Электрические машины

Однофазный асинхронный двигатель

Для освещения и общих бытовых целей в домах, офисах, магазинах, а также в небольших производствах, широко используется однофазная система электропитания наряду с трёхфазной системой. Однофазная система применяется там, где потребляемая мощность мала, где нет необходимости в использовании трёхфазных электрических цепей, где нет постоянного круглосуточного потребления большой мощности.

Двухобмоточный асинхронный двигательОднофазный двигатель

Однофазные двигатели просты в конструкции и эксплуатации, что в свою очередь даёт экономию в их эксплуатации, ремонте и обслуживании в сравнении с аналогичными трёхфазными двигателями. Обычно в бытовой технике, такой как пылесосы, вентиляторы, стиральные машины, фены, центробежные насосы, маленькие игрушки и т.д. используются именно однофазные электрические машины.

Однофазные асинхронные двигатели классифицируются следующим образом:

  • Однофазные асинхронные двигатели или асинхронные двигатели.
  • Однофазные синхронные двигатели.
  • Коллекторные двигатели.

Эта статья даёт основное представление об однофазном асинхронном двигателе, его описание и принцип его работы.

Конструкция однофазного асинхронного двигателя

Как и любой другой электрический двигатель, однофазный асинхронный двигатель состоит из двух основных частей, а именно из ротора и статора. Статор является неподвижной частью двигателя, а ротор подвижной частью. Питание однофазным напряжением подается на статор асинхронного двигателя, который содержит обмотки для создания магнитного поля. Ротор представляет собой вращающуюся часть, которая соединяется с механической нагрузкой. Ротор однофазного асинхронного двигателя является короткозамкнутым, то есть содержит короткозамкнутую обмотку, обычно по своему виду напоминающую беличью клетку (колесо).

Конструкция однофазного асинхронного двигателя практически аналогичная конструкции трёхфазного электродвигателя с короткозамкнутым ротором. Единственное отличие – это наличие двух обмоток для одной фазы питания, в то время как в трёхфазном двигателе на каждую фазу приходится по одной обмотке.

Статор однофазного асинхронного двигателя

Статор однофазного асинхронного двигателя изготовлен из ламинированных штампованных листов электротехнической стали. Каждый лист изолирован от предыдущего и последующего слоем лака или иного изолирующего немагнитного покрытия. Изготовление статора из многих тонких пластин обусловлено необходимостью избавится от влияния вихревых токов. Чем больше пластин и чем они тоньше, тем меньшие вихревые токи наводятся в статоре, что положительно влияет на эффективность преобразования электрической энергии в механическую энергию. В том случае, если статор изготовлен из цельного куска электротехнической стали или иного ферромагнитного материала, значительная часть электрической энергии будет расходоваться на нагрев статора, а это снизит КПД двигателя и может разрушить изоляцию обмоток статора.

Собранный пакет статора содержит слоты (пазы) для укладки в них обмотки, таким образом, получается, что статор является магнитопроводом наподобие сердечника трансформатора, а обмотка статора подобна первичной обмотке трансформатора. Где же расположена вторичная обмотка? Это нужно понять. Вторая обмотка короткозамкнута и она расположена на роторе, а магнитная связь между статором и ротором осуществляется через воздушный зазор.

Модель двухобмоточного однофазного асинхронного двигателя

При подаче питания на обмотку статора, создаётся магнитное поле, которое вращает ротор со скоростью чуть меньшей, чем синхронная скорость NS(об/мин = rpm). Эта скорость определяется по формуле:

Формула скорости

Конструкция статора однофазного двигателя аналогична конструкции трёхфазного двигателя, за исключением обмоток статора:

  • Во-первых, однофазные асинхронные двигатели содержат в основном концентрические обмотки, так как число витков обмотки может быть легко отрегулировано, то магнитодвижущая сила (МДС)(MMF) распределяется практически синусоидально.
  • Полюса двигателя смещаются, за исключением того случая, когда асинхронный двигатель имеет две статорные обмотки, основную и вспомогательную. Эти две обмотки располагаются в пространстве статора под прямым углом относительно друг друга.

Ротор однофазного асинхронного двигателя

Конструкция ротора однофазного асинхронного двигателя аналогична короткозамкнутому ротору трёхфазного асинхронного двигателя. Ротор имеет цилиндрическую форму и прорези по всей периферии. Пазы сделаны не параллельно оси вращения ротора, а со скосом. Такое перекашивание предотвращает магнитное запирание ротора в поле статора, тем самым облегчая первоначальный пуск двигателя. Пуск и работа асинхронного двигателя становится более гладкой и спокойной, без чрезмерных перегрузок на старте и в работе.

Обмотка ротора в виде беличьей клетки состоит из алюминиевых, медных или латунных стержней, которые размещаются в пазах на периферии ротора. Эти стержни постоянно замкнуты медными или алюминиевыми кольцами с торцов ротора и иначе называются – конечными кольцами. Внешний вид такой обмотки напоминает беличье колесо, в котором белка бегает по кругу, перебирая лапками те самые стержни. Такое сходство и послужило названием для короткозамкнутого ротора – короткозамкнутый ротор типа «беличья клетка».

Так как обмотка ротора закорочена концевыми кольцами и состоит из многих стержней соединённых параллельно друг другу в одну цепь, то электрическое сопротивление ротора очень мало. Такая конструкция ротора не позволяет включать в обмотку ротора дополнительные сопротивления, потому как отсутствуют контактные кольца и щётки.

Простота конструкции и отсутствие контактных колец и щёток в конструкции однофазного асинхронного двигателя делает его дешёвым, надёжным и простым в эксплуатации.

Принцип работы однофазного асинхронного двигателя

Необходимо помнить, что для работы любого электродвигателя, постоянного (DC) или переменного тока (AC), требуется наличие двух магнитных потоков, взаимодействие которых создаёт крутящий момент. Существование крутящего момента является необходимым параметром для работы любого двигателя, чтобы производить вращение.

Когда через обмотки статора начинает протекать электрический ток, он в свою очередь создаёт переменный магнитный поток, который называется главным потоком. Этот главный поток оказывает воздействие на проводники ротора в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея. В проводниках ротора наводится ЭДС, а так как обмотка ротора короткозамкнутая, то в ней начинает протекать электрический ток, который в свою очередь также создаёт встречный магнитный поток, действующий против главного потока. Поскольку второй поток создаётся по причине первого потока, а значит, они существуют не синхронно, то именно поэтому такой двигатель называется асинхронным.

Взаимодействие двух этих потоков, один от статора и второй от ротора, создают желаемый крутящий момент. Двигатель начинает вращаться.

Почему однофазный асинхронный двигатель не способен к самозапуску?

Согласно теории о двойном поле вращения, любая составляющая (переменная) поля может быть разложена на два компонента, где каждый компонент будет равен половине максимальной величины взятой составляющей. Оба этих компонента будут вращаться в противоположных друг к другу направлениях. Таким образом, поток Ф можно разложить на две составляющие:

Два магнитных потока однофазного двигателя

Каждый из этих компонентов потока вращается (движется) в противоположном направлении, то есть, если Фм/2 вращается в направлении по часовой стрелке, то другой поток Фм/2 вращается в направлении против часовой стрелки.

Когда от источника переменного тока подается ток на обмотки статора однофазного асинхронного двигателя, он производит поток Фм. В соответствии с теорией двойного поля вращения (double field revolving theory) этот поток может быть разложен на два потока встречно направленных друг к другу величины Фм/2 и движущихся синхронно со скоростью N. Назовем эти два компонента Фf (front) и Фb (back). Результирующий поток от этих двух потоков в любой момент времени даёт значение магнитного потока статора.

Сложение двух магнитных потоков

В момент запуска двигателя эти два компонента потока направлены точно друг против друга. Они равны по величине и уравновешивают друг друга и, следовательно, эффективность крутящего момента, который испытывает ротор, равна нулю. Именно поэтому не происходит самозапуска однофазного асинхронного двигателя.

Способы создания самозапускающихся однофазных асинхронных двигателей

Из выше написанного можно легко сделать вывод, что однофазные асинхронные двигатели не самозапускаются потому как производимый статором переменный поток состоит из двух компонентов, которые компенсируют друг друга и, следовательно, нет эффективного крутящего момента.

Решение этой проблемы состоит в том, чтобы создать именно вращающийся магнитный поток, а не пульсирующий. Тогда двигатель станет самозапускающимся. Для этого надо сделать так, чтобы одна из компонент имела перевес относительно другой компоненты потока в ту или другую сторону. Изначально две компоненты потока находятся в противофазе относительно друг друга, то есть, сдвинуты на 180 градусов. Это можно сделать, добавив дополнительную компоненту потока, которую после пуска можно убрать и двигатель продолжит работать самостоятельно.

В зависимости от способов осуществления самозапуска однофазного асинхронного двигателя существует четыре вида двигателя:

  1. С раздельными обмотками (Split phase induction motor).
  2. С пусковым конденсатором (Capacitor start inductor motor).
  3. С пусковым конденсатором и рабочей обмоткой (Capacitor start capacitor run induction motor).
  4. Со смещенным полюсом (Shaded pole induction motor).

Сравнение однофазного и трёхфазного электродвигателей

  1. Однофазные асинхронные электродвигатели просты в конструкции, надежны и экономичны в работе, обслуживании и эксплуатации в сравнении с трёхфазными асинхронными двигателями.
  2. Коэффициент мощности однофазных асинхронных двигателей ниже в сравнении с трёхфазными асинхронными двигателями такой же мощности.
  3. Однофазные асинхронные двигатели таких же габаритов, что и трёхфазные асинхронные двигатели выдают около 50% мощности.
  4. Низкое значение пускового момента для однофазных асинхронных двигателей.
  5. Эффективность (КПД) однофазных асинхронных двигателей меньше в сравнении с эффективностью трёхфазных асинхронных двигателей.

Дата: 26.01.2016

© Valentin Grigoryev (Валентин Григорьев)