Однофазный асинхронный двигатель: как устроен и работает
Само название этого электротехнического устройства свидетельствует о том, что электрическая энергия, поступающая на него, преобразуется во вращательное движение ротора. Причем прилагательное «асинхронный» характеризует несовпадение, отставание скоростей вращения якоря от магнитного поля статора.
Слово «однофазный» вызывает неоднозначное определение. Связано это с тем, что термин «фаза» в электрике определяет несколько явлений:
сдвиг, разность углов между векторными величинами;
потенциальный проводник двух, трех или четырехпроводной электрической схемы переменного тока;
одну из обмоток статора или ротора трехфазного двигателя либо генератора.
Поэтому сразу уточним, что однофазным электродвигателем принято называть тот, который работает от двухпроводной сети переменного тока, представленной фазным и нулевым потенциалом. Количество обмоток, вмонтированных в различных конструкциях статоров, на это определение не влияют.
Конструкция электродвигателя
По своему техническому устройству асинхронный двигатель состоит из:
1. статора — статической, неподвижной части, выполненной корпусом с расположенными на нем различными электротехническими элементами;
2. ротора, вращаемого силами электромагнитного поля статора.
Механическое соединение этих двух деталей выполнено за счет подшипников вращения, внутренние кольца которых посажены на подогнанные гнезда вала ротора, а внешние вмонтированы в защитные боковые крышки, закрепляемые на статоре.
Ротор
Его устройство у этих моделей такое же, как у всех асинхронных двигателей: на стальном валу смонтирован магнитопровод из шихтованных пластин на основе мягких сплавов железа. На его внешней поверхности выполнены пазы, в которые вмонтированы стержни обмоток из алюминия или меди, закороченные по концам на замыкающие кольца.
В обмотке ротора протекает электрический ток, индуцируемый магнитным полем статора, а магнитопровод служит для хорошего прохождения создаваемого здесь же магнитного потока.
Отдельные конструкции ротора у однофазных двигателей могут быть выполнены из немагнитных или ферромагнитных материалов в форме цилиндра.
Статор
Конструкция статора также представлена:
Его основное назначение заключается в генерировании неподвижного или вращающегося электромагнитного поля.
Статорная обмотка обычно состоит из двух контуров:
У самых простых конструкций, предназначенных для ручной раскрутки якоря, может быть выполнена всего одна обмотка.
Принцип работы асинхронного однофазного электрического двигателя
С целью упрощения изложения материала представим, что обмотка статора выполнена всего одним витком петли. Ее провода внутри статора разносят по кругу на 180 угловых градусов. По ней проходит переменный синусоидальный ток, имеющий положительные и отрицательные полуволны. Он создает не вращающееся, а пульсирующее магнитное поле.
Как возникают пульсации магнитного поля
Разберем этот процесс на примере протекания положительной полуволны тока в моменты времени t1, t2, t3.
Она проходит по верхней части токопровода по направлению к нам, а по нижней — от нас. В перпендикулярной плоскости, представленной магнитопроводом, вокруг проводника возникают магнитные потоки Ф.
Изменяющиеся по амплитуде токи в рассматриваемые моменты времени создают разные по величине электромагнитные поля Ф1, Ф2, Ф3. Поскольку ток в верхней и нижней половине один и тот же, но виток изогнут, то магнитные потоки каждой части направлены встречно и уничтожают действие друг друга. Определить это можно по правилу буравчика или правой руки.
Как видим, при положительной полуволне вращения магнитного поля не наблюдается, а происходит только его пульсация в верхней и нижней части провода, которая еще и взаимно уравновешивается в магнитопроводе. Этот же процесс происходит при отрицательном участке синусоиды, когда токи изменяют направление на противоположное.
Поскольку вращающееся магнитное поле отсутствует, то и ротор останется неподвижным, ибо нет сил, приложенных к нему для начала вращения.
Как создается вращение ротора в пульсирующем поле
Если придать ротору вращение, хотя бы рукой, то он будет продолжать это движение. Для объяснения этого явления покажем, что суммарный магнитный поток изменяется по частоте синусоиды тока от нуля до максимального значения в каждом полупериоде (с изменением направления на противоположное) и состоит из двух частей, образуемых в верхней и нижней ветвях, как показано на рисунке.
Магнитное пульсирующее поле статора состоит из двух круговых с амплитудой Фмакс/2 и двигающихся в противоположных направлениях с одной частотой.
В этой формуле обозначены:
nпр и nобр частоты вращения магнитного поля статора в прямом и обратном направлениях;
n1 — скорость вращающегося магнитного потока (об/мин);
p — число пар полюсов;
f — частота тока в обмотке статора.
Теперь рукой придадим вращение двигателю в одну сторону, и он сразу подхватит движение за счет возникновения вращающегося момента, вызванного скольжением ротора относительно разных магнитных потоков прямого и обратного направлений.
Примем, что магнитный поток прямого направления совпадает с вращением ротора, а обратный, соответственно, будет противоположен. Если обозначить через n2 частоту вращения якоря в об/мин, то можно записать выражение n2
Например, электродвигатель работает от сети 50 Гц с n1=1500, а n2=1440 оборотов в минуту. Его ротор имеет скольжение относительно магнитного потока прямого направления Sпр=0,04 и частоту тока f2пр=2 Гц. Обратное же скольжение Sобр=1,96, а частота тока f2обр=98 Гц.
На основании закона Ампера при взаимодействии тока I2пр и магнитного поля Фпр появится вращающий момент Мпр.
Здесь величина постоянного коэффициента сМ зависит от конструкции двигателя.
При этом также действует обратный магнитный поток Мобр, который вычисляется по выражению:
В итоге взаимодействия этих двух потоков появится результирующий:
Внимание! При вращении ротора в нем наводятся токи разной частоты, которые создают моменты сил с разными направлениями. Поэтому якорь двигателя будет совершать вращение под действием пульсирующего магнитного поля в ту сторону, с которой он начал вращение.
Во время преодоления однофазным двигателем номинальной нагрузки создается небольшое скольжение с основной долей прямого крутящего момента Мпр. Противодействие тормозного, обратного магнитного поля Мобр сказывается совсем незначительно из-за различия частот токов прямого и обратного направлений.
f2обр обратного тока значительно превышает f2пр, а создаваемое индуктивное сопротивление Х2обр сильно превышает активную составляющую и обеспечивает большое размагничивающее действие обратного магнитного потока Фобр, который в итоге этого уменьшается.
Поскольку коэффициент мощности у двигателя под нагрузкой небольшой, то обратный магнитный поток не может оказать сильное воздействие на вращающийся ротор.
Когда же одна фаза сети подана на двигатель с неподвижным ротором (n2=0), то скольжения, как прямое, так и обратное равны единице, а магнитные поля и силы прямого и обратного потоков уравновешены и вращения не возникает. Поэтому от подачи одной фазы невозможно раскрутить якорь электродвигателя.
Как быстро определить частоту вращения двигателя:
Как создается вращение ротора у однофазного асинхронного двигателя
За всю историю эксплуатации подобных устройств разработаны следующие конструкторские решения:
1. ручная раскрутка вала рукой или шнуром;
2. использование дополнительной обмотки, подключаемой на время запуска за счет омического, емкостного или индуктивного сопротивления;
3. расщепление короткозамкнутым магнитным витком магнитопровода статора.
Первый способ использовался в начальных разработках и не стал применяться в дальнейшем из-за возможных рисков получения травм при запуске, хотя он не требует подключения дополнительных цепочек.
Применение фазосдвигающей обмотки в статоре
Чтобы придать начальное вращение ротору к статорной обмотке дополнительно на момент запуска подключают еще одну вспомогательную, но только сдвинутую по углу на 90 градусов. Ее выполняют более толстым проводом для пропускания бо́льших токов, чем протекающие в рабочей.
Схема подключения такого двигателя показана на рисунке справа.
Здесь для включения применяется кнопка типа ПНВС, которая специально создана для таких двигателей и широко использовалась в работе стиральных машин, выпускаемых при СССР. У этой кнопки сразу включаются 3 контакта таким образом, что два крайних после нажатия и отпускания остаются зафиксированы во включенном состоянии, а средний — кратковременно замыкается, а потом под действием пружины возвращается в исходное положение.
Замкнутые же крайние контакты можно отключить нажатием на соседнюю кнопку «Стоп».
Кроме кнопочного выключателя для отключений дополнительной обмотки в автоматическом режиме используются:
1. центробежные переключатели;
2. дифференциальные или токовые реле;
Для улучшения запуска двигателя под нагрузкой применяются дополнительные элементы в фазосдвигающей обмотке.
Подключение однофазного двигателя с пусковым сопротивлением
В такой схеме к статорной дополнительной обмотке последовательно монтируется омическое сопротивление. При этом намотка витков выполняется биффилярным способом, обеспечивающим коэффициент самоиндукции катушки очень близким к нулю.
За счет выполнения этих двух приемов при прохождении токов по разным обмоткам между ними возникает сдвиг по фазе порядка 30 градусов, чего вполне достаточно. Разность углов создается за счет изменения комплексных сопротивлений в каждой цепи.
При этом методе еще может встречаться пусковая обмотка с заниженной индуктивностью и увеличенным сопротивлением. Для этого применяют намотку с маленьким числом витков провода заниженного поперечного сечения.
Подключение однофазного двигателя с конденсаторным запуском
Емкостной сдвиг токов по фазе позволяет создать кратковременное подключение обмотки с последовательно соединенным конденсатором. Эта цепочка работает только во время выхода двигателя на режим, а затем отключается.
У конденсаторного запуска создается наибольший крутящий момент и более высокий коэффициент мощности, чем при резистивном или индуктивном способе запуска. Он может достигать величины 45÷50% от номинального значения.
В отдельных схемах к цепочке рабочей обмотки, которая постоянно включена, тоже добавляют емкость. За счет этого добиваются отклонения токов в обмотках на угол порядка π/2. При этом в статоре сильно заметен сдвиг максимумов амплитуд, который обеспечивает хороший крутящий момент на валу.
За счет этого технического приема двигатель при пуске способен выработать больше мощности. Однако, такой метод используют только с приводами тяжелого запуска, например, для раскрутки барабана стиральной машины, заполненного бельем с водой.
Конденсаторный запуск позволяет изменять направление вращения якоря. Для этого достаточно сменить полярность подключения пусковой или рабочей обмотки.
Подключение однофазного двигателя с расщепленными полюсами
У асинхронных двигателей с небольшой мощностью порядка 100 Вт используют расщепление магнитного потока статора за счет включения в полюс магнитопровода короткозамкнутого медного витка.
Разрезанный на две части такой полюс создает дополнительное магнитное поле, которое сдвинуто от основного по углу и ослабляет его в месте охваченного витком. За счет этого создается эллиптическое вращающееся поле, образующее момент вращения постоянного направления.
В подобных конструкциях можно встретить магнитные шунты, выполненные стальными пластинками, которые замыкают края наконечников статорных полюсов.
Двигатели подобных конструкций можно встретить в вентиляторных устройствах обдува воздуха. Они не обладают возможностью реверса.
Подключение трехфазного двигателя к однофазной сети
Асинхронные трехфазные двигатели, а именно их, из-за широкого распространения, часто приходится использовать, состоят из неподвижного статора и подвижного ротора. В пазах статора с угловым расстоянием в 120 электрических градусов уложены проводники обмоток, начала и концы которых (C1, C2, C3, C4, C5 и C6) выведены в распределительную коробку. Обмотки могут быть соединены по схеме «звезда» (концы обмоток соединены между собой, к их началам подводится питающее напряжение) или «треугольник» (концы одной обмотки соединены с началом другой).
В распределительной коробке контакты обычно сдвинуты — напротив С1 не С4, а С6, напротив С2 — С4.
При подключении трехфазного двигателя к трехфазной сети по его обмоткам в разный момент времени по очереди начинает идти ток, создающий вращающееся магнитное поле, которое взаимодействует с ротором, заставляя его вращаться. При включении двигателя в однофазную сеть, вращающий момент, способный сдвинуть ротор, не создается.
Среди разных способов подключения трехфазных электродвигателей в однофазную сеть наиболее простой — подключение третьего контакта через фазосдвигающий конденсатор.
Частота вращения трехфазного двигателя, работающего от однофазной сети, остается почти такой же, как и при его включении в трехфазную сеть. К сожалению, этого нельзя сказать о мощности, потери которой достигают значительных величин. Точные значения потери мощности зависят от схемы подключения, условий работы двигателя, величины емкости фазосдвигающего конденсатора. Ориентировочно, трехфазный двигатель в однофазной сети теряет около 30-50% своей мощности.
Не все трехфазные электродвигатели способны хорошо работать в однофазных сетях, однако большинство из них справляются с этой задачей вполне удовлетворительно — если не считать потери мощности. В основном для работы в однофазных сетях используются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (А, АО2, АОЛ, АПН и др.).
Асинхронные трехфазные двигатели рассчитаны на два номинальных напряжения сети — 220/127, 380/220 и т.д. Наиболее распространены электродвигатели с рабочим напряжением обмоток 380/220В (380В — для «звезды», 220 — для «треугольника). Большее напряжение для «звезды», меньшее — для «треугольника». В паспорте и на табличке двигателей кроме прочих параметров указывается рабочее напряжение обмоток, схема их соединения и возможность ее изменения.
Обозначение на табличке А говорит о том, что обмотки двигателя могут быть подключены как «треугольником» (на 220В), так и «звездой» (на 380В). При включении трехфазного двигателя в однофазную сеть желательно использовать схему «треугольник», поскольку в этом случае двигатель потеряет меньше мощности, чем при подключении «звездой».
Табличка Б информирует, что обмотки двигателя подсоединены по схеме «звезда», и в распределительной коробке не предусмотрена возможность переключить их на «треугольник» (имеется всего лишь три вывода). В этом случае остается или смириться с большой потерей мощности, подключив двигатель по схеме «звезда», или, проникнув в обмотку электродвигателя, попытаться вывести недостающие концы, чтобы соединить обмотки по схеме «треугольник».
Начала и концы обмоток (различные варианты)
Самый простой случай, когда в имеющемся двигателе на 380/220В обмотки уже подключены по схеме «треугольник». В этом случае нужно просто подсоединить токоподводящие провода и рабочий и пусковой конденсаторы к клеммам двигателя согласно схеме подключения.
Если в двигателе обмотки соединены «звездой», и имеется возможность изменить ее на «треугольник», то этот случай тоже нельзя отнести к сложным. Нужно просто изменить схему подключения обмоток на «треугольник», использовав для этого перемычки.
Определение начал и концов обмоток. Дело обстоит сложнее, если в распределительную коробку выведено 6 проводов без указания об их принадлежности к определенной обмотке и обозначения начал и концов. В этом случае дело сводится к решению двух задач (Но прежде чем этим заниматься, нужно попробовать найти в Интернете какую-либо документацию к электродвигателю. В ней может быть описано к чему относятся провода разных цветов.):
- определению пар проводов, относящихся к одной обмотке;
- нахождению начала и конца обмоток.
Первая задача решается «прозваниванием» всех проводов тестером (замером сопротивления). Если прибора нет, можно решить её с помощью лампочки от фонарика и батареек, подсоединяя имеющиеся провода в цепь последовательно с лампочкой. Если последняя загорается, значит, два проверяемых конца относятся к одной обмотке. Таким способом определяются три пары проводов (A, B и C на рисунке ниже) относящихся к трем обмоткам.
Вторая задача (определение начала и конца обмоток) несколько сложнее и требует наличия батарейки и стрелочного вольтметра. Цифровой не годится из-за инертности. Порядок определения концов и начал обмоток показан на схемах 1 и 2.
К концам одной обмотки (например, A) подключается батарейка, к концам другой (например, B) — стрелочный вольтметр. Теперь, если разорвать контакт проводов А с батарейкой, стрелка вольтметра качнется в ту или иную сторону. Затем необходимо подключить вольтметр к обмотке С и проделать ту же операцию с разрывом контактов батарейки. При необходимости меняя полярность обмотки С (меняя местами концы С1 и С2) нужно добиться того, чтобы стрелка вольтметра качнулась в ту же сторону, как и в случае с обмоткой В. Таким же образом проверяется и обмотка А — с батарейкой, подсоединенной к обмотке C или B.
В итоге всех манипуляций должно получиться следующее: при разрыве контактов батарейки с любой из обмоток на 2-х других должен появляться электрический потенциал одной и той же полярности (стрелка прибора качается в одну сторону). Теперь остается пометить выводы одного пучка как начала (А1, В1, С1), а выводы другого — как концы (А2, В2, С2) и соединить их по необходимой схеме — «треугольник» или «звезда» (если напряжение двигателя 220/127В).
Извлечение недостающих концов. Пожалуй, самый сложный случай — когда двигатель имеет соединение обмоток по схеме «звезда», и нет возможности переключить ее на «треугольник» (в распределительную коробку выведено всего лишь три провода — начала обмоток С1, С2, С3) (см. рисунок ниже). В этом случае для подключения двигателя по схеме «треугольник» необходимо вывести в коробку недостающие концы обмоток С4, С5, С6.
Чтобы сделать это, обеспечивают доступ к обмотке двигателя, сняв крышку и, возможно, удалив ротор. Отыскивают и освобождают от изоляции место спайки. Разъединяют концы и припаивают к ним гибкие многожильные изолированные провода. Все соединения надежно изолируют, крепят провода прочной нитью к обмотке и выводят концы на клеммный щиток электродвигателя. Определяют принадлежность концов началам обмоток и соединяют по схеме «треугольник», подсоединив начала одних обмоток к концам других (С1 к С6, С2 к С4, С3 к С5). Работа по выводу недостающих концов требует определенного навыка. Обмотки двигателя могут содержать не одну, а несколько спаек, разобраться в которых не так-то и просто. Поэтому если нет должной квалификацией, возможно, не останется ничего иного, как подключить трехфазный двигатель по схеме «звезда», смирившись со значительной потерей мощности.
Схемы подключения трехфазного двигателя в однофазную сеть
Обеспечение пуска. Пуск трехфазного двигателя без нагрузки можно осуществлять и от рабочего конденсатора (подробнее ниже), но если электродвигатель имеет какую-то нагрузку, он или не запустится, или будет набирать обороты очень медленно. Тогда для быстрого пуска необходим дополнительный пусковой конденсатор Сп (расчет емкости конденсаторов описан ниже). Пусковые конденсаторы включаются только на время пуска двигателя (2-3 сек, пока обороты не достигнут примерно 70% от номинальных), затем пусковой конденсатор нужно отключить и разрядить.
Удобен запуск трехфазного двигателя с помощью особого выключателя, одна пара контактов которого замыкается при нажатой кнопке. При ее отпускании одни контакты размыкаются, а другие остаются включенными — пока не будет нажата кнопка «стоп».
Реверс. Направление вращения двигателя зависит от того, к какому контакту («фазе») подсоединена третья фазная обмотка.
Направлением вращения можно управлять, подсоединив последнюю, через конденсатор, к двухпозиционному тумблеру, соединенному двумя своими контактами с первой и второй обмотками. В зависимости от положения тумблера двигатель будет вращаться в одну или другую сторону.
На рисунке ниже представлена схема с пусковым и рабочим конденсатором и кнопкой реверса, позволяющая осуществлять удобное управление трехфазным двигателем.
Подключение по схеме «звезда». Подобная схема подключения трехфазного двигателя в сеть с напряжением 220В используется для электродвигателей, у которых обмотки рассчитаны на напряжение 220/127В.
Конденсаторы. Необходимая емкость рабочих конденсаторов для работы трехфазного двигателя в однофазной сети зависит от схемы подключения обмоток двигателя и других параметров. Для соединения «звездой» емкость рассчитывается по формуле:
Для соединения «треугольником»:
Где Ср — емкость рабочего конденсатора в мкФ, I — ток в А, U — напряжение сети в В. Ток рассчитывается по формуле:
Где Р — мощность электродвигателя кВт; n — КПД двигателя; cosф — коэффициент мощности, 1.73 — коэффициент, характеризующий соотношение между линейным и фазным токами. КПД и коэффициент мощности указаны в паспорте и на табличке двигателя. Обычно их значение находится в диапазоне 0,8-0,9.
На практике величину емкости рабочего конденсатора при подсоединении «треугольником» можно посчитать по упрощенной формуле C = 70•Pн, где Pн — номинальная мощность электродвигателя в кВт. Согласно этой формуле на каждые 100 Вт мощности электродвигателя необходимо около 7 мкФ емкости рабочего конденсатора.
Правильность подбора емкости конденсатора проверяется результатами эксплуатации двигателя. Если её значение оказалось больше, чем требуется при данных условиях работы, двигатель будет перегреваться. Если емкость оказалась меньше требуемой, выходная мощность электродвигателя будет слишком низкой. Имеет резон подбирать конденсатор для трехфазного двигателя, начиная с малой емкости и постепенно увеличивая её значение до оптимального. Если есть возможность, лучше подобрать емкость измерением тока в проводах подключенных к сети и к рабочему конденсатору, например токоизмерительными клещами. Значение тока должно быть наиболее близким. Замеры следует производить при том режиме, в котором двигатель будет работать.
При определении пусковой емкости исходят, прежде всего, из требований создания необходимого пускового момента. Не путать пусковую емкость с емкостью пускового конденсатора. На приведенных выше схемах, пусковая емкость равна сумме емкостей рабочего (Ср) и пускового (Сп) конденсаторов.
Если по условиям работы пуск электродвигателя происходит без нагрузки, то пусковая емкость обычно принимается равной рабочей, то есть пусковой конденсатор не нужен. В этом случае схема включения упрощается и удешевляется. Для такого упрощения и главное удешевления схемы, можно организовать возможность отключения нагрузки, например, сделав возможность быстро и удобно изменять положение двигателя для ослабления ременной передачи, или сделав для ременной передачи прижимной ролик, например, как у ременного сцепления мотоблоков.
Пуск под нагрузкой требует наличия дополнительной емкости (Сп) подключаемой на время запуска двигателя. Увеличение отключаемой емкости приводит к возрастанию пускового момента, и при некотором определенном ее значении момент достигает своего наибольшего значения. Дальнейшее увеличение емкости приводит к обратному результату: пусковой момент начинает уменьшаться.
Исходя из условия запуска двигателя под нагрузкой близкой к номинальной, пусковая емкость должна быть в 2-3 раза больше рабочей, то есть, если емкость рабочего конденсатора 80 мкФ, то емкость пускового конденсатора должна быть 80-160 мкФ, что даст пусковую емкость (сумма емкости рабочего и пускового конденсаторов) 160-240 мкФ. Но если двигатель имеет небольшую нагрузку при запуске, емкость пускового конденсатора может быть меньше или, как писалось выше, его вообще может не быть.
Пусковые конденсаторы работают непродолжительное время (всего несколько секунд за весь период включения). Это позволяет использовать при запуске двигателя наиболее дешевые пусковые электролитические конденсаторы, специально предназначенные для этой цели (http://www.platan.ru/cgi-bin/qweryv.pl/0w10609.html).
Отметим, что у двигателя подключенного к однофазной сети через конденсатор, работающего без нагрузки, по обмотке, питаемой через конденсатор, идет ток на 20-30% превышающий номинальный. Поэтому, если двигатель используется в недогруженном режиме, то емкость рабочего конденсатора следует уменьшить. Но тогда, если двигатель запускался без пускового конденсатора, последний может потребоваться.
Лучше использовать не один большой конденсатор, а несколько поменьше, отчасти из-за возможности подбора оптимальной емкости, подсоединяя дополнительные или отключая ненужные, последние можно использовать в качестве пусковых. Необходимое количество микрофарад набирается параллельным соединением нескольких конденсаторов, исходя из того, что суммарная емкость при параллельном соединении подсчитывается по формуле: Cобщ = C1 + C1 + . + Сn.
В качестве рабочих используются обычно металлизированные бумажные или пленочные конденсаторы (МБГО, МБГ4, К75-12, К78-17 МБГП, КГБ, МБГЧ, БГТ, СВВ-60). Допустимое напряжение должно не менее чем в 1,5 раза превышать напряжение сети.
