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

7.1.3. ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВ Начальный период. Индукционный нагрев проводников основан на физическом явлении электромагнитной индукции, открытом М. Фарадеем в 1831 г. Теорию индукционного нагрева начали разрабатывать О. Хэвисайд (Англия, 1884 г.), С. Ферранти, С. Томпсон, Ивинг. Их

Англоязычный справочник называет асинхронный электродвигатель индукционным. Сразу точки встают над i. Интернет забит вопросами отличий данного типа машин, нюансы коллекторных, синхронных движков, на деле выходит просто. Единственный вид двигателей, создающий полюсы явлением индукции. Прочие конструкции применяют постоянные магниты, катушки, питаемые током… Только в индукционных (асинхронных) двигателях используются наводки, создающие движущую силу. Фактор определяет особенность – отличие скорости вращения вала от частоты поля.

Устройство асинхронного двигателя

Начнем простейшим распространенным вариантом: питание переменным током подается на обмотки статора. Посмотрите фото: типичный образчик статора. Вынув ротор, нельзя сказать, какому типу двигателей принадлежит сердечник, увитый медью. Получили главный вывод: статор не определяет методику формирования движущей силы. Скорее выступает опорой, относительно которой действует статор.

Видим составной сердечник, содержащий две катушки. Направление намотки создает два явных полюса. Нельзя назвать сгущения напряженности поля северным или южным, поскольку направление линий постоянно меняется (с удвоенной частотой сети 100 Гц). Сборка ведется следующим образом:

1. Катушки мотают отдельно. Конструкторы знают, сколько витков нужно, каким проводом вести.
2. Полученный моток надевают аккуратно на распорки магнитопровода (традиционной формы буквы Т). Для изоляции прокладывают слой винила, другого полимера.
3. Затем концы обмоток чуть пригибают к периферии, витки плотно упираются в основание буквы Т.
4. В нашем случае сердечник составной, внутренняя часть катушками вставлена во внешнее кольцо. Но чаще конструкция попроще.

Сердечник собирается из пластин, изолированных друг от друга при помощи лака. Идет работа асинхронного электродвигателя на 230 вольт, переменное поле наводит вихревые токи, вызывая эффект перемагничивания. Чтобы снизить потери, сердечник разбивается на пластины. Специальная сталь, легированная добавками кремния обеспечивает низкий коэффициент электропроводности.

Статор электрического двигателя

В бытовых асинхронных электродвигателях полюсов статора два. Встречаются исключения из правила. На другом снимке видим статор асинхронного двигателя напольного вентилятора с тремя скоростями. Полюсов восемь, чтобы запитать такую кучу железа, понадобился конденсатор. Сдвигает фазу напряжения на минус 90 градусов относительно тока. Становится возможным создать переменное вращающееся поле внутри статора. Данный тип асинхронных двигателей называется конденсаторным.

Первым две фазы использовать предложил Никола Тесла.

Схема выглядит следующим образом:

1. Четыре обмотки, лежащие в вершинах креста запитываются сетью 230 вольт. Две – противолежащие – имеют один знак полюса, прочие – другой. Получается, поле вращается с половинной скоростью сети (25 Гц). Этого хватает исправной работе вентилятора.
2. Плавный пуск асинхронного электродвигателя и работы возможны только в условиях, когда поле сглажено. Для этих целей применяются четыре обмотки, лежащие по диагоналям. Здесь напряжение сдвинуто на 90 градусов. Использованием вспомогательных катушек технические характеристики улучшаются.

Как подстраиваются обороты? Регуляторы скорости асинхронного электродвигателя коммутируют обмотку. Клавиатура управления устроена в каждый момент времени допускать нажатие одной кнопки, либо никакой. Восемь обмоток имеют пару отводов. Статором производится нужная коммутация, некоторые ветви запитываются конденсатором. Нажатие каждой кнопки включает в работу часть обмотки. Полностью статор работает на высшей скорости.

Принцип работы схемы

Примерная схема, демонстрирующая принцип работы, иллюстрируется фото. Скорость вращения задается коммутацией обмоток кнопками 1, 2, 3. Необходимость защиты от одновременного включения диктуется требованиями к нормальной работе устройства. В результате реализуется простейшими методами управление по скорости.

Сердечник магнитопровода составлен листами электротехнической стали, снижающей потерь на нагрев. Температура может достигать значительных размеров, поэтому ротор асинхронного двигателя вентилятора снабжается лопастями (см. фото). Любой вентилятор реально может только разогревать воздух, никак не наоборот.

Роторы асинхронных двигателей

Ротор асинхронного двигателя

В данном случае двигатель обеспечит долговременную работу. Поэтому ротор снабжен лопастями тангенциального вентилятора. Помогает охладить конструкцию жаркими летними ночами. Хозяин может спокойно спать, игнорируя возможность пожара. Любой хороший прибор работает аналогичным образом (себя охлаждает). В данном случае двигатель сконструирован по схеме с короткозамкнутым ротором. На валу сидит барабан, где в силумин утоплены медные жилы. Закорочены друг на друга кольцевым соединителем. Подобное техническое решение в литературе традиционно называется беличьей клеткой (колесом) в силу очевидных причин.

Асинхронный короткозамкнутый электродвигатель является доминирующим в быту. Поля в проводниках наводятся статором, затем происходит сцепление через эфир, вал набирает обороты. Никогда не догонит частоту сети. Потому что индукционные токи обращаются в нуль, сцепление нарушается. Вал тормозит, снова подхватывается полем. Подобным образом действуют однофазные асинхронные электродвигатели, любые другие. В сущности, нет разницы, при помощи чего создается переменное поле.

Выделяют ещё одно большое семейство. Устройство асинхронного электродвигателя принципиально иное. Ротор снабжен обмотками, как коллекторный мотор. Обычно трехфазные. Это позволит навести гораздо более сильные поля, возникает крупная проблема: сложно стронуть с места вал. Огромная напряженность поля образует невероятной силы сцепление, за счет чего имеется возможность выхода оборудования из строя. Кроме того вал вообще так не раскрутится.

Вот поэтому для уменьшения силы наведенных токов (напряженности поля) в цепи всех фаз ротора врубается реостат. Активное сопротивление мешает ЭДС развить мощность на валу: некоторая доля рассеивается джоулевым теплом, формируемым активным сопротивлением. Стартовый момент асинхронного двигателя с фазным ротором достаточно велик, срыва оборотов не происходит. Понятно, что значение сопротивлений реостата для каждой конструкции свое. Определяют цифру ротор асинхронного электродвигателя, заданные характеристики, стартовая нагрузка.

Обратите внимание, что во всех случаях с асинхронными двигателями наблюдаем большие потери. Особенно хорошо видно на примере реостата. Мощность асинхронного электродвигателя напрямую тратится на рассеиваемое тепло. Главным достоинство рассматриваемого класса приборов все-таки считаются простота конструкции и обслуживания. В противном случае любые типы асинхронных электродвигателей заброшены бы были на помойку истории.

Как работает асинхронный двигатель

Статор создает вращающееся магнитное поле. Направление линий напряженности определяется правилом буравчика (правой руки). Поэтому статор пока отложим в сторону, попробуем понять, что параллельно происходит на роторе. Начнем беличьей клеткой.

Внутри статора находится поле, линии напряженности которого в первом приближении направлены к центру, где находится вал. Пересекают проводник беличьей клетки под углом близким 90 градусам. По правилу правой руки переменное поле индуцирует ЭДС, порождающую ток. В результате возникает ответ.

Любая пара проводников беличьей клетки обращается в рамку. Вокруг вращается поле статора. По правилу руки возникает ответное поле, направленное противоположно исходному:

1. Ротор движется медленнее статора. Пусть вращение описывает часовую стрелку.
2. В какой-то момент северный полюс начинает догонять один из проводников беличьей клетки.
3. Ток направлен так, что круговые линии напряженности ответного магнитного поля идут навстречу полюсу.
4. Получается, впереди по курсу полюс наталкивается на одноименный знак заряда, начинает толкать его. Позади образуется «юг», старающийся бежать вслед полю.

Простое краткое объяснение того, почему беличья клетка, в конце концов, начинает вращаться. Ротор не должен быть слишком тяжелым, сцепление полей не очень сильное. Это объясняет низкое тяговое усилие, развиваемое асинхронным двигателем на старте. Пусковой ток высок, поскольку ничто не препятствует генерации поля внутри статора. Обратите внимание: в роторе однофазного асинхронного двигателя, показанного на фото в начале статьи, проводники беличьей клетки чуть наклонены к оси барабана. Помогает создать более равномерный магнитный полюс, компенсируя недостатки (в первую очередь неравномерность) вращения поля статора.

Фазный ротор состоит из обмоток, нормаль которых направлена примерно на центр двигателя (вал). Можно каждую представить гипертрофированной ячейкой беличьей клетки. Витков много (в дрелях, к примеру, порядка 40), сила поля намного выше. За счет резкого скачка на старте потребляемая энергия стала бы слишком большой. Уровень ЭДС значителен (определен скоростью изменения магнитного потока). Цепь ротора дополняется реостатом, пытаются компенсировать недостаток. Активное сопротивление понижает ток, закономерно снижая ответное поле, генерируемое проводниками.

Фазный ротор может улучшить характеристики асинхронных электродвигателей, два-три проводника (грубо говоря) дают большее тяговое усилие. К минусам технического решения относят наличие токосъемников, щеточного аппарата. Для снижения износа в некоторых асинхронных двигателях после набора оборотов ротор закорачивается специальным механизмом. Намного продляется жизнь оборудования.

Не видим причин рассматривать подробнее фазный ротор, лучшей иллюстрацией послужит усиленная беличья клетка. Представьте себе: вместо одной стало сорок штук! Количество (от 40 и вниз) регулируется сопротивлением реостата.

Как задать обороты асинхронного двигателя

Любой, в том числе асинхронный трехфазный, электродвигатель неспособен развить обороты близкие частоте поля. Количество полюсов стремятся снизить. Но даже в этом случае редко удается достичь желанных 3000 об/мин (50 Гц х 60 сек). В принципе невозможно. Увеличение количества полюсов статора практикуется для понижения оборотов, как показано выше на примере напольного вентилятора.

Чаще практикуется подключение асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором на трехфазный регулятор амплитуды. Методика позволит максимально просто добиться результата. Токи асинхронных электродвигателей велики на старте, «благодаря» потерям сердечника ротора (с ростом оборотов снижаются). Нельзя сказать, что ремонт своими руками статоров относится к категории простых, но намного лучше, нежели перематывать ротор коллектора. Простотой конструкции объясняется любовь промышленности к этому роду устройств.

Асинхронные трех фазные двигатели

В рубрике «Общее» рассмотрим устройство и принцип работы трех фазных и одно фазных асинхронных двигателей. Электродвигатели переменного тока очень широко применяются в промышленности, на транспорте, в авиации, в автоматических системах управления и регулирования, а также в народном хозяйстве. В насосном оборудовании применяются асинхронный электрический двигатель переменного тока. Двигатель преобразует электрическую энергию (энергию магнитного поля) в механическую (вращательную) энергию на валу насоса. Насос преобразует механическую энергию в гидравлическую энергию перемещения жидкости. В наше время асинхронные являются наиболее распространенными электродвигателями. Они получили такое широкое распространение из-за своей низкой стоимости, простоты в конструкции и высокой надежности при эксплуатации. Коэффициент полезного действия (КПД): асинхронных двигателей при мощностях более 1 кВт составляет 0,7 — 0,95. Существует различные . Наиболее часто применяемые способы будут рассмотрены в отдельной статье.

Электромагнетизм

Из курса физики известно, что магнит имеет два полюса: северный (отрицательный) и южный (положительный). Противоположные полюса магнитов притягиваются, а одинаковые – отталкиваются друг от друга (см. рис).

При протекании электрического тока по проводнику, вокруг него создается магнитное поле. Это явление называется электромагнетизмом. Физические законы одинаковы как для постоянных магнитов, так и электромагнитов. Чем выше ток, протыкаемый по проводнику, тем сильнее магнитное поле. Магнитное поле вокруг проводника можно увеличить, если на стальной сердечник намотать катушку. В таком случае линии магнитного потока, образуемого каждым витком, складываются и создают единое магнитное поле вокруг катушки. Чем больше количество витков в катушке, тем сильнее магнитное поле. Это поле имеет такие же свойства и характеристики, что и постоянное магнитное поле, а, следовательно, и у электромагнитов тоже есть северный и южный полюса. Если в катушке поменять направление движения электрического тока, то поменяются местами и полюса электромагнита (см. рис).

Устройство асинхронных электродвигателей переменного тока

Электрический двигатель состоит из двух основных частей – это статор и ротор.

это неподвижная и по цене самая дорогая часть электродвигателя. Сердечник статора представляет собой полый цилиндр. Изготавливают и набирают сердечник из отдельных пластин электротехнической стали толщиной 0,5-0,35 мм. Пластины штампуют со специальными пазами, изолируют лаком или окалиной для уменьшения потерь (вихревые токи), собирают в пакеты. Готовый сердечник запрессовывается в корпус статора. Корпус статора электродвигателя изготавливается из алюминия или чугуна. Затем в продольные пазы статора укладывается обмотка. Если электродвигатель трехфазный, то каждая фаза расположена по отношению к другой фазе под углом 120 градусов. Все обмотки состоят из двух катушек, которые образуют два полюса.

Переменным ток – это электрический ток, периодически изменяющий свое направление в цепи так, что среднее значение силы тока за период равно нулю. При подаче напряжения на катушки статора одна из них становится северным полюсом, а другая – южным. Полярность полюсов все время меняется, так как ток переменный и создается комбинированное электромагнитное поле статора, направленное перпендикулярно проводникам ротора. Именно эта возможность смены полюсов и используется для преобразования электрической энергии в механическую.

Подвижная часть электродвигателя, которая вращается на валу электродвигателя, двигаясь за магнитным полем статора. Сердечник ротора тоже набирают из стальных пластин толщиной 0,5 мм, изолированных лаком или окалиной для уменьшения потерь на вихревые токи. Пластины штампуют с пазами, насаживают на вал, и в результате образуется цилиндр. В продольные пазы цилиндра укладывают медные или алюминиевые проводники обмотки ротора. В зависимости от типа обмотки асинхронные двигатели могут быть с фазным и короткозамкнутым ротором. Наибольшее применение нашли роторы с короткозамкнутыми обмотками, или как их еще называют «беличьи колеса» из-за конструкции, которая напоминает барабаны для белок (см. фото).

При подаче переменного тока на обмотки статора в них создается электромагнитное поле, которое вращается в направлении, перпендикулярном обмоткам ротора. Магнитное поле статора индуцирует в обмотках ротора ток, который в свою очередь создает вокруг ротора электромагнитное поле и поляризацию ротора.

Индукция – (латинского inductio - наведение) это явление, которое происходит при движении проводника в магнитном поле, приводящее к появлению в проводнике индукционного электрического тока. Этот ток создает свое магнитное поле вокруг каждого проводника обмотки ротора. Вращающееся магнитное поле создает вращающийся магнитный поток. Магнитное поле пропорционально напряжению, а магнитный поток пропорционален току.

Трёхфазное напряжение на обмотках статора создает магнитное поле. Магнитное поле статора движется быстрее ротора, это способствует наведению тока в проводниках обмотки ротора, в результате чего образуется магнитное поле ротора. Магнитные поля статора и ротора формируют свои магнитные потоки, эти потоки будут притягиваться друг к другу и создавать вращающий момент, который заставит ротор вращаться. Электродвигатели переменного тока очень часто называют еще индукционными электродвигателями. На вал ротора запрессовываются подшипники, которые при сборке электродвигателя вставляются в переднюю и заднюю крышки статора. Затем эти крышки стягиваются с помощью шпилек.

Асинхронные электродвигатели

Электродвигатель, у которого ротор вращается с частотой не равной частоте вращения магнитного поля статора, называют асинхронным. Частоту вращения магнитного поля принято считать синхронной частотой вращения (Ns). Синхронную частоту вращения можно рассчитать по формуле Ns=120*F/P , где F – частота сети, P – число полюсов электродвигателя. При частоте сети 50 Гц и двух полюсном двигателе, синхронная частота вращения Ns =120*50/2 Ns = 3000 мин –1 .Синхронная частота вращения уменьшается с увеличением количества полюсов. В таблице приведена синхронная частота для различного числа полюсов.

Асинхронные электродвигатели переменного тока производятся на мощность от нескольких десятков ватт до 15000 кВт, и напряжение на обмотках статора достигает 6 кВ. Между статором и ротором имеется воздушный зазор, величина которого оказывает существенное влияние на рабочие свойства двигателя. В электродвигателях переменного тока вращающий момент возникает в результате взаимодействия вращающихся магнитных полей статора и ротора. Магнитное поле, возникающее в обмотках ротора, будет стремиться к тому, чтобы приблизиться к магнитному полю статора. Во время работы двигателя частота вращения ротора всегда ниже частоты вращения магнитного поля статора. Следовательно, магнитное поле ротора может пересекать магнитное поле статора и создавать вращающий момент. Если предположить, что в какой-то момент времени частота вращения ротора оказалась равной частоте вращения поля статора, то проводники обмотки ротора не будут пересекать магнитное поле статора и тока в роторе не будет. В этом случае вращающийся момент станет равным нулю, и частота вращения ротора уменьшится по сравнению с частотой вращения поля статора, пока снова не возникнет вращающейся момент, уравновешивающий тормозной момент, который складывается из момента нагрузки на валу и момента сил трения в двигателе. Разница в частоте вращения полей ротора и статора называется скольжением и измеряется в процентах.

Кроме многих положительных качеств: легкости в обслуживании, простой конструкции, а также низкой стоимости – асинхронный двигатель имеет и недостатки, наиболее существенным, из которых является относительно низкий коэффициент мощности (соs φ). У асинхронного двигателя соs φ, при полной нагрузке достигает 0,85-0,9; при малой нагрузке двигателя соs φ резко уменьшается, а при холостом ходе может составлять 0,2-0,3. Асинхронный двигатель потребляет большую реактивную мощность, необходимую для возбуждения магнитного поля, этим и объясняется низкий коэффициент мощности. Между ротором и статором в асинхронном двигателе существует воздушный зазор, и магнитный поток встречает на своем пути дополнительное сопротивление, а, следовательно, увеличивается и мощность, потребляемφая двигателем. В целях повышения соs φ в асинхронных двигателях воздушный зазор между статором и ротором стараются делать как можно меньшим, доводя его у двигателей малой мощности (2-5кВт) до 0,3 мм. Из-за конструктивных особенностей в двигателях большей мощности воздушный зазор приходится увеличивать до 2-2,5 мм.

На коммутационной колодке трехфазного двигателя имеется шесть зажимов, к которым подключаются начала и концы обмоток каждой фазы. Начало обмоток обозначены латинскими буквами U1, V1 и W1, а концы U2, V2, и W2. Обмотки могут быть соединены по схеме «звезда» или «треугольник» (см. рис).

Это дает возможность подключить трехфазный двигатель на два разных напряжения. Рабочие напряжения, при которых работает электродвигатель, указываются на фирменной табличке. На пример 220/380: двигатель может работать на напряжение 220 вольт при подключении обмоток в «треугольник» и 380 вольт при подключении в «звезду». Для более низких напряжений, указанных на фирменной табличке, обмотки статора соединяется в «треугольник», а для более высоких – в «звезду».

Чтобы изменить направление вращения ротора трехфазного двигателя, необходимо изменить направление вращения магнитного поля, созданного обмотками статора. Это достигается путем изменения чередования фаз обмоток статора, для чего следует поменять местами любые из двух фаз на коммутационной колодке двигателя.

Однофазные электродвигатели переменного тока

Стандартный однофазный статор имеет две обмотки, расположенные под углом 90° по отношению друг к другу. Одна из обмоток считается рабочей (основная), другая – пусковой (вспомогательная). Однофазные двигатели изготавливаются до мощности 2,2 кВт. В соответствии с количеством полюсов каждая обмотка может делиться не несколько секций. Принцип действия однофазных электродвигателей такой же, как и у трёхфазных, только с более низким пусковым моментом. Однофазные электродвигатели очень часто применяются в бытовой технике, а также там, где нет трехфазного напряжения. Однако между однофазным и трехфазным двигателем есть существенные различия. У однофазного двигателя нет бегущего магнитного поля, а происходит только смена полюсов один раз в каждом цикле. Это значит, что однофазный индукционный электродвигатель не может быть запущен в работу самостоятельно. Теоретически, однофазный электродвигатель можно запустить при помощи механического вращения ротора с последующим немедленным подключением питания. Однако на практике пуск однофазных электродвигателей осуществляется автоматически. Выделяют четыре основных типа запуска однофазных электродвигателей:

• индукционный двигатель с пуском через конденсатор, и работа через обмотку (индуктивность);
• индукционный двигатель с пуском через конденсатор, и работа через конденсатор;
• индукционный двигатель с реостатным пуском;
• индукционный двигатель с постоянной пусковой емкостью.

Наибольшее применение нашли электродвигатели, оснащенные конденсатором, который во время работы постоянно подключен и соединён последовательно с пусковой обмоткой. Таким образом, пусковая обмотка становится вспомогательной обмоткой, когда электродвигатель достигает рабочей частоты вращения. Асинхронные двигатели с рабочим могут использоваться для выполнения различных задач в зависимости от их конструкции. В дополнение ко всему вышесказанному они являются самыми надёжными из всех однофазных электродвигателей. Типичным примером использования таких двигателей, являются низко инерционные нагрузки, на пример вентиляторы или насосы. Схема электрических соединений однофазного двигателя показано на (рис.)

Для однофазных электродвигателей существуют некоторые ограничения. Однофазные электродвигатели ни в коем случае не должны работать в режиме холостого хода. Не рекомендуется также эксплуатировать однофазные двигатели при нагрузке меньшей 25% от полной, так как это вызывает повышение температуры внутри обмоток электродвигателя, что может привести к выходу его из строя

Потребляемая мощность

Мощность двигателей на валу принято измерять в киловаттах (кВт). В США мощность двигателя принято измерять в лошадиных силах (HP). Если нужно перевести лошадиные силы в кВт, то необходимо значение в лошадиных силах умножить на 0,746. На пример 20 HP*0,746=14,92 кВт. И наоборот кВт можно перевести в л. с., для этого значение в киловаттах необходимо умножить на 1,34. Это значит, что 15 кВт*1,34=20,1 HP. Переводы различных единиц можно посмотреть

Мощность P1 (кВт) – это мощность, которую электродвигатель потребляет от электрической сети. Мощность P2 (кВт) – это мощность Р1 умноженная на КПД или полезная мощность.

Спасибо за оказанное внимание.