Однофазный асинхронный электродвигатель — устройство, принцип работы

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.

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.

Общие сведения об однофазных электродвигателях

Бытовой электродвигатель — это двигатель однофазный, который, по ошибке, часто называют «двухфазный электродвигатель», т.к. он применятся в сети с напряжением 220В. В связи с этим двигателиь однофазный называют электродвигатель 220 или двигатель 220в. Электродвигатели серии АИРЕ (двигатели однофазные — «бытовые электродвигатели») асинхронные однофазные с короткозамкнутым ротором конденсаторные предназначены для работы от сети переменного тока напряжением 220 В частотой 50 Гц. Допускается работа от сети напряжением 230 В частотой 50 Гц и 220, 230 В частотой 60 Гц. Двигатель однофазный 220в выполнен с двухфазной обмоткой на статоре («двухфазный двигатель»). Для уменьшения влияния температуры окружающей среды на емкость конденсаторов их следует размещать в местах, наименее подверженных колебаниям температуры. В процессе эксплуатации двигателя рекомендуется периодически контролировать величину емкости конденсатора.

Условия эксплуатации однофазного двигателя 220в

• Напряжение и частота: 220В при частоте 50 Гц.
• Вид климатического исполнения: У2, У3, У5, УХЛ,2, Т2.
• Режим работы: S1.
• Степень защиты базового варианта: IP 54.
• Степень охлаждения — IC 041.
• Класс нагревостойкости изоляции: электродвигатели изготавливаются с изоляцией класса нагревостойкости «В» или «F» по ГОСТ 8865-93.
• Номинальные значения климатических факторов по ГОСТ 15150-69 и ГОСТ 15543.1-89.
• Запыленность воздуха не более 2 мг/м3.
• Группа механического исполнения М1 по ГОСТ 17516.1-90.
• Воздействие вибрационных нагрузок для двигателей, соответствующих 1 степени жесткости по ГОСТ 17516.1-90.

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.

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:

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.

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.

Переключение на нужное напряжение

Для начала необходимо убедиться в том, что наш двигатель имеет нужные параметры. Они написаны на бирке, прикрепленной у него сбоку. Там должно быть указано, что один из параметров – 220в. Далее, смотрим подключение обмоток. Стоит запомнить такую закономерность схемы: звезда – для более низкого напряжения, треугольник – для более высокого. Что это означает?

Увеличение напряжения

Предположим, на бирке написано: Δ/Ỵ220/380. Это значит, что нам нужно включение треугольником, так как чаще всего соединение по умолчанию – на 380 вольт. Как это сделать? Если электродвигатель в борне имеет клеммную коробку, то несложно. Там есть перемычки, и все, что нужно – переключить их в нужное положение.

В данной ситуации это сложностей не вызывает. Главное помнить, что есть начало и конец катушек. К примеру, возьмем за начало концы, которые были выведены в борно электродвигателя. Значит то, что спаяно – это концы. Теперь важно не перепутать.

Подключаем так: начало одной катушки соединяем с концом другой, и так далее.

Как видим, схема простая. Теперь двигатель, который был соединен для 380, можно включать в сеть 220 вольт.

Уменьшение напряжения

Предположим, на бирке написано: Δ/Ỵ 127/220. Это означает, что нужно подсоединение звездой. Опять же, если есть клеммная коробка, то все хорошо. А если нет, и включен наш электродвигатель треугольником? А если еще и концы не подписаны, то как их правильно соединить? Ведь здесь тоже важно знать, где начало намотки катушки, а где конец. Есть некоторые способы решения этой задачи.

Для начала разведем все шесть концов в стороны и омметром найдем сами статорные катушки.

Берем обычную батарейку и подсоединяем к концам а1-а2. К двум другим концам (в1-в2) подсоединяем омметр.

В момент разрыва контакта с батарейкой стрелка прибора качнется в одну из сторон. Запомним, куда она качнулась, и включаем прибор к концам с1-с2, при этом не меняем полярность батарейки. Проделываем все заново.

Если стрелка отклонилась в другую сторону, тогда меняем провода местами: с1 маркируем как с2, а с2 как с1. Смысл в том, чтобы отклонение было одинаковым.

Теперь батарейку с соблюдением полярности соединяем с концами с1-с2, а омметр – на а1-а2.

Добиваемся того, чтобы отклонение стрелки на любой катушке было одинаковым. Перепроверяем еще раз. Теперь один пучок проводов (например, с цифрой 1) у нас будет началом, а другой – концом.

Берем три конца, например, а2, в2, с2, и соединяем вместе и изолируем. Это будет соединение звездой. Как вариант, можем вывести их в борно на клеммник, промаркировать. На крышку наклеиваем схему соединения (или рисуем маркером).

Переключение треугольник – звезда сделали. Можно подключаться к сети и работать.

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.

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.

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.

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.

Правила запуска

В этом аспекте проблем возникать не будет. Эти устройства устанавливаются практически на все типы бытовых устройств, поэтому достаточно стандартной бытовой розетки. В независимости от того, какая разновидность электродвигателя используется, ток нужен всегда переменный. Если используется малооборотный электромотор, то могут применяться другие типы источников энергии. Существует два основных типа пусковых систем:

1. Запуск осуществляется за счет дополнительной обмотки. После достижения ротором требуемых оборотов она просто отключается и работает только основная обмотка.
2. Используется во втором случае конденсатор, который подключается к дополнительной обмотке. Работает такая система постоянно.

Все типы рассмотренных однофазных электродвигателей 220 В взаимозаменяемы. То есть один и тот же тип мотора устанавливается на холодильник, стиральную машину, газонокосилку и так далее. В настоящее время при ремонте и техническом обслуживание нужно соблюдать основные правила безопасности. При любом нарушении изоляции следует проводить замену изоленты при выключенном устройстве.