Как работает электродвигатель переменного тока

Устройство электродвигателя переменного тока

Электрические двигатели – это силовые машины, применяющиеся для превращения электрической энергии в механическую. Общая классификация разделяет их по типу питающего тока на двигатели постоянного и переменного тока. В статье ниже рассматриваются электрические двигатели со спецификацией под переменный ток, их виды, отличительные характеристики и преимущества.

Для общей информации, рекомендуем прочитать нашу отдельную статью о принципах работы электродвигателей.

Принцип преобразования энергии

Среди электрических двигателей, применяемых во всех отраслях промышленности и бытовых электроприборах, наибольшее распространение имеют двигатели переменного тока. Они встречаются практически в каждой сфере жизнедеятельности – от детских игрушек и стиральных машин до автомобилей и мощных производственных станков.

Принцип работы всех электрических двигателей основывается на законе электромагнитной индукции Фарадея и законе Ампера. Первый из них описывает ситуацию, когда на замкнутом проводнике, находящемся в изменяющемся магнитном поле, генерируется электродвижущая сила. В двигателях это поле создается через обмотки статора, по которым протекает переменный ток. Внутри статора (представляющего собой корпус устройства) находится подвижный элемент двигателя – ротор. На нем и возникает ток.

Вращение ротора объясняется законом Ампера, который утверждает, что на электрические заряды, протекающие по проводнику, находящемуся внутри магнитного поля, действует сила, движущая их в плоскости, перпендикулярной силовым линиям этого поля. Проще говоря, проводник, которым в конструкции двигателя является ротор, начинает вращаться вокруг своей оси, а закрепляется он на валу, к которому подключаются рабочие механизмы оборудования.

Виды двигателей и их устройство

Электрические двигатели переменного тока имеют различное устройство, благодаря которому можно создавать машины с одинаковой частотой вращения ротора относительно магнитного поля статора, и такие машины, где ротор «отстает» от вращающегося поля. По данному принципу эти двигатели разделяют на соответствующие типы: синхронные и асинхронные.

Асинхронные

Основу конструкции асинхронного электродвигателя составляет пара важнейших функциональных частей:

1. Статор – блок цилиндрической формы, сделанный из листов стали с пазанми для укладки токопроводящих обмоток, оси которых располагаются под углом 120˚ относительно друг друга. Полюса обмоток уходят на клеммную коробку, где подключаются разными способами, в зависимости от необходимых параметров работы электродвигателя.
2. Ротор. В конструкции асинхронных электродвигателей используются роторы двух видов:
   • Короткозамкнутый. Называется так, потому что изготавливается из нескольких алюминиевых или медных стержней, накоротко замкнутых с помощью торцевых колец. Эта конструкция, представляющая собой токоповодящую обмотку ротора, называется в электромеханике «беличьей клеткой».
   • Фазный. На роторах данного типа устанавливается трехфазная обмотка, похожая на обмотку статора. Чаще всего концы её проводников идут в клеммную площадку, где соединяются «звездой», а свободные концы подключаются к контактным кольцам. Фазный ротор позволяет с помощью щеток добавить в цепь обмотки добавочный резистор, позволяющий изменять сопротивление для уменьшения пусковых токов.

Помимо описанных ключевых элементов асинхронного электродвигателя, в его конструкцию также входит вентилятор для охлаждения обмоток, клеммная коробка и вал, передающий генерируемое вращение на рабочие механизмы оборудования, работа которого обеспечивается данным двигателем.

Работа асинхронных электрических двигателей основывается на законе электромагнитной индукции, утверждающем, что электродвижущая сила может возникнуть лишь в условиях разности скоростей вращения ротора и магнитного поля статора. Таким образом, если бы эти скорости были равны, ЭДС не могла бы появиться, но воздействие на вал таких «тормозящих» факторов, как нагрузка и трение подшипников, всегда создает достаточные для работы условия.

Синхронные

Конструкция синхронных электродвигателей переменного тока несколько отлична от устройства асинхронных аналогов. В этих машинах ротор крутится вокруг своей оси со скоростью, равной скорости вращения магнитного поля статора. Ротор или якорь этих устройств тоже оснащается обмотками, которые одними концами подключены друг к другу, а другими – к вращающемуся коллектору. Контактные площадки на коллекторе смонтированы так, что в определенный момент времени возможна подача питания через графитовые щетки лишь на два противоположных контакта.

1. При взаимодействии магнитного потока в обмотке статора с током ротора возникает вращающий момент.
2. Направление движения магнитного потока изменяется одновременно с направлением переменного тока, благодаря чему сохраняется вращение выходного вала в одну сторону.
3. Настройка нужной частоты вращения осуществляется регулировкой входящего напряжения. Чаще всего, в быстроходном оборудовании, например, перфораторах и пылесосах, эту функцию выполняет реостат.

Чаще всего причинами выхода синхронных электродвигателей из строя является:

• износ графитовых щеток или ослабление прижимной пружины;
• износ подшипников вала;
• загрязнение коллектора (чистится наждачной бумагой или спиртом).

История изобретения

Изобретение простейшего способа преобразования энергии из электрической в механическую принадлежит Майклу Фарадею. В 1821 году этот великий английский ученый провел эксперимент с проводником, опущенным в сосуд с ртутью, на дне которого лежал постоянный магнит. После подачи электричества на проводник он приходил в движение, вращаясь соответственно силовым линиями магнитного поля. В наши дни этот опыт часто проводят на уроках физики, заменяя ртуть рассолом.

Дальнейшее изучение вопроса привело к созданию Питером Барлоу в 1824 году униполярного двигателя, названного колесом Барлоу. В его конструкцию входят два зубчатых колеса из меди, расположенных на одной оси между постоянными магнитами. После подачи тока на колеса, в результате его взаимодействия с магнитными полями, колеса начинают вращаться. Во время опытов ученый установил, что направление вращения можно изменить, поменяв полярность (перестановкой магнитов или контактов). Практического применения «колесо Барлоу», но сыграло важную роль в изучении взаимодействия магнитных полей и заряженных проводников.

Первый рабочий образец устройства, ставшего прародителем современных двигателей, был создан русским физиком Борисом Семеновичем Якоби в 1834 году. Принцип использования вращающегося ротора в магнитном поле, продемонстрированный в этом изобретении, практически в неизменном виде применяется современных двигателях постоянного тока.

А вот создание первого двигателя с асинхронным принципом работы принадлежит сразу двум ученым – Николе Тесла и Галилео Феррарис, по удачному стечению обстоятельств продемонстрировавшим свои изобретения в один год (1888). Через несколько лет двухфазный бесколлекторный двигатель переменного тока, созданный Николой Тесла уже использовался на нескольких электростанциях. В 1889 году русский электротехник Михаил Осипович Доливо-Добровольский усовершенствовал изобретение Теслы для работы в трехфазной сети, благодаря чему смог создать первый асинхронный двигатель переменного тока мощностью более 100 Вт. Ему же принадлежит изобретение используемых сегодня способов подключения фаз в трехфазных электродвигателях: «звезда» и «треугольник», пусковых реостатов и трехфазных трансформаторов.

Подключение к однофазным и трехфазным источникам питания

По типу питающей сети электродвигатели переменного тока классифицируют на одно- и трехфазные.

Подключение асинхронных однофазных двигателей осуществляет очень легко – для этого достаточно подвести к двум выходам на корпусе фазный и нулевой провод однофазной 220В сети. Синхронные двигатели тоже можно запитывать от сети данного типа, однако подключение немного сложнее – необходимо соединить обмотки ротора и статора так, чтобы их контакты однополюсного намагничивания были расположены напротив друг друга.

Подключение к трехфазной сети представляется несколько более сложным. В первую очередь, следует обратить внимание, что клеммная коробка содержит 6 выводов – по паре на каждую из трех обмоток. Во-вторых, это дает возможность использовать один из двух способов подключения («звезда» и «треугольник»). Неправильное подключение может привести в поломке двигатель от расплавления обмоток статора.

Главное функциональное отличие «звезды» и «треугольника» заключается в различном потреблении мощности, что сделано для возможности включения машины в трехфазные сети с различным линейным напряжением — 380В или 660В. В первом случае следует соединять обмотки по схеме «треугольник», а во втором – «звездой». Такое правило включения позволяет в обоих случаях иметь напряжение 380В на обмотках каждой фазы.

На панели подключения выводы обмоток располагаются таким образом, чтобы перемычки, используемых для включения, не перекрещивались между собой. Если коробка выводов двигателя содержит только три зажима, значит, он рассчитан для работы от одного напряжения, которое указано в технической документации, а обмотки соединены между собой внутри устройства.

Преимущества и недостатки электрических двигателей переменного тока

В наши дни среди всех электродвигателей устройства для переменного тока занимают лидирующую позицию по объему использования в силовых установках. Они обладают низкой себестоимостью, простой в обслуживании конструкцией и КПД не менее 90%. Кроме того, их устройство позволяет плавно изменять скорость вращения, не прибегая к помощи дополнительного оборудования вроде коробок передач.

Главным недостатком двигателей переменного тока с асинхронным принципом работы является тот факт, что регулировать их частоту вращения вала можно только изменяя входную частоту тока. Это не позволяет добиться постоянной скорости вращения, а также снижает мощность. Для асинхронных электродвигателей характерны высокие пусковые токи, но низкий пусковой момент. Для исправления этих недостатков применяется частотный привод, однако его цена противоречит одному из главных достоинств этих двигателей – низкой себестоимости.

Слабым местом синхронного двигателя является его сложная конструкция. Графитовые щетки довольно быстро выходят из строя под нагрузкой, а также теряют плотный контакт с коллектором из-за ослабления прижимной пружины. Кроме того, эти двигатели, как и асинхронные аналоги, не защищены от износа подшипников вала. К недостаткам также относится более сложный пуск, необходимость наличия источника постоянного тока и исключительно частотная регулировка частоты вращения.

Применение

На сегодняшний день электродвигатели со спецификацией на переменный ток распространены во всех сферах промышленности и жизнедеятельности. На электростанциях они устанавливаются в качестве генераторов, используются в производственном оборудовании, автомобилестроении и даже бытовой технике. Сегодня в каждом доме можно встретить как минимум одно устройство с электрическим двигателем переменного тока, например, стиральную машину. Причины столь большой популярности заключаются в универсальности, долговечности и легкости обслуживания.

Среди асинхронных электрических машин наибольшее распространение получили устройства с трехфазной спецификацией. Они являются наилучшим вариантом для использования во многих силовых агрегатах, генераторах и высокомощных установках, работа которых связана с необходимостью контроля скорости вращения вала.

Устройство и принцип работы электродвигателя

Электродвигатель – это электротехническое устройство для преобразования электрической энергии в механическую. Сегодня повсеместно применяются электромоторы в промышленности для привода различных станков и механизмов. В домашнем хозяйстве они установлены в стиральной машине, холодильнике, соковыжималке, кухонном комбайне, вентиляторах, электробритвах и т. п. Электродвигатели приводят в движение, подключенные к ней устройства и механизмы.

В этой статье Я расскажу о самых распространенных видах и принципах работы электрических двигателей переменного тока, широко используемых в гараже, в домашнем хозяйстве или мастерской.

Как работает электродвигатель

Двигатель работает на основе эффекта, обнаруженного Майклом Фарадеем еще в 1821 году. Он сделал открытие, что при взаимодействии электрического тока в проводнике и магнита может возникнуть непрерывное вращение.

Если в однородном магнитном поле расположить в вертикальном положении рамку и пропустить по ней ток, тогда вокруг проводника возникнет электромагнитное поле, которое будет взаимодействовать с полюсами магнитов. От одного рамка будет отталкиваться, а к другому притягиваться.

В результате рамка повернется в горизонтальное положения, в котором будет нулевым воздействие магнитного поля на проводник. Для того что бы вращение продолжилось необходимо добавить еще одну рамку под углом или изменить направление тока в рамке в подходящий момент.

На рисунке это делается при помощи двух полуколец, к которым примыкают контактные пластины от батарейки. В результате после совершения полуоборота меняется полярность и вращение продолжается.

В современных электродвигателях вместо постоянных магнитов для создания магнитного поля используются катушки индуктивности или электромагниты. Если разобрать любой мотор, то Вы увидите намотанные витки проволоки, покрытой изоляционным лаком. Эти витки и есть электромагнит или как их еще называют обмотка возбуждения.

В быту же постоянные магниты используются в детских игрушках на батарейках.

В других же более мощных двигателях используются только электромагниты или обмотки. Вращающаяся часть с ними называется ротор, а неподвижная- статор.

Виды электродвигателей

Сегодня существуют довольно много электродвигателей разных конструкций и типов. Их можно разделить по типу электропитания:

1. Переменного тока, работающие напрямую от электросети.
2. Постоянного тока, которые работают от батареек, АКБ, блоков питания или других источников постоянного тока.

По принципу работы:

1. Синхронные, в которых есть обмотки на роторе и щеточный механизм для подачи на них электрического тока.
2. Асинхронные, самый простой и распространенный вид мотора. В них нет щеток и обмоток на роторе.

Синхронный мотор вращается синхронно с магнитным полем, которое его вращает, а у асинхронного ротор вращается медленнее вращающегося магнитного поля в статоре .

Принцип работы и устройство асинхронного электродвигателя

В корпусе асинхронного двигателя укладываются обмотки статора (для 380 Вольт их будет 3), которые создают вращающееся магнитное поле. Концы их для подключения выводятся на специальную клеммную колодку. Охлаждаются обмотки, благодаря вентилятору, установленному на вале в торце электродвигателя.

Ротор, являющиеся одним целым с валом, изготавливается из металлических стержней, которые замыкаются между собой с обоих сторон, поэтому он и называется короткозамкнутым.
Благодаря такой конструкции отпадает необходимость в частом периодическом обслуживании и замене токоподающих щеток, многократно увеличивается надежность, долговечность и безотказность.

Как правило, основной причиной поломки асинхронного мотора является износ подшипников, в которых вращается вал.

Принцип работы. Для того что бы работал асинхронный двигатель необходимо, что бы ротор вращался медленнее электромагнитного поля статора, в результате чего наводится ЭДС (возникает электроток) в роторе. Здесь важное условие, если бы ротор вращался с такой же скоростью как и магнитное поле, то в нем по закону электромагнитной индукции не наводилось бы ЭДС и, следовательно не было бы вращения. Но в реальности, из-за трения подшипников или нагрузки на вал, ротор всегда будет вращаться медленнее.

Магнитные полюса постоянно вращаются в обмотках мотора, и постоянно меняется направление тока в роторе. В один момент времени, например направление токов в обмотках статора и ротора изображено схематично в виде крестиков (ток течет от нас) и точек (ток на нас). Вращающееся магнитное поле изображено изображено пунктиром.

Например, как работает циркулярная пила. Наибольшие обороты у нее без нагрузки. Но как только мы начинаем резать доску, скорость вращения уменьшается и одновременно с этим ротор начинает медленнее вращаться относительно электромагнитного поля и в нем по законам электротехники начинает наводится еще большей величины ЭДС. Вырастает потребляемый ток мотором и он начинает работать на полной мощности. Если же нагрузка на вал будет столь велика, что его застопорит, то может возникнуть повреждение короткозамкнутого ротора из-за максимальной величины наводимой в нем ЭДС. Вот почему важно подбирать двигатель, подходящей мощности. Если же взять большей, то неоправданными будут энергозатраты.

Скорость вращения ротора зависит от количества полюсов. При 2 полюсах скорость вращения будет равна скорости вращения магнитного поля, равного максимум 3000 оборотов в секунду при частоте сети 50 Гц. Что бы понизить скорость вдвое, необходимо увеличить количество полюсов в статоре до четырех.

Весомым недостатком асинхронных двигателей является то, что они подаются регулировке скорости вращения вала только при помощи изменения частоты электрического тока. А так не возможно добиться постоянной частоты вращения вала.

Принцип работы и устройство синхронного электродвигателя переменного тока

Данный вид электродвигателя используется в быту там, где необходима постоянная скорость вращения, возможность ее регулировки, а так же если необходима скорость вращения более 3000 оборотов в минуту (это максимум для асинхронных).

Синхронные моторы устанавливаются в электроинструменте, пылесосе, стиральной машине и т. д.

В корпусе синхронного двигателя переменного тока расположены обмотки (3 на рисунке), которые также намотаны и на ротор или якорь (1). Их выводы припаяны к секторам токосъемного кольца или коллектора (5), на которые при помощи графитовых щеток (4) подается напряжение. При чем выводы расположены так, что щетки всегда подают напряжение только на одну пару.

Наиболее частыми поломками коллекторных двигателей является:

1. Износ щетокили их плохой их контакт из-за ослабления прижимной пружины.
2. Загрязнение коллектора.Чистите либо спиртом или нулевой наждачной бумагой.
3. Износ подшипников.

Принцип работы. Вращающий момент в электромоторе создается в результате взаимодействия между током тока якоря и магнитным потоком в обмотке возбуждения. С изменением направления переменного тока будет меняться и направление магнитного потока одновременно в корпусе и якоре, благодаря чему вращение всегда будет в одну сторону.

Регулировка скорости вращения меняется методом изменения величины подаваемого напряжения. В дрелях и пылесосах для этого используется реостат или переменное сопротивление.

Изменение направления вращения происходит также как и у двигателей постоянного тока, о которых Я расскажу в следующей статье.

Электродвигатель переменного тока

Электрические двигатели давно и прочно заняли лидирующие позиции среди силовых агрегатов различного типа оборудования. Их можно найти в автомобиле и в пылесосе, в сложнейших станках и в обычных детских игрушках. Они есть практически везде, хотя и отличаются между собой типом, строением и рабочими характеристиками.

Электродвигатели – это силовые агрегаты, способные превращать электрическую энергию в механическую. Различают два их основных вида: двигатели переменного и постоянного тока. Разница между ними, как понятно из названия, заключается в типе питающего тока. В данной статье речь пойдет о первом виде – электродвигателе переменного тока

Устройство и принцип работы

Основная движущая сила любого электрического двигателя – электромагнитная индукция. Электромагнитная индукция, если описать ее в двух словах – это появление силы тока в проводнике, помещенном в переменное магнитное поле. Источником переменного магнитного поля является неподвижный корпус двигателя с размещенными на нем обмотками – статор, подключенный к источнику переменного тока. В нем расположен подвижный элемент – ротор, в котором и возникает ток. По закону Ампера на заряженный проводник, помещенный в магнитное поле, начинает действовать электродвижущая сила – ЭДС, которая вращает вал ротора. Таким образом, электрическая энергия, которая подается на статор, превращается в механическую энергию ротора. К вращающемуся валу можно подключать различные механизмы, выполняющие полезную работу.

Электродвигатели переменного тока делятся на синхронные и асинхронные. Разница между ними в том, что в первых ротор и магнитное поле статора вращаются с одной скоростью, а во вторых ротор вращается медленнее, чем магнитное поле. Отличаются они и по устройству, и по принципу работы.

Асинхронный двигатель

Устройство асинхронного двигателя

На статоре асинхронного двигателя закреплены обмотки, создающие переменное вращающееся магнитное поле, концы которой выводятся на клеммную коробку. Поскольку при работе двигатель нагревается, на его валу устанавливается вентилятор системы охлаждения.

Ротор асинхронного двигателя выполнен с валом как одно целое. Он представляет собой металлические стержни, замкнутые между собой с двух сторон, из-за чего такой ротор еще именуется короткозамкнутым. Своим видом он напоминает клетку, поэтому его часто называют «беличьим колесом» Более медленное вращение ротора в сравнении с вращением магнитного поля – результат потери мощности при трении подшипников. Кстати, если бы не было этой разницы в скорости, ЭДС бы не возникала, а без нее не было бы и тока в роторе и самого вращения.

Магнитное поле вращается за счет постоянной смены полюсов. При этом соответственно меняется направление тока в обмотках. Скорость вращения вала асинхронного двигателя зависит от числа полюсов магнитного поля.

Синхронный двигатель

Устройство синхронного двигателя

Устройство синхронного электродвигателя немного отличается. Как понятно из названия, в этом двигателе ротор вращается с одной скоростью с магнитным полем. Он состоит из корпуса с закрепленными на нем обмотками и ротора или якоря, снабженного такими же обмотками. Концы обмоток выводятся и закрепляются на коллекторе. На коллектор или токосъемное кольцо подается напряжение посредством графитовых щеток. При этом концы обмоток размещены таким образом, что одновременно напряжение может подаваться только на одну пару.

В отличие от асинхронных на ротор синхронных двигателей напряжение подается щетками, заряжая его обмотки, а не индуцируется переменным магнитным полем. Направление тока в обмотках ротора меняется параллельно с изменением направления магнитного поля, поэтому выходной вал всегда вращается в одну сторону. Синхронные электродвигатели позволяют регулировать скорость вращения вала путем изменения значения напряжения. На практике для этого обычно используются реостаты.

Краткая история создания

Впервые возможность превратить электричество в механическую энергию открыл британский ученый М.Фарадей еще в 1821 году. Его опыт с проводом, помещенным в ванну с ртутью, оснащенной магнитом, показал, что при подключении провода к источнику электроэнергии он начинает вращаться. Этот нехитрый опыт наверняка многие помнят по школе, правда, ртуть там заменяется безопасным рассолом. Следующим шагом в изучении этого феномена было создание униполярного двигателя – колеса Барлоу. Никакого полезного применения он так и не нашел, зато наглядно демонстрировал поведение заряженного проводника в магнитном поле.

На заре истории электродвигателей ученые пытались создать модель с сердечником, двигающимся в магнитном поле не по кругу, а возвратно-поступательно. Такой вариант был предложен, как альтернатива поршневым двигателям. Электродвигатель в привычном для нас виде впервые был создан в 1834 году русским ученым Б.С. Якоби. Именно он предложил идею использования вращающегося в магнитном поле якоря, и даже создал первый рабочий образец.

Первый асинхронный двигатель, в основе работы которого заложено вращающееся магнитное поле, появился в 1870 году. Авторами эффекта вращающегося магнитного поля независимо друг от друга стали два ученых: Г.Феррарис и Н. Тесла. Последнему принадлежит также идея создания бесколлекторного электродвигателя. По его чертежам были построены несколько электростанций с применением двухфазных двигателей переменного тока. Следующей более удачной разработкой оказался трехфазный двигатель, предложенный М.О. Доливо-Добровольским. Его первая действующая модель была запущена в 1888 году, после чего последовал ряд более совершенных двигателей. Этот русский ученый не только описал принцип действия трехфазного электродвигателя, но и изучал различные типы соединений фаз (треугольник и звезда), возможность использование разных напряжений тока. Именно он изобрел пусковые реостаты, трехфазные трансформаторы, разработал схемы подключения двигателей и генераторов.

Особенности электродвигателя переменного тока, его достоинства и недостатки

На сегодня электродвигатели являются одними из самых распространенных видов силовых установок, и тому есть немало причин. У них высокий КПД порядка 90%, а иногда и выше, довольно низкая себестоимость и простая конструкция, они не выделяют вредных веществ в процессе эксплуатации, дают возможность плавно менять скорость во время работы без использования дополнительных механизмов типа коробки передач, надежны и долговечны.

Среди недостатков всех типов электромоторов — отсутствие высокоемкостного аккумулятора электроэнергии для автономной работы.

Основное отличие электродвигателя переменного тока от его ближайшего родственника – электродвигателя постоянного тока – заключается в том, что первый питается переменным током. Если сравнивать их функциональные возможности, первый менее мощный, у него сложно регулировать скорость в широком диапазоне, он имеет меньший КПД.

Если же сравнивать асинхронный и синхронный электродвигатель переменного тока, то первый имеет более простую конструкцию и лишен «слабого звена» — графитовых щеток. Именно они обычно первыми выходят из строя при поломке синхронных двигателей. Вместе с тем, у него сложно получить и регулировать постоянную скорость, которая зависит от нагрузки. Синхронные двигатели позволяют регулировать скорость вращения с помощью реостатов.

Сфера применения

Электродвигатели переменного тока широко используются практически во всех сферах. Ими оснащаются электростанции, их используют в автомобиле- и машиностроении, есть они и в домашней бытовой технике. Простота их конструкции, надежность, долговечность и высокий показатель КПД делает их практически универсальными.

Асинхронные двигатели нашли применение в приводных системах различных станков, машин, центрифуг, вентиляторов, компрессоров, а также бытовых приборов. Трехфазные асинхронные двигатели являются наиболее распространенными и востребованными. Синхронные двигатели используются не только в качестве силовых агрегатов, но и генераторов, а также для привода крупных установок, где важно контролировать скорость.

Схема подключения электродвигателя к сети

Электродвигатели переменного тока бывают трех и однофазные.
Асинхронные однофазные двигатели имеют на корпусе 2 вывода и подключить их к сети не составляет трудности. Т.к. вся бытовая электрическая сеть в основном однофазная 220В и имеет 2 провода — фаза и ноль. С синхронными все намного интереснее, их тоже можно подключить с помощью 2 проводов, достаточно обмотки ротора и статора соединить. Но соединять их нужно так, чтобы обмотки однополюсного намагничивания ротора и статора располагались напротив друг друга.
Сложности представляют двигатели для 3ех фазной сети. Ну во-первых у таких двигателей в основном в клеммной коробке 6 выводов и это означает что обмотки двигателя нужно подключать самому, а во-вторых их обмотки можно подключать разными способами — по типу «звезда» и «треугольник». Ниже приведен рисунок соединения клем в клеммной коробке, в зависимости от типа соединения обмоток.

Подключение одного и того же электродвигателя разным способом в одну и туже электрическую сеть приведет к потреблению разной мощности. При этом не правильное подключение электродвигателя, может привести к расплавлению обмоток статора.

Обычно асинхронные двигатели предназначены для включения в трехфазную сеть на два разных напряжения, отличающиеся в раз. Например, двигатель рассчитан для включения в сеть на напряжения 380/660 В. Если в сети линейное напряжение 660 В, то обмотку статора следует соединить звездой, а если 380 В, то треугольником. В обоих случаях напряжение на обмотке каждой фазы будет 380 В. Выводы обмоток фаз располагают на панели таким образом, чтобы соединения обмоток фаз было удобно выполнять посредством перемычек, без перекрещивания последних. В некоторых двигателях небольшой мощности в коробке выводов имеется лишь три зажима. В этом случае двигатель может быть включен в сеть на одно напряжение (соединение обмотки статора такого двигателя звездой или треугольником выполнено внутри двигателя).

Принципиальная схема включения в трехфазную сеть асинхронного двигателя с фазным ротором показана на рисунке. Обмотка ротора этого двигате­ля соединена с пусковым реостатом ЯР, создающим в цепи рото­ра добавочное сопротивление Rдобав.

Двигатель однофазный переменного тока – принцип работы и устройство агрегата

Любой электрический двигатель – это устройство, способное преобразовывать электрическую энергию в кинетическую, то есть энергию вращения, которая по цепям передается на ведомые устройства. Применяются электрические двигатели сегодня практически везде. Эти устройства, которые практически не изменились за последние 150 лет, можно встретить даже в зубных щетках.

Сегодня мы поговорим с вами про электродвигатели переменного тока однофазные, узнаем, как они устроены и за счет каких сил приводятся в движение.

Основная информация

Итак, особенностью однофазного двигателя является то, что он способен запитываться от стандартной электрической сети с частотой 50 Гц и напряжением 220 В.

• Ставят такие электромоторы в основном в устройствах небольшой мощности, так как по эффективности они существенно уступают двухфазным и трехфазным аналогам.
• Мощность данных агрегатов варьируется от 5 Вт до 10 кВт.
• Однофазная схема подключения двигателя существенно влияет на его КПД, который приблизительно равен 70% от показателей такого же по мощности двигателя, но трехфазного. Также у них меньше пусковой момент, а перегрузочная способность выше.

• На самом деле, если разобрать строение такого двигателя, то он будет иметь 2 фазы, но так как задействуется, фактически, лишь одна из них, то и называют его однофазным.
• Строение мотор имеет самое что ни наесть классическое – подвижная часть (ротор или якорь) и неподвижная часть (статор).
• Вращение подвижных частей двигателя происходит за счет взаимодействия магнитных полей – подробнее об этом чуть дальше.
• Несомненным плюсом такого мотора можно считать простую и надежную конструкцию с короткозамкнутым ротором.
• А главным минусом можно посчитать неспособность самостоятельно выработать магнитное поле, что не позволяет ему самостоятельно запускаться при подключении к сети питания.
• Считается, что для того чтобы ротор пришел в движение требуется минимум 2 обмотки, а также смещение одной относительно второй на определенный градус.

• Если сопоставить все эти моменты, то можно понять следующее.
• На статоре однофазного электромотора располагается пусковая обмотка, которая смещена по отношению к рабочей, основной обмотке на 90 градусов.
• В цепь, питающую обмотку, включаю фазосдвигающее устройство – конденсаторы, катушки индуктивности, резисторы активного типа.
• То есть, фактически мы говорим про те же моторы двух- и трехфазного типа, только сдвиг фазы достигается не за счет подключения, а за счет схем согласования.

Принцип действия однофазного двигателя

Теперь давайте попробуем систематизировать то, что мы понаписали в предыдущей главе, чтобы принцип работы таких устройств стал понятен каждому.

• Итак, при подключении питания, ток начинает бежать по обмоткам статора. Движение тока порождаем пульсирующее магнитное поле. Почему пульсирующее, да потому что ток в общественных сетях имеет частоту в 50 Гц, то есть за секунду 50 раз меняет направление своего движения. Соответственно меняются и параметры магнитного поля
• Мы все знаем про такое явление, как электромагнитная индукция. Если кто-то не знает, то бегом читать – вкратце, это явление порождает электрический ток в проводнике, который перемещается поперек магнитного поля, причем нет никакой разницы, что будет двигаться – проводник или поле.
• Если устройство не будет иметь пусковых механизмов, то ротор останется неподвижным, так как в нем до сих пор нет тока, а значит и магнитного поля, а магнитные поля от тока в статора равнозначны, и тянут, так сказать, в разных направлениях, как лебедь, рак и щука.
• Но если ротору дать толчок в любую из сторон, в нем моментально начнет расти электродвижущая сила (ЭДС), которая начнет генерировать свое магнитное поле. В результате взаимодействия этих полей двигатель продолжит вращаться в туже сторону, несмотря на то, что основное магнитное поле постоянно меняет свое направление.

• Заставляет сдвинуться с места ротор пусковая обмотка, которую мы уже упоминали. Точнее делает это результирующее магнитное поле от основной и пусковой обмоток.
• Эта обмотка требует включения только при пуске мотора.

Интересно знать! В маломощных моторах пусковая обмотка является короткозамкнутой.

• Момент включения пусковой обмотки связан с пусковой кнопкой – обычно ее необходимо удерживать на протяжении нескольких секунд, пока двигатель не начнет вращаться с нормальной скоростью.
• Когда контакт на кнопке размыкается, двигатель переходит полностью в однофазный режим.
• Важно помнить, что пусковая фаза не предназначается для долгой работы – обычно время ее активного состояния составляет около 3 секунд. Если попытаться превысить данное значение обмотка начнет перегреваться, что может привести к выходу элемента из строя.
• Становится понятным, что ручной контроль за пуском двигателя неэффективен и малонадежен, поэтому данный процесс в современных устройствах автоматизирован. В них устанавливаются тепловые реле и центробежные выключатели.
• Первый элемент контролирует нагрев обеих обмоток и отключает питание, если температура достигает критического значения.
• Второй отключает питание пусковой фазы, как только ротор разгонится до нужных оборотов.

Подключение двигателя

Итак, мы уже поняли, что для работы такому мотору требуется всего одна фаза на 220 В, то есть включается он в обыкновенную розетку, что, собственно, и делает эти устройства такими популярными несмотря на низкий КПД и прочие недостатки.

Интересно знать! Практически все бытовые приборы оборудованы именно такими двигателями.

• Однофазные двигатели переменного тока по подключению делят на три типа: вариант с пусковой обмоткой и рабочим конденсатором.
• В первом пусковая обмотка запитана через конденсатор только во время старта – собственно, его мы описали в предыдущей главе.
• Во втором она подключена через конденсатор постоянно.
• В третьем вместо конденсатора используется сопротивление.

• Для последнего типа подключения может использоваться пусковой резистор, который подключается к пусковой обмотке последовательно. За счет этого удается получить сдвиг фаз на 30 градусов, чего вполне хватает для раскрутки двигателя.
• Также дополнительная обмотка может сама по себе иметь высокое активное сопротивление.
• Сдвиг фаз также может быть получен за счет того, что пусковая фаза будет иметь высокое сопротивление и меньшую индуктивность.

Конденсаторный пуск имеет следующие особенности:

• Чтобы достигнуть максимального значения пускового момента, достаточного для старта двигателя, нужно вращающееся круговое магнитное поле. Таковое возникает, когда обмотки сдвинуты относительно друг друга на 90 градусов – сразу становится понятно, что ни резистор, ни дроссель не смогут задать такое значение. А вот если правильно подобрать емкость конденсатора – ну вы поняли…
• Конденсатор необходимо подбирать по потребляемому току.

Интересно знать! На нашем сайте есть очень познавательная статья про то, как конденсаторы ведут себя в цепи переменного тока. Если интересно, обязательно ознакомьтесь.

Кстати, если вы пытаетесь самостоятельно подключить такой двигатель в сеть, но не знаете, какие выводы к какой обмотке относятся, просто замерьте их сопротивление. Для основной оно составит где-то 12 Ом, а для пусковой – 30.

Строение асинхронного однофазного двигателя

Итак, мы вами в первой части статьи разобрали общие понятия об однофазных двигателях, принципе их работы и подключении. Такой информации хватило бы для поверхностного изучения, но нас такой подход не совсем устраивает. Для любителей технических подробностей, давайте разберем теперь все детальнее.

Асинхронный двигатель

Электрические моторы бывают синхронными и асинхронными. Разница между ними состоит в том, что в синхронном, скорость вращения якоря совпадает с вращением магнитного поля, а в асинхронном ротор несколько отстает.

• Последний вариант является самым распространенным, так как имеет более простую конструкцию и очень надежен. Синхронные применяются лишь в тех сферах, где очень важен контроль за оборотами двигателя.
• Вы уже, наверное, обратили внимание на то, что словом фаза называются разные понятия – и количество питающих проводов, и обмотки на статоре и сдвиг по углам. И мы даже сказали, что однофазные двигатели, фактически имеют две фазы, но называются они таковыми именно по количеству питающих проводов.
• Мы также писали, что мотор имеет подвижную и неподвижную части. Давайте разберем их строение подробнее.

• Ротор агрегата представляет собой вал, который держится в корпусе двигателя при помощи подшипников вращения. За счет них же он свободно крутится вокруг своей оси. Строение этого элемента будет отличаться в зависимости от того является двигатель коллекторным или бесколлекторным. Давайте начнем со второго.
• На валу бесколлекторного фазного ротора закреплен магнитопровод, который набирается из шихтованных стальных пластин.
• Снаружи магнитопровода имеются пазы, в которых находятся стержни обмоток – обычно из меди.

• С концов стержни соединяются с кольцами, которые накоротко их замыкают – их называют замыкающими кольцами.

• Внутри данной обмотки будет течь ток, который индуктируется магнитным полем статора – никаких внешних подключений он не имеет.
• Магнитопровод служит для лучшего прохождения магнитного поля, которое создается в роторе.
• Для таких устройств характерна высокая надежность, так как они не имеют трущихся деталей. Управление скоростью вращения двигателя осуществляется только за счет тока на основной обмотке статора.
• Коллекторный двигатель переменного тока однофазный по своему строению мало чем отличается от ротора двигателя постоянного тока. Собственно, такие двигатели являются универсальными и могут запитываться как переменным, так и постоянным током.
• Фазы ротора подключаются к питающей сети через коллектор, который контактирует со щетками, которые в свою очередь уже соединяются с питающей цепью.
• Строение таких двигателей более сложное, также их надежность будет ниже, но они являются более гибкими в управлении.

• Статор является пассивной частью электромотора – он неподвижен и состоит из магнитопровода и обмотки.
• Назначение этого элемента – генерирование неподвижного или вращающегося магнитного поля.
• У однофазного двигателя от статора будет отходить четыре вывода – два для рабочей обмотки и два для пусковой. Как их отличить мы уже писали.

Помимо этих элементов двигатели имеют следующие составляющие:

• Станина и корпус устройства, которые удерживают в себе все рабочие части и позволяют закрепить устройство на поверхности;
• Внешняя электрическая цепь – кнопка включения, устройство регулировки оборотов, провода и устройства для шунтирования дополнительной обмотки;
• Крыльчатка – активное охлаждение двигателя, располагается также на валу;
• Подшипники вращения.

Что происходит в обмотках при включении

Чтобы лучше понять принцип взаимодействия магнитных полей, давайте представим, что у нашего двигателя обмотка имеет всего один виток. Провод при этом уложен в магнитопроводе так, что его части разведены на 180 градусов, то есть уложены друг напротив друга.

• Подключаем питание, и по нашему проводу начинает течь синусоидальный или переменный ток.

• Период синусоидального тока состоит из двух полупериодов, при которых ток двигается в разных направлениях. Именно это изображено на схеме выше.
• Как вы можете видеть, изначально значение тока равно нулю, затем он растет, достигая пика, после чего падает до нулевой отметки и опять возрастает, но уже в другом направлении.
• Давайте представим, что ток и магнитное поле от него замерли в какой-то точке. Представьте, что смотрите на виток сбоку – он будет похож на букву «С».
• Ток протекает в верхней горизонтальной части обмотки влево, соответственно, в нижней – вправо. При этом ток одинаков и получается так, что создаваемое им магнитное поле противодействует друг другу. Почему ротор и находится в неподвижном состоянии.
• Итак, ток течет, меняется его величина и направление, как и у магнитного поля, но они всегда остаются в противовесном состоянии, поэтому ротор так и продолжает стоять.

Как же создается сила, заставляющая ротор вращаться?

• Как вариант можно толкнуть его рукой и этого будет достаточно, чтобы совершить пуск, но мы же говорим про техническое решение вопроса!
• Ну ладно, мы уже знаем, что нам потребуется еще одна обмотка.
• Обмотка сделана из более толстого провода, чтобы она смогла пропустить большие токи. Фаза тока в этой обмотке отстает от основной на 90 градусов, то есть когда ток в основной обмотке уже опустился до нуля, здесь он буден на пике (отстает на четверть периода). В итоге разница магнитных полей придает ротору первый вращающий импульс. Направление вращения зависит от полярности подключения концов пусковой обмотки.
• Как только ротор начинает вращаться, в нем создается ЭДС.
• Направление тока в стержнях будет противоположно направленным, так как на них воздействуют разные магнитные поля.
• За счет возникновения вращающего момента двигатель моментально подхватит направление вращения и начнет раскручивать ротор до достижения им максимальных оборотов. Но почему не происходит торможения, когда ток в статоре меняет свое направление на обратное?
• Дело в том, что, по сути ничего не меняется. Просто подталкивающая вращение сила будет переходить с верхней части обмотки на нижнюю и обратно. А так как двигатель уже получил смещение в одну из сторон, а противодействующая сила может лишь уравновесить, то коэффициент ускорения будет несколько сильнее торможения.

То есть, в роторе будут наводиться токи с разной частотой, которые будут создавать моменты сил с разными направлениями, именно поэтому якорь продолжит вращаться в том же направлении.

На этом закончим наш материал. Мы узнали, как устроены электродвигатели переменного тока однофазные, если тема вам интересно, то посмотрите следующее увлекательное видео.