Однофазный конденсаторный асинхронный двигатель: Конденсаторный асинхронный однофазный электродвигатель ДАК 120-250-1,5Б

Однофазный асинхронный электродвигатель: устройство, принцип работы, подключение

Практически всем хорошо известны трехфазные электродвигатели, они широко применяются в промышленности, позволяют решать самые различные задачи. Да и принцип получения переменного тока, как физической величины мы привыкли рассматривать на примере тех же трехфазных асинхронных генераторов. Но как быть в бытовых условиях, где присутствует только одна фаза, народные умельцы научились выполнять подключение трехфазных электрических машин, но это не обязательно. На практике давно используется  однофазный асинхронный электродвигатель, который может выполнять все свои функции даже в домашней сети переменного тока.

Конструктивные особенности

Если сравнивать однофазный электродвигатель с другими электрическими машинами, то конструктивно он также состоит из подвижного и неподвижного элемента —  статора и ротора. Статор, за счет протекания электрического тока по его обмоткам, создает магнитное поле, вступающее во взаимодействие с ротором. В результате электромагнитного взаимодействия ротор приводится во вращение.

Рис. 1. Конструкция однофазного асинхронного электродвигателя

Однако все не так просто, как может показаться на первый взгляд, если бы вы убрали из обычного трехфазного электродвигателя лишние две обмотки и подключили в розетку, вращение бы не началось. Мотору  попросту не хватит момента для вращения ротора. Поэтому конструкция однофазного асинхронного электродвигателя имеет ряд особенностей.

Ротор

Ротор однофазного электродвигателя представляет собой такой же металлический вал, который оснащается обмоткой. На валу собирается ферромагнитный каркас из шихтованной стали по ее внешней поверхности проделываются пазы. В пазах на валу ротора устанавливаются стержни из меди или алюминия, которые выступают в роли обмотки, проводящей электрический ток. На концах стержни соединяются двумя кольцами, из-за такой конструкции его также называют беличьей клеткой.

При воздействии электромагнитного потока от статора на короткозамкнутые обмотки ротора в беличьей клетке начинает протекать ток. Ферромагнитная вставка на валу помогает усилить поток, проходящий через него. Однако далеко не во всех моделях существует магнитный проводник, в некоторых он выполняется из немагнитных сплавов.

Статор

Конструкция статора в однофазном электродвигателе имеет такой же состав, как и в большинстве электрических машин:

• металлический корпус;
• установленный внутри магнитопровод из ферромагнитного материала;
•  обмотка статора, представленная медными проводниками.

Обмотки статора такого электродвигателя подразделяются на две – основную, она же рабочая, через которую осуществляется постоянная циркуляция нагрузки и пусковая, которая задействуется только в момент запуска. Обе обмотки однофазного двигателя расположены под углом 90° друг относительно друга. Такая конструкция делает их схожими с двухфазными электродвигателями, где также применяются две обмотки.

Но их объем, относительно всего пространства асинхронного двигателя  отличается, основная составляет только 2/3 от общего числа пазов, а пусковые обмотки занимают 1/3.

Принцип работы

Принцип действия однофазного асинхронного электродвигателя заключается в создании пульсирующего магнитного потока от протекания электрического тока по основной обмотке статора, если рассматривать вариант пуска от вспомогательного витка. Таким образом, подключение однофазного мотора к сети мы рассмотрим на примере одно витка.

Рис. 2. Принцип формирования магнитного потока в статоре

Как видите на рисунке выше, переменный электрический ток, протекая по проводнику, согласно правила буравчика, создает концентрические магнитные потоки. При появлении максимума синусоиды магнитный поток также достигнет своего максимума. Однако в сети однофазного переменного электрического напряжения ток  меняет свое направление движения в витке с частотой в 50 Гц. Это означает, что как только кривая пересечет ось  абсцисс, ток будет протекать по витку обмотки в противоположном направлении и создаваемый ним магнитный поток получит противоположные полюса и направленность результирующего вектора:

Рис. 3. Формирование потока обратного направления

С физической точки зрения оба потока равнозначны, поэтому их смена с периодичностью 100 раз в секунду даст нулевой результат при сложении. Прямой магнитный поток окажется равным обратному:

Ф_пр = Ф_обр

Это означает, что если в таком поле окажется ротор электродвигателя, вращаться он не будет. 100 раз в минуту в нем произойдет смена магнитного потока, и короткозамкнутый ротор будет просто гудеть, оставаясь на месте.  Однако ситуация в корне измениться, если возникнет импульс к начальному движению. В таком случае появиться скольжение, которое и приведет к постоянному вращению вала:

S_пр = (n₁ — n₂) / n₁, где

• n₁ – частота вращения магнитного поля однофазного электродвигателя;
• n₂ – частота вращения ротора асинхронного электродвигателя;
• S – величина скольжения однофазного индукционного мотора.

При смене магнитного потока направление вращения и поля статора и ротора электродвигателя совпадут, поэтому скольжение получит иное выражение для вычисления:

S_обр = (n₁ — ( — n₂)) / n₁, где

Попеременное пересечение стержней магнитными потоками разного направления создаст в них ЭДС, которая сгенерирует электрический ток в роторе и ответный магнитный поток. А он, в свою очередь, также вступит во взаимодействие с полем статора однофазного электродвигателя, как показано на рисунке ниже.

Рис. 4. Получение ЭДС в роторе

Как видите, чтобы подключить трехфазный электродвигатель, достаточно подать на него напряжение, но с однофазным такой вариант не сработает.

Для запуска мотора необходим первичный импульс, который на практике может быть получен посредством:

• раскрутки вала вручную;
• кратковременного введения пусковой катушки;
• расщепления магнитного поля короткозамкнутым контуром.

Из вышеприведенных способов сегодня первый используется только в лабораторных экспериментах, из практического применения он вышел из-за опасности травмирования оператора.

Схемы подключения

Для получения базового импульса вращения могут использоваться различные схемы подключения. Со временем, некоторые из них утрачивали свою актуальность и сменялись более прогрессивными, поэтому далее мы рассмотрим наиболее эффективные, которые применяются и сейчас.

С пусковым сопротивлением

Так как в индукционных электродвигателях сопротивление обмоток имеет комплексную форму, вектор магнитного потока можно легко сместить, если в пусковую обмотку добавить сопротивление. Наличие активной составляющей даст необходимый угол сдвига между рабочими катушками однофазного электродвигателя и пусковой, от 15° до  50°, что и обеспечит разницу для начального вращения.

Рис. 5. Схема с пусковым сопротивлением

С конденсаторным запуском

В отличии от предыдущего способа, в схеме с конденсаторным пуском электродвигателя применяется емкостной элемент, который позволяет сместить электрические величины в основной и пусковой катушках на 90°, обеспечивая максимальное усилие.

Рис. 6. Схема с конденсаторным пуском

На практике пусковой конденсатор вместе с дополнительной обмоткой вводятся кнопкой пуска одновременно с подачей основного питания. Пусковая кнопка устроена таким образом, что контакт C_n возвращается пружиной в изначальное положение, сразу после окончания конденсаторного запуска.

С расщепленными полюсами

В отличии от конденсаторных двигателей, такой способ пуска предусматривает наличие особой конструкции статорного магнитопровода. В этом случае каждый полюс разделяется на два, один из которых комплектуется короткозамкнутым витком, изменяющим характеристики магнитного потока.

Рис. 7. Схема с расщепленными полюсами

Существенным недостатком этого метода пуска однофазного электродвигателя является постоянная потеря мощности и снижение КПД мотора. Поэтому его применяют только в электрических машинах до 100 кВт.

Область применения

Однофазные электродвигатели находят широкое применение в бытовых устройствах или промышленных аппаратах малой механизации. Они охватывают относительно маломощное однофазное оборудование, которое питается от 220В.

Это различные станки для обработки древесины, металла, пластика и т.д. Также однофазные электродвигатели используются в установках сельскохозяйственной отрасли для смешивания зерновых, изготовления бетона и т. д. В быту их применяют в некоторых моделях микроволновок, вытяжек, стиральных машин и куллеров, питающихся от однофазного источника.

Видео по теме

его устройство и принцип действия

Двигатель однофазный функционирует за счёт переменчивого электротока и подключается к сети с одной фазой. Линия должна иметь напряжённость 220 В и частоту 50 Гц.

Выпускаются модификации с мощностью от 5 Вт — 10 кВт.

Электромоторы этого вида находят применение в маломощных аппаратах:

• Устройство однофазного двигателя
• Разновидности и применение
• Схема запуска
• Работа механизма
  • Подключение мотора с пусковым противодействием
  • Подключение двигателя с конденсаторным пуском
• Контроль функциональности

• бытовой технике;
• вентиляторах;
• насосах;
• станках и т. п.

Значения КПД, силы и отправного момента у однофазных двигателей значительно ниже, нежели у трехфазных приборов тех же объёмов. Перегрузочная способность, кроме того, больше у моторов с 3 фазами. Таким образом, мощность однофазного приспособления не превосходит 70% силы трехфазного того же объёма.

Устройство однофазного двигателя

По сути, имеет 2 фазы, однако, работу осуществляет лишь один из них, по этой причине двигатель именуют однофазным. Как и все без исключения электромашины, однофазный двигатель складывается из 2 элементов: неподвижной (статор) и мобильной (ротор). Предполагает собой асинхронный электромотор, неподвижной частью которого является одна основная работающая обмотка, подключаемая к источнику переменного тока. К мощным граням двигателя этого вида можно причислить несложность системы, представляющую собой ротор с замкнутой обмоткой. К минусам — низкие значения отправного момента и КПД.

Главный недостаток однофазного тока — невозможность генерации им магнитного поля, исполняющего вращение. По этой причине однофазный электромотор не запустится сам при подсоединении к сети.

В теории электромашин функционирует принцип: чтобы появилось магнитное поле, крутящее ротор, в статоре должно быть 2 обмотки (фазы). Необходимо, кроме того, смещение одной обмотки на определённый ракурс относительно другой.

В период работы совершается обтекание обмоток неустойчивыми электрическими полями:

1. В неподвижном месте однофазного двигателя находится так именуемая отправная электрообмотка. Она смещена на 90 градусов по отношению к основной рабочей.
2. Сдвиг токов можно приобрести, включив в цепь фазосдвигающий элемент. Для этого могут применяться активные резисторы, катушки индукции и конденсаторы.
3. В качестве основы для статоров и роторов применяется электротехническая сталь — 2212.

Неверно называть монофазными такие электродвигатели, которые по собственному строению считаются 2- и 3-фазными, однако, подсоединяются к однофазному источнику посредством методик согласования (конденсаторные электромоторы).

Эти две фазы таких приборов считаются рабочими и включены все время.

Разновидности и применение

Моторы однофазные 220 В обширно применяются в разнообразном промышленном и бытовом оснащении.

Существуют 2 наиболее востребованных разновидности данных приборов:

1. Коллекторные.
2. Асинхронные.

Последние по собственной конструкции наиболее просты, но обладают рядом недочётов, из числа которых можно выделить трудности с переменой частоты и направления верчения ротора. Мощность этого мотора зависит от конструктивных отличительных черт и может колебаться от 5 до 10 кВт. Его ротор предполагает короткозамкнутую обмотку — алюминиевые или медные стержни, которые замкнуты с торцов.

Как правило, электромотор асинхронный однофазный снабжён 2-мя смещёнными на 90 ° друг к другу обмотками. При этом основная обмотка захватывает существенную часть пазов, а дополнительная (пусковая) захватывает оставшийся участок.

Своё наименование электродвигатель асинхронный приобрёл лишь потому, что он содержит только лишь одну рабочую обмотку.

Протекающий по основной обмотке переменный электроток формирует магнитное меняющееся поле. Оно складывается из 2 слоёв равной амплитуды, вращение которых совершается навстречу друг другу. По закону индукции, изменяющийся в закрытых витках электромагнитный поток в роторах образует индукционный ток, который действует с полем, порождающим его. В случае если ротор в неподвижном состоянии, моменты сил на него равны и в результате он остаётся недвижимым.

При вращении ротора нарушится равенство момента сил, таким образом, движение его витков по отношению к крутящимся магнитным полям будет разным. Таким образом, функционирующая на роторные витки от непосредственного магнитного поля сила Ампера будет значительно больше, чем с края противоположного поля.

Схема запуска

В витках ротора индуктивный электроток может появляться только вследствие пересечения ими насильственных направлений магнитного поля. Их вращение должно реализоваться с быстротой чуть менее частоты верчения поля. Непосредственно отсюда и вышло название — асинхронный электродвигатель. Вследствие повышения механической перегрузки уменьшается быстрота верчения, увеличивается индуктивный электроток в роторных витках. А кроме того, увеличивается механическая мощность мотора и переменного тока, который он употребляет.

Принцип действия:

1. Благодаря току появляется импульсное магнитное поле в статоре электромотора. Это поле возможно рассматривать как 2 различных поля, которые вращаются разнонаправленно и имеют похожие амплитуды и частоты.
2. Если ротор располагается в неподвижном состоянии, данные поля приводят к появлению одинаковых по модулю, но разнонаправленных факторов.
3. Если у двигателя отсутствуют особые начальные механизмы, в этом случае при старте результирующий момент станет равный нулю, а, следовательно — двигатель не будет вертеться.
4. Если же ротор приведён в обращение в любую сторону, в таком случае соответствующий момент приступает доминировать, а следовательно, ось двигателя продолжит вертеться в определённом направлении.

Пуск выполняется магнитным полем, что крутит мобильную часть двигателя. Оно формируется 2 обмотками: основной и дополнительной. Заключительная обмотка имеет минимальный объем и считается пусковой. Она подключается к главной электрической сети через имеющуюся ёмкость или индуктивность. Подсоединение осуществляется только лишь в период запуска. В моторах с невысокой мощностью отправная фаза замкнута накоротко.

Запуск мотора осуществляют удержанием пусковой клавиши на несколько секунд, вследствие чего совершается разгон ротора. В период отпускания пусковой клавиши электродвигатель с двухфазного режима передаётся в однофазовый режим и его работа удерживается нужной компонентой переменчивого магнитного поля.

Отправная фаза рассчитана на временную работу — как правило, до 3 с. Более продолжительное время пребывания под нагрузкой может послужить причиной к перегреву, возгоранию изоляции и неисправности приспособления. Поэтому немаловажно своевременно освободить пусковую клавишу. С целью увеличения надёжности в корпус двигателей встраивают центробежный коммутатор и термическое реле.

Роль центробежного выключателя состоит в выключении пусковой фазы, если ротор наберёт скорость. Это происходит автоматом — без вмешательства. Тепловое реле отключает фазы обмотки, если они нагреваются свыше допустимого.

Работа механизма

Для работы устройства необходима 1 фаза с усилием 220 В. Это значит, что подсоединить его можно в домашнюю розетку. Непосредственно в этом причина известности двигателя среди населения. В абсолютно всех домашних устройствах, от соковыжималки до шлифующей машины, установлены механизмы такого типа.

Имеется 2 вида электромоторов: с пусковой обмоткой и с конденсатором.

1. В первом виде приборов отправная обмотка функционирует с помощью конденсатора только в период старта. Уже после достижения техникой обычной скорости она выключается, и деятельность продолжается с 1 обмоткой.
2. Во втором случае для двигателей с рабочим конденсатором, дополнительная электрообмотка подключена через конденсатор все время.

Электродвигатель может быть взят с одного устройства и включён к другому. К примеру, надёжный однофазный двигатель от стиральной машины либо пылесоса может применяться для работы газонокосилки, станка и т. д.

Схема подключения однофазного асинхронного двигателя:

1. В 1 схеме работа запускающей обмотки производится с помощью конденсатора и только лишь в период пуска.
2. 2 модель также учитывает временное подсоединение, но оно совершается через сопротивление, а не через холодильник.
3. 3 модель считается наиболее популярной. В рамках этой схемы холодильник постоянно подключен к источнику электричества, а не только лишь в период старта.

Подключение мотора с пусковым противодействием

Дополнительная обмотка подобных приборов имеет высокое интенсивное противодействие. Для пуска электромашины этого вида может быть применён пусковой резистор. Его необходимо поочерёдно подсоединить к пусковой обмотке. Подобным способом можно приобрести сдвиг фаз в 30° меж токами обмоток, чего станет абсолютно достаточно для старта приспособления.

Помимо этого, сдвиг фаз может быть приобретён посредством применения пусковой фазы с огромным значением противодействия и наименьшей индуктивностью. У такого рода обмотки меньшее число витков и тоньше кабель.

Подключение двигателя с конденсаторным пуском

У этих электромашин отправная цепь включает конденсатор и вводится только лишь в период старта.

Для свершения наибольшего значения отправного момента необходимо циркулярное магнитное поле, что осуществляет оборот. Для того чтобы оно появилось, токи обмоток должны быть направлены на 90° друг к другу. Подобные фазосдвигающие компоненты, как резистор и дроссель, не гарантируют нужный сдвиг фаз. Только лишь вовлечение в цепь конденсатора даёт возможность приобрести сдвиг фаз 90°, если верно выбрать ёмкость.

Определить нужные провода и то, к какой обмотке они причисляются, можно посредством замера противодействия. У рабочей обмотки значение противодействия постоянно меньше (12 Ом), чем у пусковой обмотки (30 Ом). В соответствии с этим сечение провода основной обмотки больше, чем у пусковой.

Конденсатор подбирается согласно употребляемому двигателем току. К примеру, в случае если ток равен 1,4 А, то нужен конденсатор 6 мкФ.

Контроль функциональности

Ниже перечислены все дефекты, говорящие о вероятных проблемах с мотором, их причиной могла быть некорректная эксплуатация либо перегруженность:

1. Неисправная опора или монтажные щели.
2. В середине двигателя потемнела окраска (показывает на перегрев).
3. Через щели в корпусе внутрь аппарата втянуты сторонние вещества.

Чтобы проконтролировать функциональность двигателя, необходимо включить его сначала на 1 минуту, а потом предоставить потрудиться приблизительно 15 минут.

Если уже после этого мотор окажется тёплым, то:

• вероятно, подшипники загрязнились, зажались либо попросту износились;
• причина может быть в очень повышенной ёмкости конденсатора.

Отключите конденсатор и опустите мотор вручную: в случае если он прекратит прогреваться — следует сократить конденсаторную ёмкость.

Однофазная асинхронная машина — MATLAB и Simulink

Основное содержание

Открытая модель

В этом примере показана работа однофазного асинхронного двигателя в режимах «Конденсатор-Пуск» и «Конденсатор-Пуск-Работа».

H. Ouquelle и Louis-A.Dessaint (Ecole de technologie superieure, Монреаль)

Описание

В этой модели используются два однофазных асинхронных двигателя соответственно в режимах «Конденсатор-Пуск» и «Конденсатор-Пуск-Работа» для сравнения их рабочих характеристик, таких как крутящий момент, пульсация крутящего момента, КПД и коэффициент мощности. Два двигателя мощностью 1/4 л.с., 110 В, 60 Гц, 1800 об/мин. питаются от однофазного источника питания 110 В. У них одинаковые обмотки статора (основная и вспомогательная) и короткозамкнутые роторы.

Двигатель 1 Двигатель работает в режиме пуска от конденсатора. Его вспомогательная обмотка, последовательно соединенная с пусковым конденсатором 255 мкФ, отключается при достижении скорости 75% от номинальной. Пусковой конденсатор используется для обеспечения высокого пускового момента.

Двигатель 2 работает в режиме пуск-работа конденсатора. В этом режиме работы используются два конденсатора: рабочий и пусковой конденсаторы. В пусковой период вспомогательная обмотка также подключается последовательно с конденсатором 255 мкФ, но после достижения скорости отключения вспомогательная обмотка остается последовательно соединенной с рабочим конденсатором 21,1 мкФ. Это значение конденсатора оптимизировано для смягчения пульсаций крутящего момента. Двигатель работает эффективно с высоким коэффициентом мощности.

Два двигателя сначала запускаются без нагрузки, при t=0. Затем в момент времени t=2 с, как только двигатели достигли стационарного режима, на вал внезапно прикладывается крутящий момент 1 Н·м (номинальный крутящий момент).

Симуляция

Запустить симуляцию. В блоке Scope отображаются следующие сигналы для двигателя с конденсаторным пуском (желтые линии) и двигателя с конденсаторным пуском (пурпурные линии): общий ток (основная + вспомогательная обмотка), ток основной обмотки, ток вспомогательной обмотки, напряжение конденсатора, скорость вращения ротора и электромагнитный момент. Механическая мощность, коэффициент мощности и КПД двигателя 1 и двигателя 2 вычисляются внутри подсистемы обработки сигналов и отображаются в 3 блоках дисплея.

Во время пускового периода, пока разъединитель остается замкнутым (от t=0 до t=0,48 с), все сигналы идентичны. После размыкания переключателя наблюдаются различия, как описано ниже.

1. Пусковой конденсатор:

Обратите внимание на пульсации крутящего момента с частотой 120 Гц, которые вызывают механические вибрации ротора с частотой 120 Гц и снижают эффективность двигателя. Пульсация крутящего момента от пика до пика составляет около 3 Н, или 300 % от номинальной нагрузки, когда двигатель работает на холостом ходу. Обратите внимание, что пусковой конденсатор остается заряженным при пиковом напряжении, когда вспомогательная обмотка отключена.

2. Конденсатор-Пуск-Работа:

Обратите внимание, что пульсации крутящего момента значительно уменьшились. Значение рабочего конденсатора оптимизировано для минимизации пульсаций крутящего момента при полной нагрузке. Величина пульсаций крутящего момента составляет 2 Н·м от пика до пика (200 % номинального момента) на холостом ходу и всего 0,04 Н·м от пика до пика (4 % от номинального момента) при полной нагрузке. Коэффициент мощности и КПД при полной нагрузке (соответственно 90 % и 75 %) выше, чем у двигателя с конденсаторным пуском (соответственно 61 % и 74 %).

У вас есть модифицированная версия этого примера. Хотите открыть этот пример со своими правками?

Вы щелкнули ссылку, соответствующую этой команде MATLAB:

Запустите команду, введя ее в командном окне MATLAB. Веб-браузеры не поддерживают команды MATLAB.

Выберите веб-сайт, чтобы получить переведенный контент, где он доступен, и ознакомиться с местными событиями и предложениями. В зависимости от вашего местоположения мы рекомендуем вам выбрать: .

Вы также можете выбрать веб-сайт из следующего списка:

Европа

Свяжитесь с местным офисом

• Пробная версия ПО
• Пробная версия ПО
• Обновления продукта
• Обновления продукта

Зачем нужен конденсатор для однофазного двигателя?

Однофазному асинхронному двигателю требуется конденсатор в цепи во время пуска для создания пускового момента. Без конденсатора однофазный конденсаторный пусковой асинхронный двигатель не может работать. Другие однофазные асинхронные двигатели, например, с экранированными полюсами и реактивного типа, не требуют конденсатора для запуска. В этой статье мы обсудим, как конденсатор помогает в создании пускового момента в однофазном двигателе с пусковым конденсатором.

Однофазный двигатель не является самозапускающимся. Двигатель может вращаться, если он создает вращающий момент. Генерация вращающего момента происходит, когда двигатель создает вращающееся магнитное поле. В принципе, трехфазный асинхронный двигатель способен генерировать вращающееся магнитное поле. В отличие от этого, однофазный двигатель не способен генерировать вращающееся магнитное поле и не может запустить свое собственное. Однофазный двигатель создает вращающееся поле и не может создавать вращающий момент.

Вал однофазного двигателя, если его однажды провернуть вручную после включения питания, может создать крутящий момент, и двигатель начнет непрерывно вращаться. Однако при каждом пуске двигателя ручной удар по валу является обязательным для вращения двигателя.

Метод разделения фаз разделяет питание фаз. Таким образом, такое разделение фаз создает фазовый сдвиг между двумя фазами, равный 90 электрическим градусам. в космосе. Чтобы добиться смещения фаз на 90 градусов, две обмотки расположены по 90 градусов в космосе физически.

Конденсатор, используемый последовательно с другой вспомогательной обмоткой, в основном обеспечивает сдвиг фаз на 90 градусов. Вспомогательная обмотка также называется пусковой обмоткой, потому что она помогает запустить двигатель, когда мы подключаем ее последовательно с конденсатором. На следующей схеме показаны пусковая и рабочая обмотки однофазного двигателя.

Напряжение пусковой и рабочей обмотки имеет сдвиг фаз на 90 градусов. На следующей диаграмме показано смещение фаз между этими двумя обмотками.

Значение емкости однофазного асинхронного двигателя пропорционально номинальной мощности двигателя. Формула для расчета размера конденсатора выглядит следующим образом.

Пример

Рассчитайте значение емкости для однофазного асинхронного двигателя. Данные асинхронного двигателя: мощность 125 Вт, напряжение питания 230 В, 50 Гц, КПД 90%.