когда двигатель блокируется на синхронной скорости, называется тяговым моментом. Если нагрузка больше тягового момента, двигатель не достигнет синхронной скорости.

Момент отрыва

По мере увеличения нагрузки на двигатель крутящий момент двигателя и угол крутящего момента также увеличиваются. Однако, если угол крутящего момента превышает 90 градусов, крутящий момент начнет падать, и двигатель потеряет синхронизацию и в конечном итоге остановится.Вытягивающий момент обычно в 1,5 раза превышает номинальный крутящий момент.

Характеристики

Синхронный режим.

Приложения

Приложения с фиксированной скоростью, такие как часы и таймеры

Двигатели с синхронным сопротивлением

Принцип действия основных реактивных двигателей описан в разделе, посвященном вентильным реактивным двигателям.

Так называемый «синхронный» реактивный двигатель разработан для работы на переменном токе сетевой частоты и использует распределенные обмотки статора, аналогичные тем, которые используются в асинхронных двигателях с короткозамкнутым ротором. Однако ротору необходимы явные полюсы для создания переменного магнитного сопротивления в магнитной цепи двигателя, которое зависит от углового положения ротора. Эти выступающие полюса могут быть созданы путем фрезерования осевых пазов по длине ротора с короткозамкнутым ротором.См. Диаграмму ниже.

Характеристики

Синхронный реактивный двигатель не запускается самостоятельно без короткозамкнутого ротора. Во время разгона он ведет себя как асинхронный двигатель, но по мере приближения к синхронной скорости начинает действовать реактивный крутящий момент, и двигатель блокируется на синхронной скорости.

Приложения

Используется там, где требуется регулируемое регулирование скорости в таких приложениях, как дозирующие насосы и промышленное технологическое оборудование.

Гистерезисный двигатель

Гистерезисный синхронный двигатель состоит из статора с обмоткой, создающего вращающееся поле, и ротора в виде цилиндрической оболочки с поперечинами, изготовленными из твердой стали с относительно высоким магнитным гистерезисом.

При запуске комбинированные эффекты вихревых токов в стали, вызывающих работу асинхронного двигателя, и остаточного магнетизма в стали, заставляющего магнитные полюса следовать за вращающимся полем, вместе вызывают увеличение скорости двигателя. Когда двигатель приближается к синхронной скорости, магнитный эффект поперечин, ведущих себя как постоянный магнит, заставляет двигатель блокироваться на синхронной скорости. В конечном итоге крутящий момент остается примерно постоянным на всех скоростях.

Характеристики

Простой дизайн

Запускается как асинхронный двигатель и фиксируется как синхронный двигатель.

Имея гладкий ротор из однородного материала, шум и вибрация по своей сути низкие. Поскольку нет полюсных поверхностей или выступов, магнитный путь имеет постоянную магнитную проницаемость, что устраняет магнитные пульсации, которые являются основной причиной шума в явнополюсном типе.

Приложения

Их эффективность невысока, а приложения ограничены малыми номинальными мощностями.

Широко используется в магнитофонах и часах.

Сейчас в основном заменены двигателями с постоянными магнитами.

Универсальные моторы

Двигатель переменного тока, в котором используются обмотки ротора с раздельным возбуждением и коммутатор для подачи тока на обмотки ротора, ведет себя во многом так же, как щеточный двигатель постоянного тока, и фактически может использоваться как универсальный двигатель, питающийся от переменного или постоянного тока. источник.

В отличие от асинхронных и синхронных двигателей, скорость универсальных двигателей не ограничена частотой электросети и может легко превышать один оборот за цикл. Это делает их полезными для бытовой техники, такой как блендеры, пылесосы и фены, которым требуется высокая скорость работы. Возможны скорости до 30 000 об / мин, но допустимая нагрузка по току ограничена коммутатором и щетками, что ограничивает их использование в приложениях с малой мощностью около 1 киловатта или меньше.Подробнее об универсальных двигателях.

См. Также

Бесщеточные двигатели переменного тока (с постоянным магнитом)

Основы электрических машин

Двигатели постоянного тока