Электротехнический интернет-журнал Electrik.info

"Электрик Инфо" - онлайн журнал про электричество. Теория и практика. Обучающие статьи, примеры, технические решения, схемы, обзоры интересных электротехнических новинок. Уроки, книги, видео. Профессиональное обучение и развитие. Сайт для электриков и домашних мастеров, а также для всех, кто интересуется электротехникой, электроникой и автоматикой.
 


Схемы подключения | Принципиальные схемы | Электроснабжение
Розетки и выключатели | Автоматы защиты | Кабель и провод | Монтаж электропроводки Ремонт электротехники | Молодому электрику

Электрик Инфо » Электрические приборы и устройства, Электродвигатели и их применение » Однофазный асинхронный двигатель: как устроен и работает
Количество просмотров: 125458
Комментарии к статье: 12


Однофазный асинхронный двигатель: как устроен и работает


Однофазный асинхронный двигатель: как устроен и работаетСамо название этого электротехнического устройства свидетельствует о том, что электрическая энергия, поступающая на него, преобразуется во вращательное движение ротора. Причем прилагательное «асинхронный» характеризует несовпадение, отставание скоростей вращения якоря от магнитного поля статора.

Слово «однофазный» вызывает неоднозначное определение. Связано это с тем, что термин «фаза» в электрике определяет несколько явлений:

  • сдвиг, разность углов между векторными величинами;

  • потенциальный проводник двух, трех или четырехпроводной электрической схемы переменного тока;

  • одну из обмоток статора или ротора трехфазного двигателя либо генератора.

Поэтому сразу уточним, что однофазным электродвигателем принято называть тот, который работает от двухпроводной сети переменного тока, представленной фазным и нулевым потенциалом. Количество обмоток, вмонтированных в различных конструкциях статоров, на это определение не влияют.

Конструкция электродвигателя

По своему техническому устройству асинхронный двигатель состоит из:

1. статора — статической, неподвижной части, выполненной корпусом с расположенными на нем различными электротехническими элементами;

2. ротора, вращаемого силами электромагнитного поля статора.

Механическое соединение этих двух деталей выполнено за счет подшипников вращения, внутренние кольца которых посажены на подогнанные гнезда вала ротора, а внешние вмонтированы в защитные боковые крышки, закрепляемые на статоре.

Устройство однофазного асинхронного электродвигателя

Ротор

Его устройство у этих моделей такое же, как у всех асинхронных двигателей: на стальном валу смонтирован магнитопровод из шихтованных пластин на основе мягких сплавов железа. На его внешней поверхности выполнены пазы, в которые вмонтированы стержни обмоток из алюминия или меди, закороченные по концам на замыкающие кольца.

Устройство ротора асинхронного электродвигателя

В обмотке ротора протекает электрический ток, индуцируемый магнитным полем статора, а магнитопровод служит для хорошего прохождения создаваемого здесь же магнитного потока.

Отдельные конструкции ротора у однофазных двигателей могут быть выполнены из немагнитных или ферромагнитных материалов в форме цилиндра.

Статор

Конструкция статора также представлена:

  • корпусом;

  • магнитопроводом;

  • обмоткой.

Устройство статора

Его основное назначение заключается в генерировании неподвижного или вращающегося электромагнитного поля.

Статорная обмотка обычно состоит из двух контуров:

1. рабочего;

2. пускового.

У самых простых конструкций, предназначенных для ручной раскрутки якоря, может быть выполнена всего одна обмотка.

Принцип работы асинхронного однофазного электрического двигателя

С целью упрощения изложения материала представим, что обмотка статора выполнена всего одним витком петли. Ее провода внутри статора разносят по кругу на 180 угловых градусов. По ней проходит переменный синусоидальный ток, имеющий положительные и отрицательные полуволны. Он создает не вращающееся, а пульсирующее магнитное поле.

Как возникают пульсации магнитного поля

Разберем этот процесс на примере протекания положительной полуволны тока в моменты времени t1, t2, t3.

Пульсирующее магнитное поле статора

Она проходит по верхней части токопровода по направлению к нам, а по нижней — от нас. В перпендикулярной плоскости, представленной магнитопроводом, вокруг проводника возникают магнитные потоки Ф.

Изменяющиеся по амплитуде токи в рассматриваемые моменты времени создают разные по величине электромагнитные поля Ф1, Ф2, Ф3. Поскольку ток в верхней и нижней половине один и тот же, но виток изогнут, то магнитные потоки каждой части направлены встречно и уничтожают действие друг друга. Определить это можно по правилу буравчика или правой руки.

Как видим, при положительной полуволне вращения магнитного поля не наблюдается, а происходит только его пульсация в верхней и нижней части провода, которая еще и взаимно уравновешивается в магнитопроводе. Этот же процесс происходит при отрицательном участке синусоиды, когда токи изменяют направление на противоположное.

Поскольку вращающееся магнитное поле отсутствует, то и ротор останется неподвижным, ибо нет сил, приложенных к нему для начала вращения.

Как создается вращение ротора в пульсирующем поле

Если придать ротору вращение, хотя бы рукой, то он будет продолжать это движение. Для объяснения этого явления покажем, что суммарный магнитный поток изменяется по частоте синусоиды тока от нуля до максимального значения в каждом полупериоде (с изменением направления на противоположное) и состоит из двух частей, образуемых в верхней и нижней ветвях, как показано на рисунке.

Разложение пульсирующего магнитного поля статора

Магнитное пульсирующее поле статора состоит из двух круговых с амплитудой Фмакс/2 и двигающихся в противоположных направлениях с одной частотой.

nпр=nобр=f60/p=1.

В этой формуле обозначены:

  • nпр и nобр частоты вращения магнитного поля статора в прямом и обратном направлениях;

  • n1 — скорость вращающегося магнитного потока (об/мин);

  • p — число пар полюсов;

  • f — частота тока в обмотке статора.

Теперь рукой придадим вращение двигателю в одну сторону, и он сразу подхватит движение за счет возникновения вращающегося момента, вызванного скольжением ротора относительно разных магнитных потоков прямого и обратного направлений.

Примем, что магнитный поток прямого направления совпадает с вращением ротора, а обратный, соответственно, будет противоположен. Если обозначить через n2 частоту вращения якоря в об/мин, то можно записать выражение n2 < n1.

При этом обозначим Sпр = (n1-n2)/n1 = S.

Здесь индексами S и Sпр названы скольжения асинхронного двигателя и ротора относительного магнитного потока прямого направления.

У обратного потока скольжение Sобр выразится аналогичной формулой, но со сменой знака n2.

Sобр = (n1 - (-n2))/n1 = 2-Sпр.

Вращающиеся магнитные поля статора

В соответствии с законом электромагнитной индукции под действием прямого и обратного магнитных потоков в обмотке ротора станет действовать электродвижущая сила, которая создаст в ней токи таких же направлений I2пр и I2обр.

Токи, индуцируемые в роторе переменным полем

Их частота (в герцах) будет прямо пропорциональна величине скольжения.

f2пр=f1∙Sпр;

f2обр=f1∙Sобр.

Причем частота f2обр, образованная наведенным током I2обр, значительно превышает частоту f2пр.

Например, электродвигатель работает от сети 50 Гц с n1=1500, а n2=1440 оборотов в минуту. Его ротор имеет скольжение относительно магнитного потока прямого направления Sпр=0,04 и частоту тока f2пр=2 Гц. Обратное же скольжение Sобр=1,96, а частота тока f2обр=98 Гц.

На основании закона Ампера при взаимодействии тока I2пр и магнитного поля Фпр появится вращающий момент Мпр.

Возникновение силы, создающей вращение ротора

Мпр=сМ∙Фпр∙I2пр∙cosφ2пр.

Здесь величина постоянного коэффициента сМ зависит от конструкции двигателя.

При этом также действует обратный магнитный поток Мобр, который вычисляется по выражению:

Мобр=сМ∙Фобр∙I2обр∙cosφ2обр.

В итоге взаимодействия этих двух потоков появится результирующий:

М= Мпр-Мобр.

Внимание! При вращении ротора в нем наводятся токи разной частоты, которые создают моменты сил с разными направлениями. Поэтому якорь двигателя будет совершать вращение под действием пульсирующего магнитного поля в ту сторону, с которой он начал вращение.

Во время преодоления однофазным двигателем номинальной нагрузки создается небольшое скольжение с основной долей прямого крутящего момента Мпр. Противодействие тормозного, обратного магнитного поля Мобр сказывается совсем незначительно из-за различия частот токов прямого и обратного направлений.

f2обр обратного тока значительно превышает f2пр, а создаваемое индуктивное сопротивление Х2обр сильно превышает активную составляющую и обеспечивает большое размагничивающее действие обратного магнитного потока Фобр, который в итоге этого уменьшается.

Поскольку коэффициент мощности у двигателя под нагрузкой небольшой, то обратный магнитный поток не может оказать сильное воздействие на вращающийся ротор.

Когда же одна фаза сети подана на двигатель с неподвижным ротором (n2=0), то скольжения, как прямое, так и обратное равны единице, а магнитные поля и силы прямого и обратного потоков уравновешены и вращения не возникает. Поэтому от подачи одной фазы невозможно раскрутить якорь электродвигателя.

Как быстро определить частоту вращения двигателя:

Как создается вращение ротора у однофазного асинхронного двигателя

За всю историю эксплуатации подобных устройств разработаны следующие конструкторские решения:

1. ручная раскрутка вала рукой или шнуром;

2. использование дополнительной обмотки, подключаемой на время запуска за счет омического, емкостного или индуктивного сопротивления;

3. расщепление короткозамкнутым магнитным витком магнитопровода статора.

Первый способ использовался в начальных разработках и не стал применяться в дальнейшем из-за возможных рисков получения травм при запуске, хотя он не требует подключения дополнительных цепочек.

Применение фазосдвигающей обмотки в статоре

Чтобы придать начальное вращение ротору к статорной обмотке дополнительно на момент запуска подключают еще одну вспомогательную, но только сдвинутую по углу на 90 градусов. Ее выполняют более толстым проводом для пропускания бо́льших токов, чем протекающие в рабочей.

Схема подключения такого двигателя показана на рисунке справа.

Схемы подключения однофазного асинхронного двигателя

Здесь для включения применяется кнопка типа ПНВС, которая специально создана для таких двигателей и широко использовалась в работе стиральных машин, выпускаемых при СССР. У этой кнопки сразу включаются 3 контакта таким образом, что два крайних после нажатия и отпускания остаются зафиксированы во включенном состоянии, а средний — кратковременно замыкается, а потом под действием пружины возвращается в исходное положение.

Замкнутые же крайние контакты можно отключить нажатием на соседнюю кнопку «Стоп».

Конструкция кнопки ПНВС

Кроме кнопочного выключателя для отключений дополнительной обмотки в автоматическом режиме используются:

1. центробежные переключатели;

2. дифференциальные или токовые реле;

3. механические таймеры времени.

Для улучшения запуска двигателя под нагрузкой применяются дополнительные элементы в фазосдвигающей обмотке.

Подключение однофазного двигателя с пусковым сопротивлением

В такой схеме к статорной дополнительной обмотке последовательно монтируется омическое сопротивление. При этом намотка витков выполняется биффилярным способом, обеспечивающим коэффициент самоиндукции катушки очень близким к нулю.

Подключение однофазного двигателя с пусковым сопротивлением

За счет выполнения этих двух приемов при прохождении токов по разным обмоткам между ними возникает сдвиг по фазе порядка 30 градусов, чего вполне достаточно. Разность углов создается за счет изменения комплексных сопротивлений в каждой цепи.

При этом методе еще может встречаться пусковая обмотка с заниженной индуктивностью и увеличенным сопротивлением. Для этого применяют намотку с маленьким числом витков провода заниженного поперечного сечения.

Подключение однофазного двигателя с конденсаторным запуском

Емкостной сдвиг токов по фазе позволяет создать кратковременное подключение обмотки с последовательно соединенным конденсатором. Эта цепочка работает только во время выхода двигателя на режим, а затем отключается.

Подключение однофазного двигателя с конденсаторным запуском

У конденсаторного запуска создается наибольший крутящий момент и более высокий коэффициент мощности, чем при резистивном или индуктивном способе запуска. Он может достигать величины 45÷50% от номинального значения.

В отдельных схемах к цепочке рабочей обмотки, которая постоянно включена, тоже добавляют емкость. За счет этого добиваются отклонения токов в обмотках на угол порядка π/2. При этом в статоре сильно заметен сдвиг максимумов амплитуд, который обеспечивает хороший крутящий момент на валу.

За счет этого технического приема двигатель при пуске способен выработать больше мощности. Однако, такой метод используют только с приводами тяжелого запуска, например, для раскрутки барабана стиральной машины, заполненного бельем с водой.

Конденсаторный запуск позволяет изменять направление вращения якоря. Для этого достаточно сменить полярность подключения пусковой или рабочей обмотки.

Подключение однофазного двигателя с расщепленными полюсами

У асинхронных двигателей с небольшой мощностью порядка 100 Вт используют расщепление магнитного потока статора за счет включения в полюс магнитопровода короткозамкнутого медного витка.

Асинхронный электродвигатель с расщепленными полюсами

Разрезанный на две части такой полюс создает дополнительное магнитное поле, которое сдвинуто от основного по углу и ослабляет его в месте охваченного витком. За счет этого создается эллиптическое вращающееся поле, образующее момент вращения постоянного направления.

В подобных конструкциях можно встретить магнитные шунты, выполненные стальными пластинками, которые замыкают края наконечников статорных полюсов.

Двигатели подобных конструкций можно встретить в вентиляторных устройствах обдува воздуха. Они не обладают возможностью реверса.

Популярные публикации:

Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрические приборы и устройства, Электродвигатели и их применение

Подписывайтесь на наш канал в Telegram: Домашняя электрика 



Поделитесь этой статьей с друзьями:


Другие статьи с сайта Электрик Инфо:

  • Короткозамкнутый и фазный ротор - в чем различие
  • Как отличить асинхронный двигатель от двигателя постоянного тока
  • Как определить скорость вращения электродвигателя
  • Современные синхронные реактивные двигатели
  • Как определить рабочую и пусковую обмотки у однофазного двигателя
  • Последовательное, параллельное и смешанное возбуждение в двигателях постоян ...
  • Трехфазный асинхронный двигатель: все самое главное, что нужно знать
  • Механические и электрические характеристики асинхронных электродвигателей
  • Классификация электродвигателей
  • Асинхронные микродвигатели
  • Категория: Электрические приборы и устройства, Электродвигатели и их применение

    Асинхронные электродвигатели

      Комментарии:

    #1 написал: Виктор Филюк |

    Да, статья просто супер. Все просто и доступно. Спасибо автору. Вот если бы еще автор написал так же и статью об устройстве  и принципе работы синхронных однофазных двигателях, было бы вообще класс!!!!!!!!!!!!! А вообще Ваш сайт на мой взгляд является одним из самых интересных и полезных на тему электрики в интернете. Спасибо!!

      Комментарии:

    #2 написал: siv2 |

    "отставание скоростей вращения якоря от магнитного поля статора."

    Применение термина "якорь" в данном случае не очень корректно, поскольку в асинхронной машине обе обмотки и статорная и роторная являются якорными, т.к. в обоих наводится ЭДС при работе машины.

    Правильней было бы написать "отставание частоты вращения магнитного поля ротора от магнитного поля статора."

      Комментарии:

    #3 написал: RudnikVS |

    У меня другое мнение. На рисунке, где показана одна половинка обмотки (один виток) сделана явная ошибка, поскольку вторая половинка должна создавать такое же попутное поле (если 3000 оборотов). Так почему же магнитные поля будут направлены навстречу друг другу? В конце концов мгнитное поле вихревое, у него нет ни конца ни начала. Оно всегда найдёт путь железе статора или в роторе.

    Вообще, однофазный двигатель при неподвижном роторе полностью аналогичен трансформатору.  В роторе, по закону Ленца, индуктируется трансформаторная ЭДС, создающая встречное магнитное поле. Правда, оно всегда меньше основного из-за потерь.

    На указанном рисунке поле статора и встречное ему поле ротора будут располагаться горизонтально. А у автора почему-то вертикально. Эта же ошибка и в других публикациях. копируют друг у друга не думая. 

      Комментарии:

    #4 написал: A.C. |

    Цитата: RudnikVS

    У меня другое мнение. На рисунке, где показана одна половинка обмотки (один виток) сделана явная ошибка, поскольку вторая половинка должна создавать такое же попутное поле (если 3000 оборотов). Так почему же магнитные поля будут направлены навстречу друг другу? 
     

    Половинки этого витка (контура) диаметрально разнесены, и ток в каждой из них имеет противоположное пространственное направление. Ведь это контур. Всё разжёвано донельзя.
    А магнитные потоки в роторе на этом рисунке не показаны.
    Не вижу принципиальных ошибок в статье...

      Комментарии:

    #5 написал: александр |

    siv2,
    скольжение

      Комментарии:

    #6 написал: Олег |

    Статор однофазного асинхронного двигателя имеет одну обмотку; ротор выполняется короткозамкнутым в виде беличьей клетки или трехфазным с контактными кольцами. Обмотка статора создает пульсирующий магнитный поток, который может быть разложен на два равных потока, вращающихся с одинаковой скоростью, но в разные стороны. Однофазный асинхронный двигатель самостоятельно не запускается. Для его пуска необходимо раскрутить ротор в какую-либо сторону. Для автоматического пуска на статоре двигателя разметается пусковая обмотка, которая располагается под углом 90 градусов к основной обмотке. В цепь пусковой обмотки вводится индуктивное или емкостное сопротивление. Потоки главной к пусковой обмоток образуют вращающееся магнитное поле. Обычно как только двигатель достигнет нормальной скорости, пусковая обмотка выключается.

      Комментарии:

    #7 написал: fanttom |

    Не совсем понял про провод пусковой обмотки?!Где то написано, что пусковая обмотка мотана тонким проводом, и ее сопротивление больше рабочей обмотки, которая толще.А здесь наоборот, пусковая намотана толстым проводом (имеет низкое сопротивление, относительно рабочей обмотки, которая тоньше), так кому верить то? Или никто точно не знает какая где обмотка?

      Комментарии:

    #8 написал: Даниил |

    Когда на статор однофазного асинхронного двигателя подается однофазное питание, в обмотке статора возникает переменный ток. Статор однофазного асинхронного двигателя намотан однофазной обмоткой. Когда статор питается от однофазной сети, он производит переменный ток (изменяющийся только вдоль одной оси пространства). Переменный поток, воздействующий на короткозамкнутый ротор, не может вызвать вращение, только вращающийся поток может. Чтобы двигатель начал работать, его можно временно преобразовать в двухфазный двигатель при запуске. Этого можно добиться, введя еще одну «начальную обмотку», также называемую вспомогательной обмоткой. Следовательно, статор однофазного двигателя имеет две обмотки: основную обмотку и пусковую обмотку (вспомогательную обмотку). Эти две обмотки соединены параллельно через однофазное питание и расположены под углом 90 градусов друг к другу. Разность фаз в 90 градусов можно получить, подключив конденсатор последовательно с начальной обмоткой. Таким образом, двигатель действует как двухфазный двигатель, создавая вращающееся магнитное поле, которое заставляет вращаться ротор. Как только двигатель набирает обороты, скажем, до 80 или 90% своей нормальной скорости, пусковая обмотка отключается от цепи с помощью центробежного выключателя и двигатель работает только на основной обмотке.

      Комментарии:

    #9 написал: Роберт |

    Чтобы двигатель двигался, необходимо создать вращающееся магнитное поле. В случае трехфазных двигателей он генерируется самостоятельно. Это стало возможным благодаря сдвигу фаз друг относительно друга на 120 градусов. Иначе обстоит дело с однофазными двигателями. Из-за того, что у него всего одна обмотка, вращающееся магнитное поле при подаче напряжения не возникает, а его отсутствие означает, что ротор не вращается. Однако, если мы переместим вал двигателя, он будет вращаться сам по себе. Однако ручное перемещение двигателя небезопасно и не удобно. Поэтому используется конденсатор для возбуждения движения и связанной с ним дополнительной обмоткой, называемой пусковой. Большую часть времени она сдвинута по фазе на 90 градусов относительно основной обмотки. Пусковая обмотка используется только при запуске двигателя. Как только двигатель достиг своего номинального крутящего момента, он должен быть выключен. В противном случае система может сгореть из-за выделяющегося в ней тепла. Однофазные двигатели редко используются в промышленности, но обычно встречаются в домах, например, в бытовых приборах или электроинструментах. Это связано с тем, что большинству этих устройств не требуется много энергии, и они должны быть просты в использовании. Поэтому они должны работать при включении в обычную розетку, без необходимости иметь в квартире трехфазную установку. Однофазные двигатели обычно обеспечивают мощность примерно до 2 кВт, что достаточно для большинства домашних электроприборов.

      Комментарии:

    #10 написал: Эдуард |

    Однофазный асинхронный двигатель - это электрический двигатель, работающий от однофазной переменной сети. Он состоит из статора и ротора. Статор однофазного двигателя имеет обмотку, которая образует два поля: постоянное магнитное поле и переменное магнитное поле, которое создается в результате прохождения переменного тока через обмотку статора. Статор имеет два или более контакта, которые подключаются к сети переменного тока. Ротор однофазного двигателя состоит из сердечника и обмотки. Обмотка ротора представляет собой короткозамкнутую обмотку, которая создает свое магнитное поле. Когда переменное магнитное поле статора вращается вокруг ротора, то в роторе появляются электромагнитные силы, которые вызывают вращение ротора. Однако, в отличие от трехфазных двигателей, в однофазном двигателе на роторе нет магнитных полюсов, поэтому вращение ротора происходит асинхронно, т.е. с некоторой задержкой. Эта задержка является причиной появления тока холостого хода, который может приводить к перегреву двигателя. Чтобы избежать этой проблемы, двигатели оснащают стартовой обмоткой и конденсатором, которые помогают запустить двигатель и обеспечить ему нормальную работу. Таким образом, основной принцип работы однофазного асинхронного двигателя заключается в создании переменного магнитного поля на статоре, которое вращается вокруг ротора, вызывая его вращение. 

      Комментарии:

    #11 написал: Сергей |

    При изготовлении однофазных двигателей обычно используют те же штампы, что и для трехфазных, т. е. сталь статора одинакова. Это обстоятельство в ряде случаев при ремонтах трехфазных мелких двигателей, применяемых с конденсаторным пуском от однофазной сети, может быть использовано, и двигатели переделаны на однофазные. При этом обмотка в однофазном двигателе будет состоять не из трех частей, как в трехфазном двигателе, а только из двух: рабочей, занимающей 2/3 пазов, и вспомогательной—1/3 пазов. Последняя включается в сеть только на время пуска.

      Комментарии:

    #12 написал: Борис |

    Рабочая обмотка имеет большое количество витков и, вследствие этого, большую индуктивность. Количество витков в пусковой обмотке значительно меньше чем в рабочей обмотке. Если бы в статоре была только одна рабочая обмотка, то, проходя по ней, переменный ток создавал бы в двигателе пульсирующее магнитное поле. Направление силовых линий в поле менялось бы на противоположное с каждой переменой направления тока. Если же, например, привести ротор двигателя в движение рукой, то он будет подхвачен магнитным пульсирующим полем и станет вращаться. Но запускать однофазный двигатель вручную неудобно, а поэтому в статоре таких двигателей есть вспомогательная пусковая обмотка. Вследствие такого расположения обмоток результирующее магнитное поле рабочей и пусковой обмоток, которые питаются от цепи однофазного переменного тока, вращается по окружности статора. Вращающееся магнитное поле захватывает ротор, который помещен между обмотками и вращается на подшипниках, укрепленных на боковых крышках корпуса. В некоторых конструкциях однофазных двигателей пусковая обмотка автоматически выключается, как только ротор начнет вращаться. Иногда применяют другие способы для создания вращающегося магнитного поля в статорах однофазных электромоторов переменного тока, пользуясь для этого конденсаторами.  

    Присоединяйтесь к нам в социальных сетях:

    ВКонтакте | Facebook | Одноклассники | Электрик Инфо на Яндекс Дзен

     

    Популярные разделы сайта:

    Электрика дома  Электрообзоры  Энергосбережение
    Секреты электрика Источники света Делимся опытом
    Домашняя автоматика Электрика для начинающих
    Практическая электроника Электротехнические новинки
    Андрей Повный - все статьи автора



    Copyright © 2009-2024 Электрик Инфо - Electrik.info, Андрей Повный
    Вся информация на сайте предоставлена в ознакомительных и познавательных целях.
    За применение этой информации администрация сайта ответственности не несет.
    Перепечатка материалов сайта запрещена.