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.
Коллекторные vs асинхронные двигатели
Вопрос – коллекторный двигатель или асинхронный – решаем первоочередно. Процесс несложный. Коллектором называется барабан, разделенный медными секциями, формой близкой прямоугольной, сделанными из меди. Формирует токосъемник, в коллекторных двигателях ротор всегда питается электрическим током. Постоянным, переменным — поле создается приложенным напряжением.
Коллекторный двигатель содержит минимум две щетки. Трехфазные встретим редко. Сведения о таких агрегатах описаны литературой середины прошлого века. Применялись коллекторные трехфазные двигатели, регулируя скорость вращения вала в широких пределах. Мотор указанного типа снабжен щетками, медным барабаном, разделенным секциями. Пропустить признак и невооруженным глазом затруднительно. Примеры коллекторных двигателей:
- Пылесос, стиральная машина.
- Болгарка, дрель, электрический ручной инструмент.
Коллекторные двигатели широко используются, обеспечивая сравнительно простой реверс, реализуемый переменой коммутации обмоток. Скорость регулируется изменением угла отсечки питающего напряжения, либо амплитуды. К общим недостаткам коллекторных двигателей относятся:
- Шумность. Трение щетками барабана неспособно происходить бесшумно. При переходе секцией идет искрение. Эффект вызывает помехи радиочастотного диапазона, издается сонм посторонних звуков. Коллекторные двигатели сравнительно шумные. Потрудитесь вспомнить пылесос. Стиральная машина, выполняя режим стирки работает не так громко? Низкие обороты коллекторных двигателей хороши.
- Необходимость обслуживания обуславливается наличием трущихся деталей. Токосъемник чаще загрязнен графитом. Попросту недопустимо, может замкнуть соседние секции. Грязь повышает уровень шума, прочие негативные эффекты.
Все хорошо в меру. Коллекторные двигатели позволят получить заданную мощность (крутящий момент), на старте, после разгона. Сравнительно просто регулировать обороты. Названа причина увлечения бытовой техники коллекторными разновидностями, асинхронные двигатели выступают сердцем оборудования, обладающего повышенными требованиями к уровню звукового давления. Вентиляторы, вытяжки. Серьезные нагрузки потребуют внесения серьезных конструктивных изменений. Повышаются стоимость, размеры, сложность, делая невыгодным изготовление.
Коллекторный двигатель отличается наличием… коллектора. Даже если нельзя увидеть снаружи (скрыт кожухом), заметим непременные графитовые щетки, прижатые пружинками. Деталь требует замены со временем, поможет коллекторный двигатель от асинхронного отличить.
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:
Фпр = Фобр
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:
Sпр = (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:
Sобр = (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.
Однофазные и трехфазные д0вигатели асинхронного типа
Договорились — трехфазные коллекторные двигатели достать сложно, текущий раздел речь ведет касательно асинхронных машин. Разновидности перечислим:
- Трехфазные асинхронные двигатели снабжены числом выводов три-шесть рабочих обмоток за вычетом различных предохранителей, внутренних реле, разнообразных датчиков. Катушки статора внутри объединяются звездой, делая невозможным напрямую включение в однофазную сеть.
- Однофазные двигатели, снабженные пусковой обмоткой, помимо прочего снабжаются парой контактов, ведущих к концевому центробежному выключателю. Миниатюрное устройство обрывает цепь, когда вал раскручен. Пусковая обмотка катализирует начальный этап. Дальнейшим действием будет мешать, снижая КПД двигателя. Принято конструкцию называть бифилярной. Пусковая обмотка наматывается двойным проводом, снижая реактивное сопротивление. Помогает уменьшить емкость конденсатора — критично. Ярким примером однофазных двигателей асинхронного типа с пусковой обмоткой выступают компрессоры бытовых холодильников.
- Конденсаторная обмотка, отличаясь от пусковой, работает непрерывно. Двигатели найдем внутри напольных вентиляторов. Конденсатор дает сдвиг фаз 90 градусов, позволяя выбрать направление вращения, поддержать нужную форму электромагнитного поля внутри ротора. Типично на корпусе двигателя конденсатор крепится.
Читать также: Зачем нужна медная смазка
Трехфазные асинхронные двигатели
Научимся, как отличить однофазные двигатели асинхронного типа от трехфазных. В последнем случае внутри всегда имеется три равноценных обмотки. Поэтому можно найти три пары контактов, которые при исследовании тестером дают одинаковое сопротивление. Например, 9 Ом. Если обмотки объединены звездой внутри, выводов с одинаковым сопротивлением будет три. Из них любая пара дает идентичные показания, отображаемые экраном мультиметра. Сопротивление каждый раз равно двум обмоткам.
Поскольку ток должен выходить, иногда трехфазный двигатель имеет вывод нейтрали. Центр звезды, с каждым из трех других проводов дает идентичное сопротивление, вдвое меньшее, нежели демонстрирует попарная прозвонка. Указанные выше симптомы говорят красноречиво: двигатель трёхфазный, теме сегодняшнего разговора чуждый.
Рассматриваемые рубрикой моторы обмоток содержат две. Одна пусковая, либо конденсаторная (вспомогательная). Выводов обычно три-четыре. Отсутствуй украшающий корпус конденсатор, можно попробовать рассуждать, озадачиваясь предназначением контактов следующим образом:
- Выводов четыре штуки — нужно измерить сопротивление. Обычно звонятся попарно. Сопротивление ниже — нашли основную обмотку, подключаемую к сети 230 вольт без конденсатора. Полярность не играет роли, направление вращения задается способом включения вспомогательной обмотки, коммутацией катушек. Проще говоря, осуществите подключение однофазного электродвигателя характерного типа с одной лишь основной обмоткой — в начальный период времени вал стоит стоймя. Куда раскрутишь, туда пойдет вращение. Остерегайтесь производить старт рукой — поломает.
Устройство асинхронного двигателя
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 Cn 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.
