Однофазный асинхронный электродвигатель — устройство, принцип работы

В промышленности получили широкое распространение трехфазные асинхронные электродвигатели – они дают возможность решать целый ряд задач. Однако возникает вопрос: как подключить электродвигатель к бытовой однофазной сети? В домашней однофазной электросети переменного тока можно использовать однофазный асинхронный двигатель, обладающий несколькими особенностями конструкции.

Особенности конструкции однофазного электродвигателя

Как и у трехфазных электродвигателей, основными компонентами однофазного мотора станут статор – неподвижный элемент и ротор – подвижная часть, которая приводится во вращение под действием электромагнитного поля. Оно возникает в обмотках статора в момент, когда по ним начинает протекать электрический ток. Электромагнитное воздействие вращает ротор, что дает возможность передать крутящий момент рабочему исполнительному механизму.

Однако такая система не будет работать, если просто убрать из конструкции трехфазного статора две лишние обмотки – мотору не будет достаточно крутящего момента, чтобы начать вращать ротор. Из-за этого в конструкции такого электродвигателя будет несколько особенностей.

Особенности конструкции ротора

У однофазного электродвигателя ротор выполняется в виде металлического вала, оснащенного обмоткой. Вал снабжается ферромагнитным каркасом, изготовленным из шихтованной стали. Во внешней стороне каркаса должны быть предусмотрены пазы, в которые вставляются медные или алюминиевые стержни, по которым будет протекать электрический ток – они будут играть роль обмотки. Концы таких стержней соединяются кольцами, что придает внешнему облику ротора сходство с беличьей клеткой.

Электромагнитный поток от статора начинает воздействовать на короткозамкнутые обмотки ротора, в результате чего по «беличьей клетке» начинает протекать электроток. Интенсивность потока усиливается ферромагнитной вставкой, установленной на вал. Однако не все модели оснащаются магнитными проводниками, во многих случаях используются немагнитные вставки.

Особенности конструкции статора

Однофазный асинхронный двигатель имеет такую же конструкцию статора, как и трехфазный аналог. Он состоит из следующих элементов:

• Корпуса из металла;
• Размещенного внутри магнитопровода, изготовленного из ферромагнитного сплава;
• Обмотки статора, выполненной из медной проводки.

У статора однофазного электродвигателя два типа обмоток: одна из них является основной – ее также называют рабочей, вторая – пусковой: она используется только в момент пуска электродвигателя. Обмотки установлены друг относительно друга под прямым углом, конструкция напоминает обмотки двухфазного электродвигателя. Однако есть разница в объеме обмоток: основная занимает 2/3 объема, а пусковая – только 1/3.

Как работает однофазный асинхронный электродвигатель?

Чтобы однофазный асинхронный электродвигатель начал работать, необходимо создать пульсирующий магнитный поток. Он возникает при прохождении электротока по основной обмотке статора с запуском от вспомогательного витка.

Переменный электроток проходит по проводнику в соответствии со всем известным правилом буравчика: в результате возникают концентрические магнитные потоки. Когда синусоида достигнет максимума, магнитный поток также будет достигать своих наибольших значений. Однако в переменной электросети ток будет менять направление в витке с частотой 50 Гц. При пересечении кривой оси абсцисс, ток начнет движение по витку обмотки в обратном направлении, в результате магнитный поток, который им создается, будет иметь противоположные полюса. Также изменится направление результирующего вектора.

Оба потока имеют одинаковые характеристики, поэтому перемена направления с частотой 100 раз за 1 сек обеспечит суммарный нулевой результат. Из-за этого значение прямого и обратного магнитного потока совпадает.

Фпр = Фобр

Такая ситуация значит, что если просто поместить в поле с такими параметрами ротор электромотора, то он не сможет вращаться. В нем 100 раз в минуту будет меняться направление магнитного потока, в результате ротор будет оставаться в стартовом положении. Однако ситуация начнет меняться, если появится импульс к стартовому движению. В такой ситуации начнется скольжение, которое спровоцирует постоянное вращение вала. Величина такого скольжения будет рассчитываться по формуле:

Sпр = (n1 — n2) / n1, в которой:

n1 – это значение частоты вращения электромагнитного поля электромотора;

n2 – частота, с которой вращается ротор электромотора;

S – величина скольжения однофазного двигателя.

Когда магнитный поток меняется, поле статора и ротор электродвигателя будут вращаться в одном направлении. В этом случае скольжение будет рассчитываться по другой формуле:

Sобр = (n1 — ( — n2)) / n1.

Стержни будут попеременно пересекаться магнитными потоками с разным направлением. Это позволит создать ЭДС, чтобы сгенерировать электроток в роторе и обеспечить ответный магнитный поток. Он будет взаимодействовать с электромагнитным полем статора электродвигателя.

Чтобы запустить однофазный асинхронный электродвигатель, недостаточно просто подать на него напряжение. Для решения этой задачи потребуется первичный импульс, его можно получить несколькими способами:

• Раскручивать вал вручную для получения импульса нужной величины;
• Кратковременно вводить пусковую катушку;
• Расщепить электромагнитное поле короткозамкнутым ротором.

Первый способ в практических целях не используется – его можно встретить только в лабораторных условиях. На практике из-за высокой скорости вращения ротора он может травмировать оператора, поэтому ручной пуск не применяется.

Варианты схем подключения

Чтобы получить базовый импульс, необходимый для начала вращения ротора, могут использоваться несколько вариантов схем подключения. Некоторые из них использовались ранее, но на сегодня полностью утратили актуальность и перестали применяться. Можно подробно рассмотреть несколько схем, которые сегодня считаются наиболее результативными и активно применяются на практике.

Схема с пусковым сопротивлением

Чтобы сместить вектор магнитного потока, можно добавить в пусковую обмотку сопротивление. Этот активный компонент позволит обеспечить требуемый угол сдвига между рабочей и пусковой катушками – он составит от 15 до 50 градусов. Получаемая разница позволит создать требуемый импульс и запустить вращение.

Схема с конденсаторным пуском

В этом случае в схеме используется не сопротивление, а емкостный элемент. С его помощью можно сдвинуть электрические величины в рабочей и пусковой катушке на 90 градусов. Это позволит создать значительное усилие и обеспечить требуемый импульс.

В практических условиях пусковой конденсатор и еще одна обмотка начинают работать при нажатии кнопки пуска – одновременно в цепь подается основное питание. Пусковая кнопка расположена так, чтобы контакт возвращался пружиной в первоначальное положение, как только конденсаторный запуск был закончен.

Схема с расщепленными полюсами

В такой схеме предусматривается использование особой конструкции статорного магнитопровода. Оба полюса в нем разделяются еще на два, причем один из них должен быть укомплектован короткозамкнутым витком, с помощью которого будут меняться параметры магнитного потока.

Однако у такой схемы есть значительный минус. При таком пуске теряется часть мощности, КПД однофазного электродвигателя понижается. Его можно использовать только в машинах, мощность которых не превышает 100 кВт.

Где могут использоваться однофазные электродвигатели?

Однофазные асинхронные электромоторы получили распространение в различных бытовых электроприборах, также они могут использоваться в агрегатах малой механизации. Их применяют для запуска оборудования небольшой мощности, которое можно будет подключить к бытовой сети с напряжением 220 В.

Это могут быть станки, с помощью которого проводится обработка дерева, различных металлических и пластиковых заготовок. Кроме того, они могут работать для обеспечения вращения бетономешалок, различных сельскохозяйственных машин. Также они нашли применение в кулерах, микроволновых печах, стиральных машинках и прочих бытовых приборах.