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 действия
Всем нам на школьных уроках физики демонстрировали опыты с проволочной рамкой, помещенной в поле постоянного магнита. Если через рамку пропустить ток, то на проводники в правой и левой части рамки будет действовать силы Ампера, создающие вращающий момент, и рамка с током будет поворачиваться до тех пор, пока она не займет положение, в котором действующие силы уравновешивают друг друга.
Если заставить поле вращаться, рамка с током будет вращаться вместе с ним. На этом принципе основана работа синхронного электродвигателя. Рамка с магнитами — аналог электрического двигателя. Вращающаяся рамка с током — ротор. Неподвижные магниты — статор.
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.
Трехфазный синхронный двигатель
Теперь надо заставить неподвижный статор создать вращающееся магнитное поле.
Для начала заменим постоянные магниты катушками с током обмотками статора. Катушка с током создает такое же магнитное поле, как и магнит. Разместим на статоре не одну катушку-магнит, а три, повернув их на 120 градусов относительно друг друга. Подадим на эти обмотки переменный ток со сдвигом фаз на 120 градусов. Именно так сдвинуты фазы в трехфазной сети.
Результирующее магнитное поле есть результат векторного сложения трех полей. Суммарный вектор магнитной индукции будет вращаться с частотой переменного тока. За один период магнитное поле, создаваемое статором трехфазного двигателя, совершает полный оборот. Ротор, который аналогичен катушке с током, поворачивается вместе с магнитным полем статора с той же скоростью. Таким образом ротор синхронного двигателя вращается частотой питающего переменного тока.
Синхронные двигатели обладают самыми лучшими характеристиками, развивают максимальную мощность и обеспечивают высокий КПД. Однако там тяжелый ротор с обмотками, который сложно балансировать. К обмоткам ротора надо подводить ток, а это требует применения крайне ненадежного щеточного узла. В общем, синхронный двигатель — это хорошо, но сложно, дорого и не очень надежно.
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.
Проверка работоспособности
Поломки случаются с любым механизмом, и электрический мотор не является исключением. Определить поломки можно чаще всего внешним осмотром. Для проведения диагностики и более основательного изучения дефектов потребуется специальное оборудование и контрольно-измерительные приборы. Конечно же, диагностировать поломку можно подав пусковой ток, если мотор не работает, то пора его менять. Основные типы внешних признаков, указывающих на то что нужен ремонт:
- Появился запах гари.
- На корпусе потемнела краска из-за перегрева.
- Имеются повреждения корпуса.
В некоторых ситуациях исправить поломку можно своими усилиями. Нужно подключить оборудование к постоянному току, переменный в этой ситуации не подойдет. Далее, дать поработать двигателю около 10−15 минут. Если за это время он нагрелся, то причина может быть в следующем:
- дефекты у подшипников: поломки, вытекла смазка и другие факторы.
- высокая емкость конденсатора.
Во второй ситуации можно отключить конденсатор или понизить его ёмкость, что приведет к понижению температуры. В настоящее время рекомендуется за помощью обращаться в специализированные мастерские, так как самостоятельный ремонт не всегда бывает эффективным. Чтобы сделать однофазный двигатель 220 В низкооборотистым, также потребуется настройка на специальных стендах.
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.
Обзор моделей
Среди отечественных поставщиков и производителей двухфазных электродвигателей 220v можно выделить серию АИР. Они отлично подходят для промышленных и бытовых нужд. Конструктивными особенностями можно назвать наличие фланцев и специальных лап крепления на корпусе. Они могут быть в комплекте по отдельности либо вместе. Цена не будет сильно отличаться от этого. На все варианты низкооборотных или высокобортных моделей действует гарантия около 12 месяцев, в зависимости от бренда. Разновидности корпусов:
- Алюминиевый — при высоте вращения шкива до 90 миллиметров.
- Чугунный — при высоте вращения шкива от 90 миллиметров.
Зная, для чего предназначен однофазный двигатель 220 В, можно сразу же выбрать подходящий вариант. Отдельного внимания заслуживает компания ААСО, которая базируется на территории Италии.
Предприятие реализует низкооборотные и другие типы электрических моторов нового поколения. При покупке нужно изначально проконсультироваться с ответственными менеджерами интернет-магазинов.
Косвенное включение
Подключение однофазного двигателя
Основным компонентом схемы косвенного включения является магнитный пускатель, который включается в разрыв между выходом силовой сети и электродвигателем.
Силовые контакты этого блока выполнены как нормально разомкнутые. Магнитный пускатель по величине максимального протекающего через него тока относится к одной из семи нормированных групп. Из-за небольшой мощности однофазных электродвигателей обычно достаточно устройства первой группы, максимальное значение коммутируемого тока которого составляет 10 А.
Управляющая часть катушки предназначена для подключения к сетям с различным напряжением. Наиболее удобным является магнитный пускатель с управлением от 220в переменного тока.
Перемотка якоря
Процесс замены обмотки коллекторного двигателя несколько похож за исключением небольших нюансов, связанных с особенностью исполнения. Например, на перемотку отправляют якорь, а не корпус, при условии, что проблема возникла не с катушками возбуждения. Помимо этого имеются следующие отличия:
- Для намотки применяется специальный станок, более сложной конфигурации.
- Обязательно необходима проточка, балансировка якоря (в финальной части процесса), а также его чистка и шлифовка.
- При помощи специального фрезерного станка производится нарезка коллектора.
Для перечисленных процессов требует спецоборудование, без него перемотка электродвигателей — пустая трата времени.
