Однофазный двигатель переменного тока

Устройство электродвигателя переменного тока

Электрические двигатели – это силовые машины, применяющиеся для превращения электрической энергии в механическую. Общая классификация разделяет их по типу питающего тока на двигатели постоянного и переменного тока. В статье ниже рассматриваются электрические двигатели со спецификацией под переменный ток, их виды, отличительные характеристики и преимущества.

Для общей информации, рекомендуем прочитать нашу отдельную статью о принципах работы электродвигателей.

Устройство и схема подключения АД

Устройство однофазного асинхронного двигателя

Интересно! Трехфазный асинхронный двигатель можно использовать для работы в однофазном режиме. Предварительно необходимо провести расчет.

У статора две электрообмотки. Одна из них рабочая, которая является основной. Вторая пусковая и нужна, чтобы осуществлять пуск устройства. Отличие однофазовых моторов — отсутствие момента впуска. Ротор напоминает беличью клетку по структуре.Ток одной фазы производит магнитное поле. Оно состоит из двух полей. Включая устройство, ротор двигателя неподвижен.

Схема подключения обмоток однофазного двигателя

Расчет результирующего момента при неподвижном роторе лежит в основе магнитных полей образующих два вращающихся момента.

Противоположные моменты обозначаются М.

n – частота вращения

Характеристики асинхронного однофазного двигателя

Если неподвижную часть задействовать, тогда наступит вращающий момент. Из-за его недоступности при запуске, двигатели оборудованы дополнительным пусковым устройством.

Отличие однофазных асинхронных двигателей от трёхфазных — особенности статора. Пазы имеютдвухфазовую обмотку. Одна будет основной или рабочей, а вторая именуется пусковой.

Магнитные оси находятся по отношению друг к другу на 90 градусов. Включенная рабочая фаза не вызывает вращение ротора по причине неподвижной оси магнитного поля.

Существуют специальные программы для расчета обмоток статора.

Коллекторный двигатель переменного тока

Рассмотрим коллекторный двигатель переменного тока. Универсальные коллекторные электродвигатели могут питаться от источников как переменного, так и постоянного тока. Они часто используются в электроинструментах, швейных и стиральных машинах, мясорубках – там, где нужен реверс, регулировка частоты вращения ротора или его вращение с частотой более 3000 об/мин.

Обмотки статора и ротора коллекторного электродвигателя соединяются последовательно. К обмоткам ротора ток подводится через щетки, соприкасающиеся с пластинами коллектора, к которым подсоединяются концы обмоток ротора.

Реверс однофазного двигателя с коллектором осуществляется за счет изменения полярности включения в сеть обмоток статора или ротора, а скорость вращения можно регулировать, изменяя величину тока в обмотках.

Основные недостатки такого двигателя:

• высокая стоимость;
• сложность устройства, практическая невозможность самостоятельно осуществить его ремонт;
• значительный уровень шума, трудное управление, создание радиопомех.

Остается добавить, что при использовании устройств, содержащих однофазный электродвигатель, следует самое пристальное внимание уделить выбору его типа, схеме подключения, тому, как правильно осуществить расчет элементов.

Схема запуска

В витках ротора индуктивный электроток может появляться только вследствие пересечения ими насильственных направлений магнитного поля. Их вращение должно реализоваться с быстротой чуть менее частоты верчения поля. Непосредственно отсюда и вышло название — асинхронный электродвигатель. Вследствие повышения механической перегрузки уменьшается быстрота верчения, увеличивается индуктивный электроток в роторных витках. А кроме того, увеличивается механическая мощность мотора и переменного тока, который он употребляет.

Принцип действия:

1. Благодаря току появляется импульсное магнитное поле в статоре электромотора. Это поле возможно рассматривать как 2 различных поля, которые вращаются разнонаправленно и имеют похожие амплитуды и частоты.
2. Если ротор располагается в неподвижном состоянии, данные поля приводят к появлению одинаковых по модулю, но разнонаправленных факторов.
3. Если у двигателя отсутствуют особые начальные механизмы, в этом случае при старте результирующий момент станет равный нулю, а, следовательно — двигатель не будет вертеться.
4. Если же ротор приведён в обращение в любую сторону, в таком случае соответствующий момент приступает доминировать, а следовательно, ось двигателя продолжит вертеться в определённом направлении.

Пуск выполняется магнитным полем, что крутит мобильную часть двигателя. Оно формируется 2 обмотками: основной и дополнительной. Заключительная обмотка имеет минимальный объем и считается пусковой. Она подключается к главной электрической сети через имеющуюся ёмкость или индуктивность. Подсоединение осуществляется только лишь в период запуска. В моторах с невысокой мощностью отправная фаза замкнута накоротко.

Запуск мотора осуществляют удержанием пусковой клавиши на несколько секунд, вследствие чего совершается разгон ротора. В период отпускания пусковой клавиши электродвигатель с двухфазного режима передаётся в однофазовый режим и его работа удерживается нужной компонентой переменчивого магнитного поля.

Отправная фаза рассчитана на временную работу — как правило, до 3 с. Более продолжительное время пребывания под нагрузкой может послужить причиной к перегреву, возгоранию изоляции и неисправности приспособления. Поэтому немаловажно своевременно освободить пусковую клавишу. С целью увеличения надёжности в корпус двигателей встраивают центробежный коммутатор и термическое реле.

Роль центробежного выключателя состоит в выключении пусковой фазы, если ротор наберёт скорость. Это происходит автоматом — без вмешательства. Тепловое реле отключает фазы обмотки, если они нагреваются свыше допустимого.

Тестирование начинается с визуального осмотра. Возможные неисправности:

1. Если опорная часть на устройстве была сломана, это может привести к неисправностям.
2. При потемнении корпуса в средней части идет перегрев. Бывает попадание в корпус различных посторонних предметов, это способствует перегреванию. При износе и загрязнении подшипников возможен перегрев.
3. Когда однофазный электродвигатель на 220 вольт имеет в схеме подключения конденсатор увеличенного размера, он начинает перегреваться.

Запустить двигатель минут на пятнадцать, а затем проверить, не прогрелся ли он. Если двигатель не греется, причиной являлась увеличенная емкость конденсатора. Необходимо установить конденсатор, имеющий меньшую емкость.

Для лучшего понимания механизма работы двигателей, рекомендуем также подробнее прочитать, что такое трехфазный двигатель и как он работает.

Схемы подключения однофазных асинхронных двигателей

С пусковой обмоткой

Для подключения двигателя с пусковой обмоткой потребуется кнопка, у которой один из контактов после включения размыкается. Эти размыкающиеся контакты надо будет подключить к пусковой обмотке. В магазинах есть такая кнопка — это ПНВС. У нее средний контакт замыкается на время удержания, а два крайних остаются в замкнутом состоянии.

Внешний вид кнопки ПНВС и состояние контактов после того как кнопка «пуск» отпущена»

Сначала при помощи измерений определяем какая обмотка рабочая, какая — пусковая. Обычно вывод от мотора имеет три или четыре провода.

Рассмотрим вариант с тремя проводами. В этом случае две обмотки уже объединены, то есть один из проводов — общий. Берем тестер, измеряем сопротивление между всеми тремя парами. Рабочая имеет самое меньшее сопротивление, среднее значение — пусковая обмотка, а наибольшее — это общий выход (меряется сопротивление двух последовательно включенных обмоток).

Если выводов четыре, они звонятся попарно. Находите две пары. Та, в которой сопротивление меньше — рабочая, в которой больше — пусковая. После этого соединяем один провод от пусковой и рабочей обмотки, выводим общий провод. Итого остается три провода (как и в первом варианте):

• один с рабочей обмотки — рабочий;
• с пусковой обмотки;
• общий.

С этими тремя проводами и работаем дальше — используем для подключения однофазного двигателя.

Со всеми этими

Подключение однофазного двигателя с пусковой обмоткой через кнопку ПНВС

подключение однофазного двигателя

Все три провода подключаем к кнопке. В ней тоже имеется три контакта. Обязательно пусковой провод «сажаем на средний контакт (который замыкается только на время пуска), остальные два — на крайние (произвольно). К крайним входным контактам ПНВС подключаем силовой кабель (от 220 В), средний контакт соединяем перемычкой с рабочим (обратите внимание! не с общим). Вот и вся схема включения однофазного двигателя с пусковой обмоткой (бифилярного) через кнопку.

Конденсаторный

При подключении однофазного конденсаторного двигателя есть варианты: есть три схемы подключения и все с конденсаторами. Без них мотор гудит, но не запускается (если подключить его по схеме, описанной выше).

Схемы подключения однофазного конденсаторного двигателя

Первая схема — с конденсатором в цепи питания пусковой обмотки — хорошо запускаются, но при работе мощность выдают далеко не номинальную, а намного ниже. Схема включения с конденсатором в цепи подключения рабочей обмотки дает обратный эффект: не очень хорошие показатели при пуске, но хорошие рабочие характеристики. Соответственно, первую схему используют в устройствах с тяжелым пуском (бетономешалки, например), а с рабочим конденсором — если нужны хорошие рабочие характеристики.

Схема с двумя конденсаторами

Есть еще третий вариант подключение однофазного двигателя (асинхронного) — установить оба конденсатора. Получается нечто среднее между описанными выше вариантами. Эта схема и реализуется чаще всего. Она на рисунке выше в середине или на фото ниже более детально. При организации данной схемы тоже нужна кнопка типа ПНВС, которая будет подключать конденсатор только не время старта, пока мотор «разгонится». Потом подключенными останутся две обмотки, причем вспомогательная через конденсатор.

Подключение однофазного двигателя: схема с двумя конденсаторами — рабочим и пусковым

При реализации других схем — с одним конденсатором — понадобится обычная кнопка, автомат или тумблер. Там все соединяется просто.

Подбор конденсаторов

Есть довольно сложная формула, по которой можно высчитать требуемую емкость точно, но вполне можно обойтись рекомендациями, которые выведены на основании многих опытов:

• рабочий конденсатор берут из расчета 70-80 мкФ на 1 кВт мощности двигателя;
• пусковой — в 2-3 раза больше.

Рабочее напряжение этих конденсаторов должно быть в 1,5 раза выше, чем напряжение сети, то есть, для сети 220 вольт берем емкости с рабочим напряжением 330 В и выше. А чтобы пуск проходил проще, для пусковой цепи ищите специальный конденсатор. У них в маркировке присутствует слова Start или Starting, но можно взять и обычные.

Изменение направления движения мотора

Если после подключения мотор работает, но вал крутится не в том направлении, которое вам надо, можно поменять это направление. Это делают поменяв обмотки вспомогательной обмотки. Когда собирали схему, один из проводов подали на кнопку, второй соединили с проводом от рабочей обмотки и вывели общий. Вот тут и надо перекинуть проводники.

Устройство электродвигателя

Однофазные двигатели 220 В имеют две фазы, но основная работа выполняется одной, и такие моторы стали называть однофазными. В состав мотора входят следующие детали.

1. Статор, или неподвижная часть мотора.
2. Ротор, или подвижная (вращающаяся) часть мотора.

Однофазный электромотор можно охарактеризовать как асинхронный электрический мотор, в котором имеется рабочая обмотка на его неподвижной части, она подключается к сети переменного однофазного тока.

Пусковая катушка

Для того чтобы однофазный мотор мог самостоятельно запускаться и начинать вращение, на них устанавливается ещё одна катушка. Она разработана для запуска двигателя. Пусковая катушка устанавливается по отношению к рабочей со смещением на 90 градусов. Для того чтобы получить сдвиг токов, следует установить в цепь звено, которое будет сдвигать фазы. В качестве фазосдвигающего звена могут выступать несколько средств.

1. Активный резистор.
2. Конденсатор.
3. Катушка индуктивности.

Ротор и статор мотора металлические. Для того чтобы изготовить ротор или статор, нужна специальная электротехническая сталь марки 2212.

Двух и трёхфазные моторы

Существует возможность 2 или 3-фазный мотор подключить к однофазному источнику питания. Иногда по ошибке такие моторы называют однофазными. Это заблуждение, правильно будет называть это «двух (или трёх) фазный электромотор, подключённый в однофазную сеть питания переменного тока». Просто подключить двух или трёхфазный мотор в однофазную сеть не получится. Нужна схема согласования.

Таких схем есть несколько, согласование можно реализовать при помощи конденсаторов. После подключения к мотору конденсаторов согласно схеме, мотор будет работать, причём все фазы мотора будут работать, они всё время будут находиться под напряжением и выполнять работу по вращению ротора.

Принцип действия

Переменный электроток создаёт магнитное поле в статоре, которое имеет два поля, они одинаковы по амплитуде, частоте, но разнонаправленны. Эти поля воздействуют на неподвижный ротор, и, вследствие того, что поля разнонаправленны, ротор начинает вращение. При отсутствии в моторе пускового механизма, то ротор будет стоять на месте. Ротор, начав вращение в одну сторону, будет вращаться далее в этом же направлении.

Запуск мотора

Посредством магнитного поля производится запуск мотора, магнитное поле, воздействуя на ротор, принуждает его вращаться. Создают магнитное поле главная и дополнительная катушки, пусковая имеет меньший размер, подключается она к дополнительной через конденсатор, катушку индуктивности или активный резистор.

Если мотор низкой мощности, пусковая фаза замкнута. Чтобы запустить такой двигатель, подключать электричество к пусковой катушке можно лишь временно, не более чем на три секунды. Для этого существует пусковая кнопка. Кнопка вставлена в пусковое устройство.

Когда происходит нажатие пусковой кнопки, происходит подача электроэнергии на рабочую и на пусковую катушку одновременно, двигатель в эти первые секунды запуска работает как двухфазный, но через три секунды ротор уже набрал обороты, мотор запустился, и кнопка отпускается. Прекращается подача электроэнергии на пусковую катушку, но подача электричества на рабочую обмотку не прекращается, так устроено пусковое устройство, затем устройство работает уже как однофазное.

Важно помнить, что не следует долго держать пусковую кнопку, так как пусковая катушка может перегреться и выйти со строя, она рассчитана на работу несколько секунд. Для обеспечения безопасности в корпусе однофазного силового агрегата может быть встроено тепловое реле, центробежный выключатель. Центробежный выключатель устроен таким образом, что когда ротор набрал обороты, центробежный выключатель выключается сам, без вмешательства человека. Пусковой ток однофазного двигателя выше рабочего, после запуска ток снижается до уровня рабочего. Схему подключения однофазного двигателя смотрите здесь.

Тепловое реле

Тепловое реле действует следующим образом: при нагревании обмоток до установленного на реле предела, реле производит прекращение подачи электроэнергии на обе фазы, таким образом, исключается выход из строя при перегрузке или другой причине, это не даст возникнуть пожару.

Достоинства

К положительным качествам такого мотора можно отнести простоту его устройства, ротор в этой конструкции короткозамкнутый, обмотка статора не представляет собой большой сложности.

Недостатки

Кроме достоинств, в этом моторе имеются и некоторые недостатки.

1. Невысокий пусковой момент мотора.
2. Низкий КПД электродвигателя.
3. Электродвигатель не способен генерировать магнитное поле, которое выполняет вращение.

По этой причине такой двигатель сам не может начать вращение. Дело в том что для того, чтобы мотор начал вращение, он должен иметь не менее двух обмоток, а следовательно, и двух фаз, но мотор имеет одну фазу изначально, таково его устройство. Кроме наличия двух фаз, требуется чтобы одна обмотка была смещена по отношению к другой на определённый угол.

Частотное регулирование

Ещё совсем недавно (10 лет назад) частотных регуляторов скорости двигателей на рынке было ограниченное количество, и стоили они довольно дорого. Причина — не было дешёвых силовых высоковольтных транзисторов и модулей.

Но разработки в области твердотельной электроники позволили вывести на рынок силовые IGBT-модули. Как следствие — массовое появление на рынке инверторных кондиционеров, сварочных инверторов, преобразователей частоты.

На данный момент частотное преобразование — основной способ регулирования мощности, производительности, скорости всех устройств и механизмов приводом в которых является электродвигатель.

Однако, преобразователи частоты предназначены для управления трёхфазными электродвигателями.

Однофазные двигатели могут управляться:

• специализированными однофазными ПЧ
• трёхфазными ПЧ с исключением конденсатора

Преобразователи для однофазных двигателей

В настоящее время только один производитель заявляет о серийном выпуске специализированного ПЧ для конденсаторных двигателей — INVERTEK DRIVES.

Это модель Optidrive E2

Для стабильного запуска и работы двигателя используются специальные алгоритмы.

При этом регулировка частоты возможна и вверх, но в ограниченном диапазоне частот, этому мешает конденсатор установленный в цепи фазосдвигающей обмотки, так как его сопротивление напрямую зависит от частоты тока:

f — частота тока

С — ёмкость конденсатора

В выходном каскаде используется мостовая схема с четырьмя выходными IGBT транзисторами:

Optidrive E2 позволяет управлять двигателем без исключения из схемы конденсатора, то есть без изменения конструкции двигателя — в некоторых моделях это сделать довольно сложно.

Преимущества специализированного частотного преобразователя:

• интеллектуальное управление двигателем
• стабильно устойчивая работа двигателя
• огромные возможности современных ПЧ:
  • возможность управлять работой двигателя для поддержания определённых характеристик (давления воды, расхода воздуха, скорости при изменяющейся нагрузке)
  • многочисленные защиты (двигателя и самого прибора)
  • входы для датчиков (цифровые и аналоговые)
  • различные выходы
  • коммуникационный интерфейс (для управления, мониторинга)
  • предустановленные скорости
  • ПИД-регулятор

Минусы использования однофазного ПЧ:

• ограниченное управление частотой
• высокая стоимость

Использование ЧП для трёхфазных двигателей

Стандартный частотник имеет на выходе трёхфазное напряжение. При подключении к ему однофазного двигателя из него извлекают конденсатор и соединяют по приведённой ниже схеме:

Геометрическое расположение обмоток друг относительно друга в статоре асинхронного двигателя составляет 90°:

Фазовый сдвиг трёхфазного напряжения -120°, как следствие этого — магнитное поле будет не круговое , а пульсирующее и его уровень будет меньше чем при питании со сдвигом в 90°.

В некоторых конденсаторных двигателях дополнительная обмотка выполняется более тонким проводом и соответственно имеет более высокое сопротивление.

При работе без конденсатора это приведёт к:

• более сильному нагреву обмотки (срок службы сокращается, возможны кз и межвитковые замыкания)
• разному току в обмотках

Многие ПЧ имеют защиту от асимметрии токов в обмотках, при невозможности отключить эту функцию в приборе работа по данной схеме будет невозможна

Преимущества:

• более низкая стоимость по сравнению со специализированными ПЧ
• огромный выбор по мощности и производителям
• более широкий диапазон регулирования частоты
• все преимущества ПЧ (входы/выходы, интеллектуальные алгоритмы работы, коммуникационные интерфейсы)

Недостатки метода:

• необходимость предварительного подбора ПЧ и двигателя для совместной работы
• пульсирующий и пониженный момент
• повышенный нагрев
• отсутствие гарантии при выходе из строя, т.к. трёхфазные ПЧ не предназначены для работы с однофазными двигателями