Еднофазен асинхронен двигател: как работи

Самото име на това електрическо устройство показва, че подадената към него електрическа енергия се преобразува в ротационно движение на ротора. Освен това прилагателното „асинхронно“ характеризира несъответствието, изоставането на скоростта на въртене на арматурата от магнитното поле на статора.

Думата "еднофазна" предизвиква двусмислено определение. Това се дължи на факта, че терминът "фаза" в електричеството определя няколко явления:

• изместване, разлика на ъглите между векторните количества;

• потенциален проводник на дву-, три- или четирипроводна електрическа верига с променлив ток;

• една от намотките на статора или ротора на трифазен двигател или генератор.

Затова веднага изясняваме, че е обичайно да наричаме еднофазен електрически двигател, който работи по двупроводна променлива мрежа, представен от фазов и нулев потенциал. Броят намотки, монтирани в различни конструкции на статори, не влияе на това определение.

Дизайн на двигателя

Според техническото си устройство, индукционен двигател се състои от:

1. статор - статична, неподвижна част, направена от корпус с различни електрически елементи, разположени върху нея;

2. ротор, завъртян от силите на електромагнитното поле на статора.

Механичното свързване на тези две части се осъществява чрез въртящи лагери, вътрешните пръстени на които са монтирани върху поставените гнезда на вала на ротора, а външните пръстени са монтирани в защитни странични капаци, фиксирани към статора.

ротор

Устройството му за тези модели е същото като за всички индукционни двигатели: магнитна сърцевина от обременени плочи на базата на меки железни сплави е монтирана на стоманен вал. На външната му повърхност са направени канали, в които са монтирани намотките от алуминий или мед, къси в краищата до затварящите пръстени.

В намотката на ротора се индуцира електрически ток, който се индуцира от магнитното поле на статора, а магнитната верига служи за доброто преминаване на магнитния поток, създаден тук.

Отделни конструкции на ротора за еднофазни двигатели могат да бъдат направени от немагнитни или феромагнитни материали под формата на цилиндър.

статор

Представен е и дизайнът на статора:

• жилища;

• магнитна верига;

• ликвидация.

Основната му цел е да генерира неподвижно или въртящо се електромагнитно поле.

Намотката на статора обикновено се състои от две вериги:

1. работник;

2. стартер.

В най-простите дизайни, предназначени за ръчно завъртане на котвата, може да се направи само една намотка.

Принципът на работа на асинхронен еднофазен електродвигател

За да се опрости представянето на материала, нека си представим, че намотката на статора е направена само с един контур. Проводниците му вътре в статора са разпределени в кръг при 180 ъглови градуса. През него преминава променлив синусоидален ток, имащ положителни и отрицателни полувълни. Той създава не въртящо се, а пулсиращо магнитно поле.

Как възникват пулсации на магнитното поле

Нека анализираме този процес, като използваме примера на положителен токов полувълн, протичащ във времеви моменти t1, t2, t3.

Той минава по горната част на текущия път към нас, а по долната част - от нас. В перпендикулярната равнина, представена от магнитната верига, около проводника се появяват магнитни потоци.

Токовете, вариращи по амплитуда в разглежданите моменти, създават електромагнитни полета F1, F2 и F3 с различна величина. Тъй като токът в горната и долната половина е един и същ, но бобината е огъната, магнитните потоци на всяка част са насочени в обратна посока и унищожават ефекта един на друг.Това може да се определи от правилото на жилетка или дясната ръка.

Както можете да видите, при положителна полувълна не се наблюдава въртене на магнитното поле, а се появява само пулсацията му в горната и долната част на жицата, която също е взаимно балансирана в магнитната верига. Същият процес протича с отрицателен участък на синусоида, когато токовете обърнат посока.

Тъй като няма въртящо се магнитно поле, роторът също ще остане неподвижен, тъй като няма сили, приложени към него, за да започне въртенето.

Как се създава въртене на ротора в пулсиращо поле

Ако дадете въртене на ротора, дори и с ръка, то ще продължи това движение. За да обясним това явление, показваме, че общият магнитен поток варира по честота на текущия синусоид от нула до максималната стойност за всеки полу цикъл (с промяна на посоката) и се състои от две части, оформени в горния и долния клон, както е показано на фигурата.

Магнитното пулсиращо поле на статора се състои от две кръгови с амплитуда Fmax / 2 и се движат в противоположни посоки със същата честота.

например = nbr = f60 / p = 1.

В тази формула са посочени:

• например и nobr честота на въртене на магнитното поле на статора в посока напред и назад;

• n1 е скоростта на въртящия се магнитен поток (r / min);

• p е броят на полюсните двойки;

• f е честотата на тока в намотката на статора.

Сега с нашата ръка ще дадем въртенето на двигателя в една посока и той веднага ще вземе движението поради появата на въртящ момент, причинен от плъзгането на ротора спрямо различни магнитни потоци от посоката напред и назад.

Предполагаме, че магнитният поток в посока напред съвпада с въртенето на ротора, а обратният, съответно, ще бъде обратното. Ако n2 е честотата на въртене на котвата в rpm, тогава можем да напишем израза n2

В този случай обозначаваме Spr = (n1-n2) / n1 = S.

Тук индексите S и Spr обозначават плъзгането на асинхронния двигател и ротора на относителния магнитен поток в посока напред.

При обратния поток плъзгането на Sobr се изразява с подобна формула, но с промяната на знака n2.

Sobr = (n1 - (-n2)) / n1 = 2-Sbr.

В съответствие със закона за електромагнитната индукция, под въздействието на директен и обратен магнитен поток, в намотката на ротора ще действа електромоторна сила, която ще създава токове със същите посоки I2pr и I2obr в него.

Честотата им (в херца) ще бъде пряко пропорционална на величината на приплъзването.

f2pr = f1 ∙ Spr;

f2проба = f1 ∙ S

Освен това честотата f2obr, образувана от индуцирания ток I2obr, значително надвишава честотата f2pr.

Например, електродвигателят работи по 50 Hz мрежа с n1 = 1500 и n2 = 1440 об / мин. Роторът му има плъзгане по отношение на магнитния поток в посока напред Spr = 0,04 и текущата честота f2pr = 2 Hz. Обратното приплъзване Sobr = 1,96, а текущата честота f2obr = 98 Hz.

Въз основа на закона на Ампер, когато текущият I2pr и магнитното поле Фпр взаимодействат, се появява въртящ момент Мпр.

Mpr = cM ∙ Fpr ∙ I2pr ∙ cosφ2pr.

Тук постоянният коефициент SM зависи от дизайна на двигателя.

В този случай действа и обратният магнитен поток Mobr, който се изчислява чрез израза:

Mobr = cM ∙ Phobr ∙ I2obr ∙ cosφ2obr.

В резултат на взаимодействието на тези два потока ще се появи полученият:

M = Mpr-Mobr.

Внимание! Когато роторът се върти, в него се индуцират токове с различни честоти, които създават моменти на сили в различни посоки. Следователно моторната арматура ще се върти под действието на пулсиращо магнитно поле в посоката, от която е започнало да се върти.

По време на преодоляване на номиналното натоварване от еднофазен двигател се създава малко приплъзване с основния дял на директния въртящ момент Mpr. Противодействието на инхибиращото, обратно магнитно поле MOBR има много лек ефект поради разликата в честотите на токовете в посока напред и назад.

f2obr на обратния ток значително надвишава f2pr, а индуцираната индуктивност X2obr значително надвишава активния компонент и осигурява голям демагнетизиращ ефект на обратния магнитен поток Fobr, който в крайна сметка намалява.

Тъй като коефициентът на мощност на двигателя при натоварване е малък, обратният магнитен поток не може да окаже силно влияние върху въртящия се ротор.

Когато една фаза на мрежата се прилага към двигател с неподвижен ротор (n2 = 0), тогава приплъзването, както напред, така и назад, е равно на единство, а магнитните полета и силите на потока напред и назад се балансират и въртенето не се случва. Следователно, от захранването на една фаза е невъзможно да се развие моторната арматура.

Как бързо да определите оборотите на двигателя:

Как се създава въртене на ротора в еднофазен асинхронен двигател

В цялата история на работата на такива устройства са разработени следните дизайнерски решения:

1. ръчно развиване на вала с ръка или шнур;

2. използването на допълнителна намотка, свързана в момента на стартиране поради омично, капацитивно или индуктивно съпротивление;

3. разделяне чрез късо съединение магнитна намотка на магнитната верига на статора.

Първият метод беше използван в първоначалната разработка и не започна да се прилага в бъдеще поради възможните рискове от наранявания при стартиране, въпреки че не изисква свързване на допълнителни вериги.

Приложение на намотката на фазово изместване в статора

За да се даде първоначалното завъртане на ротора на намотката на статора, в момента на стартиране се свързва допълнително спомагателно, но само 90 градуса се измества в ъгъл. Изпълнява се с по-дебел проводник, за да премине повече токове, отколкото тече в работния.

Схемата за свързване на такъв двигател е показана на фигурата вдясно.

Тук за включване се използва бутон тип PNVS, който е специално създаден за такива двигатели и е широко използван при работа на перални машини, произведени в СССР. Този бутон веднага включва 3 контакта по такъв начин, че двата крайни, след като бъдат натиснати и освободени, остават фиксирани в състояние на включване, а средният се затваря за кратко и след това се връща в първоначалното си положение под действието на пружината.

Затворените крайни контакти могат да бъдат разкачени чрез натискане на съседния бутон за спиране.

В допълнение към превключвателя с бутони, в автоматичен режим се използват следното за деактивиране на допълнителната намотка:

1. центробежни превключватели;

2. диференциални или токови релета;

3. механични таймери.

За да се подобри стартирането на двигателя при натоварване, в намотката на фазовото изместване се използват допълнителни елементи.

Свързване на еднофазен двигател със стартово съпротивление

В такава схема омичното съпротивление се монтира последователно към допълнителната намотка на статора. В този случай намотката на завоите се извършва двупосочно, при условие че коефициентът на самоиндукция на намотката е много близък до нулата.

Поради прилагането на тези две техники, когато токовете протичат през различни намотки, между тях възниква фазово изместване от около 30 градуса, което е напълно достатъчно. Разликата в ъглите се създава чрез промяна на сложните съпротивления във всяка верига.

С този метод все още може да се намери начална намотка с ниска индуктивност и повишено съпротивление. За това се използва навиване с малък брой завои на тел с понижено напречно сечение.

Свързване на еднофазен двигател с стартиране на кондензатора

Капацитивният фазов изместване на тока ви позволява да създадете краткосрочна връзка на намотката със серийно свързан кондензатор. Тази верига работи само когато двигателят влезе в режим и след това се изключи.

Стартът на кондензатора създава най-голям въртящ момент и по-висок коефициент на мощност, отколкото при метод на резистивен или индуктивен старт. Той може да достигне стойност 45 ÷ 50% от номиналната стойност.

В отделни вериги капацитетът се добавя и към работната верига на намотката, която е постоянно включена. Поради това се постигат отклонения на токовете в намотките под ъгъл от порядъка на π / 2. В същото време в статора се забелязва изместване на максималните амплитуди, което осигурява добър въртящ момент на вала.

Благодарение на тази техника двигателят е способен да генерира повече мощност при стартиране. Този метод обаче се използва само при задвижвания с тежък старт, например за въртене на барабана на пералня, пълна с бельо с вода.

Спусъкът на кондензатора ви позволява да промените посоката на въртене на арматурата. За да направите това, просто променете полярността на връзката на стартовата или работещата намотка.

Свързана полюсна еднофазна моторна връзка

Асинхронните двигатели с малка мощност от около 100 W използват разцепване на магнитния поток на статора поради включването на късо съединена медна намотка в полюса на магнитната верига.

Разрязан на две части, такъв стълб създава допълнително магнитно поле, което се измества от главното в ъгъл и го отслабва на мястото, покрито с бобината. Поради това се създава елиптично въртящо се поле, образуващо момент на въртене с постоянна посока.

В такива дизайни могат да се намерят магнитни шунти, изработени от стоманени плочи, които затварят краищата на върховете на полюсите на статора.

Двигатели с подобен дизайн могат да бъдат намерени във вентилационни устройства за издухване на въздух. Те нямат способността да обърнат.