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.

Конструкция однофазного асинхронного электродвигателя
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 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.

Принцип формирования магнитного потока в статоре
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:

Формирование потока обратного направления
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.

Получение ЭДС в роторе
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.

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.

Схема с пусковым сопротивлением
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.

Схема с конденсаторным пуском
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.

Схема с расщепленными полюсами
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.

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.

Видео по теме

Принцип работы однофазного асинхронного электродвигателя
Принцип работы однофазного асинхронного электродвигателя

Комментарии и отзывы (6)

  1. Руслан

    Чего восторженные отзывы — не понял, статья слабая и малоинформативная.
    ошибок куча. например: 1. конденсаторные 1ф ЭД чаще не с пусковой обмоткой, а с обоими рабочими. так КПД выше и на много; 2. какие 100кВт у двигателя с расщеплёнными полюсами!?!? их больше 100 ВАТТ не делают, у них КПД ДО 50%!
    самые мощные ОДНОфазные ЭД на единицы киловатт делают и только конденсаторные, причём, конденсаторы включены постоянно. например, движки насосов.

    1. Макаров Дмитрий

      Вы не поняли отзывов по той простой причине, что невнимательно читали статью или не вникали в ее смысл. Вы путаете пусковой и рабочий конденсатор – это как Крым и Рим, звучит похоже, но совершенно разные вещи!

      Использования конденсатора для пуска и работы электродвигателя

      На рисунке выше показано, что есть схема:

      • только с пусковой обмоткой и таким же пусковым конденсатором, о которой говорилось в статье;
      • второй – только с рабочим конденсатором, который присутствует в схеме питания электродвигателя постоянно;
      • третий вариант включает и конденсатор для пуска, и рабочий – одни присутствует для увеличения момента в начале вращения, второй поддерживает смещение постоянно.

      Далее разберем, в чем вы ошибаетесь.

      Первое, в статье четко описано, почему однофазный двигатель (именно с одной обмоткой для одной фазы) не может начать вращаться от сети с одной фазой самостоятельно. Поэтому и существует несколько способов для приведения вала в начальное вращение, один из которых – это конденсаторный пуск. Пусковой конденсатор вводится с пусковой обмоткой на короткий промежуток времени, чтобы образовался сдвиг в магнитном поле, который приведет ротор в начальное вращение. Благодаря тому, что пусковая обмотка имеет большее сечение, ток в ней значительно больше тока в витках рабочей на этапе включения, создает более сильный магнитный поток, который и воздействует на ротор со смещением на величину емкости.
      Затем и конденсатор, и пусковая обмотка выводится из работы, так как их функция уже выполнена и ротор начал вращаться. Ток продолжает протекать только в рабочей обмотке двигателя. Если бы пусковая обмотка, как вы написали выше, оставалась в работе постоянно, то произойдет смещение магнитного поля и его форма станет менее эффективной, что снизит КПД однофазной электрической машины.

      А вот то, о чем вы пишите, называется рабочим конденсатором, а не пусковым – это две большие разницы. Рабочий конденсатор действительно вводится в схему работы электродвигателя на постоянной основе, но это делается не для однофазных двигателей, а минимум, для двухфазных, которые подключаются к бытовой сети. В двухфазной модели, в отличии от однофазной нет пусковой обмотки, в нем обе рабочие, одинаковые по сечению проводников, объему и с симметричным расположением. Так как в однофазной сети подача напряжения на обе обмотки никакого вращения не даст, вторую обмотку действительно подключают через рабочий конденсатор, что и дает возможность воздействовать на ротор. Но это не тот вариант, когда КПД двигателя достигнет своего максимума – скорее вынужденный режим. Таким же способом, через рабочий конденсатор может включаться и трехфазный двигатель к однофазной сети, но КПД от его работы будет еще ниже.

      По поводу мощности двигателей с расщепленными полюсами, то это естественно, что сегодня вы встречаете только маломощные модели, которые применимы для вентиляторов, некоторых логических приводов и т.д. Технология, разработанная в 1890 году, в наше время утратила актуальность для электрических машин большой мощности из-за наличия других способов пуска, за счет совершенствования электроники и т.д. Однако еще при союзе, когда не считали каждый киловатт электроэнергии, ее действительно применяли в электродвигателях до 100кВт, как одну из прогрессивных технологий того времени. Поэтому и сегодня вы еще можете встретить применение подобных агрегатов в учебных лабораториях и некоторых предприятиях, где их еще не заменили, а вот в продаже вряд ли.

      1. Руслан

        Автор пишет, о том, что ОСНОВНЫМ методом запуска и работы ОЭД является применение пусковой обмотки, при этом рабочая — одна. Я не согласен с ЭТОЙ формулировкой, а не с теоретическими выкладками. И теорию вопроса я знаю не хуже Вас, уж поверьте.
        сейчас ВСЕ устройства, изготавливаемые человеком идут по пути удешевления и упрощения, поэтому, применение именно пусковых обмоток НЕ выгодно: энерговооружённость машины мала (одна из обмоток в работе НЕ участвует, но её надо изготовить, и она должна быть), нужен пусковой элемент с силовым контактом (контакты в электрике — самое слабое место).
        про 100кВт однофазный электродвигатель: теоретически можно сделать всё что угодно, а зачем?!?! говорите: «в СССР не считали каждый кВт электроэнергии». может поэтому этой страны теперь и нет… если бы считали ресурсы, было бы всё по другому?
        есть теоретические изыскания, а есть экономическое обоснование. асинхронные электродвигатели — это самые простые (читай, надёжные и дешёвые) электрические машины, поэтому их большинство. НО, они имеют отвратительную внешнюю характеристику (однофазные — в особенности), поэтому, если у исполнительного механизма особые требования к приводу, то применяются или электромашины другого типа, или питание специальных асинхронных двигателей от частотных преобразователей.

        1. Макаров Дмитрий

          Да, в тексте написано, что однофазный асинхронный электродвигатель имеет две обмотки – одна из них рабочая, а вторая используется для подачи импульса, который обеспечивает начальный ход ротора. Как только возникает разность вращения ротора и воздействия электромагнитного поля, пусковая катушка, она же пусковой виток, выводится из электрической цепи. Поэтому в работе остается только одна обмотка, из-за чего в тексте и говориться, что рабочая обмотка одна.

          Ваше понимание удешевления вообще не подходит к мировым тенденциям – в одном случае выгодно обойтись без пусковой обмотки, а в другом, наоборот, именно пусковая обмотка и обеспечивает необходимую экономию, а если рассмотреть однофазную асинхронную машину, то у нее это один виток. Если послушать, что вы говорите о контактах, так со смеху можно упасть! Да это слабое место, согласен, но вы можете себе представить, что в мире перестали выпускать щеточные двигатели, у которых этот самый контакт является скользящим и находится в режиме постоянного транзита электротока? Износ сумасшедший, расход материала на контакты никого не интересует, по той причине, что это наиболее рациональное решение для определенных технологических процессов.

          Вот то, что каждый тип электрической машины применяется в соответствии со своими техническими параметрами – это однозначно верно. Асинхронные машины действительно самые дешевые и простые в работе, за счет чего получили такое широкое распространение. Но никто и не говорит, что они должны вытеснить все остальные виды агрегатов.

  2. обыватель

    довольно хорошая статья.четко и ясно,как на уроке.хоть это и знакомо для меня,но приятно обновить знания.

  3. Виктор

    Статья высший сорт, сразу видно дело рук мастера высокого класса! Спасибо!

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *