Что нужно знать об однофазных двигателях

Однофазные двигатели очень распространены, они широко используются в бытовой технике, например, ими оснащены компрессоры кондиционеров и холодильников, различные водяные насосы, системы вентиляции и другая техника. Электромоторы делят на два типа – однофазные и двухфазные. Оба этих варианта подключаются к однофазному источнику питания – электрической сети. Различие между ними обусловлено внутренним устройством, а также зависит от режима функционирования дополнительной обмотки.

Принцип действия однофазного двигателя

Электродвижущую силу в трехфазных двигателях наводят вращающиеся магнитные поля статора, которые пересекают проводники короткозамкнутой обмотки ротора. В результате воздействия ЭДС рождается электрический ток, который порождает магнитное поле.

Трёхфазный ток создает вращающееся магнитное поле. Ток течет по катушкам статора, расположенным под углом 120° друг к другу.

Принцип работы однофазного электрического двигателя немного отличается. Однофазная обмотка статора при подключении к сети создаёт пульсирующий магнитный поток. Его амплитуда меняется от +φmax до -φmax, при этом ось в пространстве не перемещается.

Активное сопротивление обмотки ротора для обратного тока намного меньше, чем индуктивное сопротивление. По этой причине ток имеет индуктивный характер. Он размагничивает обратное поле φобр, поэтому обратный момент становится еле ощутимым. Ротор попадает под действие момента Мпр, вращается в одном с ним направлении.

М=Мпр-Мобр

Вращающий момент создаёт прямой поток, ведь нагрузка на мотор ниже номинальной, и скольжение S имеет невысокое значение. При этом если вал двигателя замирает на одном месте, то прямое и обратное скольжения уравниваются Sпр=Sобр=1. Это значит, что значения моментов Мпр и Мобр также равны. В том случае, когда момент на валу равен М=Мпр-Мобр, то обнуляется пусковой момент однофазного мотора.

По этой причине ротор однофазного двигателя не может начать вращаться сам после того, как на него подано напряжение. Он нуждается в толчке.

Однако есть несколько инженерных решений, благодаря которым создается первоначальный толчок. Пусковую обмотку можно подключать во время пуска и отключать, как только он разогнался до частоты, близкой к номинальной. Происходит сдвиг тока по фазе относительно основной обмотки.

1. Можно применить вторую обмотку, в которой ток будет сдвигаться по фазе при помощи конденсатора.
2. С помощью короткозамкнутого витка на сердечнике полюса статора можно разделить и сместить магнитный поток по времени.

Однофазные двигатели с пусковой обмоткой

Для первого технологического решения характерно два вида обмотки – пусковая и рабочая. Они размещаются на статоре таким образом, чтобы оси смещались друг к другу под прямым углом.

При подаче тока на эти две обмотки, вал не запустит вращение. Необходимо сдвинуть ток по фазе так, чтобы ток в пусковой был перпендикулярен току в рабочей. Этого можно добиться разными методами, например, подключить пуск через конденсаторы, резисторы или индуктивность. Таким образом во время старта мотор будет работать как двухфазный, а в процессе работы — как однофазный.

Чтобы получить вращающиеся поля при помощи двух перпендикулярных друг к другу обмоток на статоре, нужно обеспечить выполнение двух условий:

1. Перпендикулярное расположение в пространстве магнитодвижущих сил рабочей (A) и пусковой (B) обмотки.
2. Сдвиг по фазе токов в обмотках под углом 90° друг к другу.

Если не соблюсти эти условия, то поле будет иметь эллиптическую форму. В нем будет присутствовать обратная составляющая, что снизит пусковой момент в двигателе и увеличивает пусковой ток. Это происходит из-за межвиткового замыкания в одной из обмоток. Например, при плохом контакте может повыситься активное сопротивление.

Получить сдвиг по фазе, который поставил бы токи в рабочей и пусковой обмотке под прямым углом, можно при помощи ёмкости. Активное сопротивление и индуктивность не дают необходимой величины угла. Лучшими пусковыми характеристиками будет обладать подключение пусковой обмотки с помощью конденсатор. Однако ёмкость конденсатора может быть подобрана только индивидуально для разных двигателей.

Широкую популярность приобрели электромоторы, у которых в качестве фазосдвигающего элемента применяется активное сопротивление. Однако внешних резисторов в таких решениях не предусмотрено. Для повышения активного сопротивления выполняют пусковую обмотку проводами с меньшим диаметром сечения, чем пусковую. Однако такой подход имеет существенный недостаток – пусковой момент ниже, чем номинальный.

При применении конденсатора для сдвига по фазе, пусковой момент превышает номинальный.

Конденсаторный асинхронный двигатель

Второй вариант – это двухфазный или однофазный конденсаторный двигатель. Принцип работы КАД основан на создании фазового сдвига между статорным и роторным полюсами. Он состоит из двух обмоток - главной и пусковой, а также конденсатора. В начале работы, когда мотор подключается к источнику питания, пусковая обмотка и конденсатор создают фазовый сдвиг между потоком тока в главной и ротором. Этот сдвиг создает вращающее магнитное поле в роторе, которое вызывает его вращение. После пуска двигателя, пусковая обмотка и конденсатор отключаются, и он продолжает работать только на главной обмотке. Она создает вращающее магнитное поле, которое взаимодействует с ротором и приводит его в движение. Конденсаторный асинхронный двигатель обладает хорошим пусковым моментом и высокой эффективностью.

У него на статоре присутствует две обмотки, которые занимают равное число пазов. Они сдвинуты перпендикулярно друг к другу. Первую из обмоток подключают напрямую к однофазной сети, её зовут главной. Вторую обмотку зовут вспомогательной и подключают к той же самой сети с помощью рабочего конденсатора.

После того как мотор разогнался, вспомогательная обмотка не отключается в течение всего периода работы силовой установки. Чтобы получить круговое вращающееся поле, необходимо сделать расчет рабочей ёмкости конденсатора. Помните

Однако точно рассчитанная ёмкость помогает использовать круговое вращающееся поле лишь при постоянной нагрузке, то есть в одном режиме работы. Если изменить нагрузку, то ток Ia тоже изменится, как и угол сдвига фаз. По этой причине рабочую ёмкость (Cраб) подбирают под номинальную нагрузку двигателя.

Конденсаторные однофазные электрические двигатели имеют довольно высокую мощность и коэффициент полезного действия. Тем не менее в момент пуска мощность составляет не больше ½ номинального момента. Когда двигатель работает, создается вращающееся магнитное поле, но, когда конденсаторный мотор запускается, вокруг статора создается эллиптическое поле.

Для увеличения пускового момента в цепь могут добавлять пусковой конденсатор. Он активизируется при запуске и отключается после того, как двигатель достаточно разогнался. Частота вращений двигателя при этом приближается к номинальной. Пусковой конденсатор отключается для того, чтобы не возникло разницы в напряжении между сетью и обмоткой с конденсатором.

Разновидности

Наиболее распространенными типами однофазных двигателей являются:

1. Однофазные индукционные (ОИД): это самый распространенный тип. Они используются во многих бытовых и коммерческих приложениях, таких как вентиляторы, насосы, компрессоры и т. д.
2. Конденсаторные однофазные имеют дополнительный конденсатор, который помогает создать фазовый сдвиг и обеспечивает пусковой момент. Они широко используются в бытовых приложениях, таких как холодильники, стиральные машины и кондиционеры.
3. Универсальные однофазные могут работать как от однофазного, так и от трехфазного источника питания. Они обладают высокой мощностью и используются в инструментах, пылесосах, электрических ручных инструментах и других приложениях.
4. Шаговые однофазные используются в системах позиционирования и управления, где требуется точное перемещение на определенное количество шагов.

Это лишь некоторые примеры однофазных двигателей, и существуют и другие варианты в зависимости от конкретных требований и приложений.

Максимальная мощность этих силовых установок составляет не более 11 кВт, а в среднем этот показатель доходит до 5 кВт. Самое популярное применение этих двигателей – бытовые приборы, например, вентиляторы, водяные насосы, компрессоры в кондиционерах или холодильниках. Производители используют следующие варианты маркировки:

1. RSIR. Это агрегат с реостатным пуском, у него низкий пусковой момент. Для отключения обмотки используют электромагнитное реле или термисторы PTC. Они имеют положительный коэффициент сопротивления. Когда они нагреваются, то сопротивление в них растет, при этом ток в пусковой обмотке снижается.
2. RSCR. Очень похож на предыдущий тип двигателя, но для увеличения КПД в схеме задействован постоянно включенный конденсатор.
3. CSIR. Это тип мотора, у которого есть пусковой конденсатор. Он отличается высоким пусковым моментом.
4. PSC. Это тип конденсаторного двигателя, у которого подключен рабочий конденсатор, а пусковой – нет.
5. CSCR или CSR. В нем присутствуют и пусковой, и рабочий конденсаторы. Этот тип двигателей также отличает высокий пусковой момент.

Двигатель с экранированными полюсами

Это тип электрического мотора, в котором полюса обмотки обеспечиваются экранированием для уменьшения электромагнитных помех. Экранирование полюсов помогает снизить электромагнитные излучения и помехи, что может быть особенно полезно в некоторых приложениях, где требуется минимизировать влияние электромагнитных помех на другие устройства или системы.

Разновидностью двигателя, который функционирует при однофазном питании, является асинхронный мотор с экранированными полюсами. У него как таковая отсутствует вспомогательная обмотка. Эту функцию выполняют несколько короткозамкнутых витков. Они как бы разделяют статор на 2 части. На полюсы статора намотаны катушки возбуждения. Сердечник разделен на две неравнозначные половины специальными пазами на полюсах. В них находится короткозамкнутая обмотка, которая намотана вокруг наименьшей зоны полюса. Этот метод разделения сердечника именуют «расщепленным полюсом». В таком двигателе ротор короткозамкнутый. Из-за внешней схожести конструкций его также называют «беличьей клеткой».

Принцип работы такого мотора основан на использовании экранирования для снижения электромагнитных помех. Экранирование полюсов помогает уменьшить электромагнитные излучения и помехи, которые могут возникать при его работе. Это достигается путем размещения экранирующих материалов вокруг полюсов двигателя, которые поглощают и отражают электромагнитные волны, предотвращая их распространение в окружающую среду.

Главный поток статора разделяется на две части. Первая проходит по неэкранированной части магнитопровода, которая составляет больший процент. Вторая часть потока уходит на экранированную, меньшую зону магнитопровода. Именно она наводит электродвижущую силу в короткозамкнутой обмотке. По правилу Ленца, которое гласит, что индукционный ток обязательно направлен так, что он ослабляет действие возбуждающей его причины.

Моторы с экранированными полюсами не обязательно производятся малой мощности. Мощность мотора зависит от его конструкции, размеров и других факторов. Они могут быть различных мощностей, включая как маломощные, так и высокомощные варианты. Выбор мощности двигателя зависит от конкретных требований и задачи, которую он должен выполнять.

В двигателе с расщепленными полюсами нельзя поменять направление вращения, поэтому он считается нереверсивным. Одна из особенностей их работы заключается в том, что у них бывают пуски и остановки, а если зациклился вал при поданном напряжении, мотор вообще может подвиснуть в заторможенном состоянии.