Как работает электродвигатель переменного тока

Устройство, принцип работы и подключения электродвигателей переменного тока

Электродвигатели переменного тока являются электротехническими устройствами, которые преобразовывают электрическую энергию в механическую. Электромоторы нашли широкое применение во многих отраслях промышленности для привода всевозможных станков и механизмов. Без такого оборудования невозможна работа стиральных машин, холодильников, соковыжималок, кухонных комбайнов, вентиляторов и других бытовых приборов.

По принципу работы электродвигатели переменного тока делятся на синхронные и асинхронные. Асинхронные электромоторы переменного тока наиболее часто применяются в промышленности.

Стоит рассмотреть устройство электродвигателя переменного тока асинхронного.

Данный вид электромоторов состоит из главных частей — статора и ротора. В современных асинхронных электромоторах статор имеет неявно выраженные полюсы.

Для того чтобы максимально снизить потери от вихревых токов, сердечник статора изготавливают из соответствующей толщины листов электротехнической стали, подвергшихся штамповке. В пазы статора впрессовывается обмотка из медного провода. Фазовые обмотки статора устройства могут соединяться «звездой» или «треугольником». При этом все начала и концы впрессованных обмоток электромотора выводятся на корпус — в клеммную коробку. Подобное устройство статора электродвигателя оправданно, так как дает возможность включать его обмотки на различные стандартные напряжения. Сердечник статора запрессовывается в чугунный или алюминиевый корпус.

Ротор асинхронного мотора также состоит из подвергшихся штамповке листов электротехнической стали, и во все его пазы закладывается обмотка.

Учитывая конструкцию ротора, асинхронные электродвигатели подразделяются на устройства с короткозамкнутым ротором и фазным ротором.

Обмотку короткозамкнутого ротора, сделанную из медных стержней, закладывают в пазы ротора. При этом все торцы стержней соединяют при помощи медного кольца. Данный вариант обмотки считается обмоткой типа «беличья клетка». Стоит отметить, что медные стержни в пазах ротора не изолируются. Во многих асинхронных электромоторах «беличью клетку» сменяют литым ротором. Ротор напрессовывается на вал двигателя и является с ним одним целым.

Синхронные электродвигатели устанавливаются в различных электроинструментах, пылесосах, стиральных машинах. На корпусе синхронного электромотора переменного тока имеется сердечник полюса, в котором расположены обмотки. Обмотки возбуждения намотаны и на якорь. Их выводы припаяны ко всем секторам токосъемного коллектора, на которые при использовании графитовых щеток подается напряжение.

Принцип действия электродвигателя переменного тока основан на применении закона электромагнитной индукции. При взаимодействии переменного электрического тока в проводнике и магните может возникнуть непрерывное вращение.

В синхронном электродвигателе якорь вращается синхронно с электромагнитным полем полюса, а у асинхронного электромотора ротор вращается с отставанием от вращающегося магнитного поля статора.

Для работы асинхронного электромотора необходимо, чтобы ротор устройства вращался в более медленном темпе, чем электромагнитное поле статора. При подаче тока на обмотку статора между сердечником статора и ротора возникает электромагнитное поле, которое наводит ЭДС в роторе. Возникает вращающийся момент, и вал электродвигателя начинает вращаться. Из-за трения подшипников или определенной нагрузки на вал, ротор асинхронного двигателя всегда вращается в более медленном темпе.

Принцип работы электродвигателя переменного тока асинхронного заключается в том, что магнитные полюса устройства постоянно вращаются в обмотках электромотора и направление тока в роторе постоянно меняется.

Скорость вращения ротора электромотора асинхронного зависит от общего количества полюсов. Для того чтобы понизить скорость вращения ротора в таком двигателе, требуется увеличить общее количество полюсов в статоре.

В синхронных электродвигателях вращающий момент в устройстве создается при взаимодействии между током в обмотке якоря и магнитным потоком в обмотке возбуждения. При изменении направления переменного тока одновременно меняется направление магнитного потока в корпусе и якоре. При таком варианте вращение якоря всегда будет в одну сторону. Примечательно, что плавная регулировка скорости вращения таких электромоторов регулируется величиной подаваемого напряжения, при помощи реостата или переменного сопротивления.

В зависимости от напряжения сети фазные обмотки статора асинхронного электромотора могут подсоединяться в «звезду» или «треугольник». Схема электродвигателя переменного тока при подключении его в сеть с напряжением 220 Вольт обмотки соединяются в треугольник, а при подключении в сеть 380 Вольт — схема обмоток имеет вид звезды.

Для оформления заказа позвоните менеджерам компании Кабель.РФ ® по телефону +7 (495) 646-08-58 или пришлите заявку на электронную почту zakaz@cable.ru с указанием требуемой модели электродвигателя, целей и условий эксплуатации. Менеджер поможет Вам подобрать нужную марку с учетом Ваших пожеланий и потребностей.

Что такое электродвигатель

От питания наших домов до приведения в движение транспортных средств, электродвигатели играют важную роль в современной технологии. Эти умные устройства преобразуют электрическую энергию в механическую, обеспечивая бесчисленные применения в различных отраслях. В этой статье мы погрузимся в мир электродвигателей, исследуя их принципы работы, типы, применения и экологическое воздействие. Присоединяйтесь к нам в этом электризующем путешествии, где мы раскроем чудеса технологии электродвигателей.

Электродвигатель – это устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую с помощью электромагнитной индукции. Он состоит из неподвижной части, называемой статором, и вращающейся части, называемой ротором. Когда через электродвигатель пропускается электрический ток, он создает магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем, созданным ротором, заставляя его вращаться.

Принципы работы электродвигателей

Электродвигатели работают на основе принципа электромагнитной индукции. Когда электрический ток протекает через обмотки статора, создается магнитное поле. Взаимодействие этого магнитного поля с постоянными магнитами на роторе создает вращательную силу, приводящую ротор в движение в определенном направлении.

Типы электродвигателей

Существует несколько типов электродвигателей, каждый из которых предназначен для определенных применений. Некоторые из распространенных типов включают в себя:

Электродвигатели постоянного тока (DC)

Электродвигатели постоянного тока с щетками
Бесщеточные электродвигатели постоянного тока

Электродвигатели переменного тока (AC)

Асинхронные электродвигатели
Синхронные электродвигатели

Специализированные электродвигатели

Шаговые электродвигатели
Сервоприводы

Применение электродвигателей

Электродвигатели нашли широкое применение в различных отраслях и сферах. Некоторые из них включают:

Автомобильная промышленность

Электромобили (EV)
Гибридные электромобили (HEV)
Системы электроусилителя руля

Промышленный сектор

Конвейерные системы
Насосы и компрессоры
Робототехника и автоматизация

Бытовая техника

Холодильники
Стиральные машины
Системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC)

Преимущества и недостатки электродвигателей

Электродвигатели имеют несколько преимуществ по сравнению с традиционными двигателями. Они обладают высокой эффективностью, не выделяют выбросов при работе и обеспечивают точное управление. Однако они также имеют определенные ограничения, такие как высокая начальная стоимость и зависимость от электроэнергии для питания.

Экологическое воздействие электродвигателей

Электродвигатели вносят значительный вклад в устойчивое развитие и сохранение окружающей среды. Они помогают снизить выбросы парниковых газов, заменяя двигатели внутреннего сгорания, и повышают энергоэффективность. Кроме того, растущее использование возобновляемых источников энергии дополнительно усиливает экологические преимущества электродвигателей.

Будущие тенденции в технологии электродвигателей

С развитием технологий ожидаются значительные изменения в области электродвигателей. Некоторые из эмергентных тенденций включают разработку более эффективных и компактных электродвигателей, интеграцию умных функций для улучшенного управления и подключения, а также исследование альтернативных материалов для улучшения характеристик.

Электродвигатели изменили нашу жизнь и работу, обеспечивая питание для широкого спектра устройств и механизмов. Их эффективность, универсальность и экологические преимущества делают их неотъемлемой частью современной технологии. Переходя к более устойчивому будущему, технология электродвигателей будет продолжать развиваться, способствуя инновациям и изменяя наш мир.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Как работает электродвигатель?

Электродвигатель работает путем преобразования электрической энергии в механическую энергию с помощью электромагнитной индукции. Когда через электродвигатель протекает электрический ток, создается магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем ротора, заставляя его вращаться.

Какие существуют типы электродвигателей?

Существует несколько типов электродвигателей, включая электродвигатели постоянного тока (DC) с щетками и бесщеточные электродвигатели постоянного тока, электродвигатели переменного тока (AC) такие как асинхронные и синхронные электродвигатели, а также специализированные электродвигатели, например, шаговые электродвигатели и сервоприводы.

Какие преимущества электродвигателей?

Электродвигатели обладают несколькими преимуществами, включая высокую эффективность, точное управление и отсутствие выбросов при работе. Они также помогают снизить зависимость от ископаемых топлив и способствуют устойчивому развитию.

В каких областях применяются электродвигатели?

Электродвигатели широко используются в автомобильной промышленности для электромобилей и систем электроусилителя руля. Они также применяются в промышленном секторе для конвейерных систем, насосов, компрессоров, а также в бытовой технике, например, в холодильниках, стиральных машинах и системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC).

Как электродвигатели влияют на окружающую среду?

Электродвигатели способствуют снижению выбросов парниковых газов, заменяя двигатели внутреннего сгорания. Они также способствуют повышению энергоэффективности и устойчивому развитию.

Асинхронный двигатель переменного тока – особенности данного вида электромоторов

Строение такого двигателя не отличается большой сложностью

Электрические моторы заняли в жизни человека почетное место и применяются в приборах различной мощности и габаритов. Встретить их можно повсеместно, начиная от электрических зубных щеток, стиральных машин микроволновых печей до беговых дорожек, промышленного оборудования или огромных автомобилях.

Причина популярности предельно ясна даже неспециалисту – простота устройства, легкость в обслуживании, рентабельность производства и многое другое, включая повсеместную электрификацию. Исключение, пожалуй, составляют автомобили, так как подать к ним ток по проводам нельзя, если это не троллейбус, но и то, в этом направлении сегодня ведется множество разработок.

Сегодня мы с вами поговорим о том, что представляет собой асинхронный двигатель переменного тока. Узнаем, как он устроен, и за счет каких принципов работает. Погнали!

Что такое асинхронный двигатель

Классический двигатель переменного тока асинхронный

Трехфазный асинхронный двигатель мало чем отличается от своих собратьев и состоит из двух основных частей – вращающейся и неподвижной, или другими словами ротора и статора. Располагаются они один в другом при этом, не касаясь друг друга. Между деталями имеется небольшой воздушный зазор от 0,5 до 2 миллиметров, в зависимости от конструкции двигателя.

Схематическое строение

Однако это не все детали. Давайте разберем строение более подробно.

Схематическое строение трехфазного двигателя

Статор – фактически главная рабочая часть, являющаяся мощным электромагнитом. Состоит он их сердечника, выполненного из тонколистовой технической стали, толщиной всего лишь 0,5 миллиметров, которая покрывается токоизоляционным лаком, и обмотки, сделанной из медной проволоки, которая также изолирована и располагается продольных пазах сердечника

Строение статора прекрасно видно на представленной выше схеме, где показано, что сердечник собран из множества пластин совмещенных друг с другом.

Цилиндр на валу снизу – это и есть ротор

Ротор – данный элемент также состоит из сердечника, обмотка которого короткозамкнута (хотя бывает и другое строение), который располагается на валу. Сердечник этого элемента также представлена в виде шихтованной детали, однако сталь не покрывается лаком, так как ток, протекающий внутри, будет очень слабым, и естественной оксидной пленки будет вполне достаточно, чтобы ограничить вихревые токи.
Вал мотора представляет собой центральную ось, вокруг которой и происходит вращение электромотора. С разных концов на этом элементе располагаются подшипники качения, за счет которых обороты происходят максимально плавно и легко. Сами подшипники запрессованы в боковые крышки, в которых имеются посадочные места под них.

Совет! Подшипники должны сидеть очень плотно, при этом они должны быть отцентрованы, смазаны, легко вращаться, то есть быть исправными, иначе при высоких оборотах двигатель очень быстро выйдет из строя.

Разбитая и новые крыльчатки

На конце вала, противоположном приводу, располагается небольшая крыльчатка, которая при включенном двигателе выполняет функцию его охлаждения. Кстати, данный элемент тоже может стать причиной появления вибрации в двигателе, если его лопасти отломаются, что негативно сказывается на сроке службы агрегата. Пример разбитого вентилятора можно увидеть на фото выше.
Идем по цепочке. Боковые крышки корпуса крепятся к станине, которая удерживает все вышеназванное вместе.

Также любой двигатель имеет пусковую аппаратуру и силовые цепи, о чем мы подробнее поговорим немного позже.

Принцип вращение электромагнитного поля

Электромагнитная индукция в моторах

Главной особенностью любого электрического двигателя является то, что он способен переводить электрическую энергию в кинетическую, то есть механическую. При этом, разобрав его строение, вы можете увидеть, что никакого прямого или передаточного привода он не имеет. Как же тогда происходит вращение двигателя?

Вся фишка в том, что обмотка статора способна создавать сильное вращающееся магнитное поле, которое увлекает за собой ротор, при включении мотора в электрическую сеть. Данное магнитное поле имеет определенную частоту вращения, которая прямопропорциональна частоте переменного тока, и имеет обратную пропорциональность числу пар полюсов обмотки.

То есть данную частоту можно вычислить по формуле: n1 = f1*60/p, где: n1 – частота вращения магнитного поля; f1 – частота переменного тока в Герцах; p – количество пар полюсов.

Строение асинхронного двигателя переменного тока

Пока ничего не понятно?

Ничего, сейчас во всем разберемся.

Чтобы наглядно себе представить принцип вращения магнитного поля, давайте рассмотрим примитивную трехфазную обмотку, имеющую всего три витка.

Пример того, как вращается магнитное поле в электрическом двигателе

Витки – это проводники, по которым при включении в сеть протекает электрический ток. Во время этого процесса вокруг проводника возникает электромагнитное поле.
Мы знаем, что показатели переменного тока изменяются со временем – сначала он нарастает, затем падает до нуля, потом течет в обратном направлении по тому же принципу, и так до бесконечности. Именно поэтому переменный ток изображают в виде синусоиды.

Графическое изображение переменного тока

В то время как изменяются показатели тока, меняются и параметры магнитного поля, вызываемого им.
Особенностью трехфазных двигателей и генераторов является то, что в один момент времени по обмотке статора ток протекает в фазах со смещением на 120 градусов, то есть на треть времени одного такта.
Такт – это 1 Герц, то есть прохождение переменным током одного полного цикла колебания синусоиды. Схематически это будет выглядеть вот так.

Смещение между фазами составляет ровно 120 градусов

В результате в статоре двигателя одновременно образуется несколько магнитных полей, которые, взаимодействуя, дают результирующее поле.

Изменение магнитного поля в разные моменты времени

Когда происходит изменение параметров токов, протекающих в фазах, начинает изменяться и результирующее магнитное поле. Выражается это в смене его ориентации, при том, что амплитуда остается одинаковой.
В результате получается так, что магнитное поле вращается вокруг некой центральной оси.

А что будет, если внутрь данного магнитного поля поместить проводник?

Принцип электромагнитной индукции

Согласно закону об электромагнитной индукции, который мы подробно описывали в статье про генераторы постоянного и переменного тока, в проводнике возникает электродвижущая сила, сокращенно ЭДС. Если этот проводник замкнут на внешнюю цепь или на себя, то в нем потечет ток.

Согласно закону Ампера, на проводник с током, помещенным в магнитное поле, начинает действовать сила, и контур начинает вращаться. По этому принципу и работают асинхронные двигатели переменного тока, однако вместо рамки в магнитном поле находится короткозамкнутый ротор, который своим внешним видом напоминает беличье колесо.

Строение короткозамкнутого ротора

Как видно из схемы выше, такой ротор состоит из параллельно расположенных стержней, которые с торцов замкнуты двумя кольцами.
При подключении статора к электрической сети, он начинает формировать вращающееся магнитное поле, которое индуктирует во всех стержнях ротора ЭДС, из-за чего ротор начнет вращаться.
При этом в разных стержнях будет отличаться направление текущего тока и его величина, в зависимости от того, в каком положении они находятся относительно полюсов магнитного поля. Опять-таки, если не понятно, то отсылаем вас снова к закону об электромагнитной индукции.

Изменение ЭДС на примере генератора переменного тока

Интересно знать! Стержни на роторе наклоняют относительно оси его вращения. Делается это для того, чтобы пульсация момента и высшие гармоники ЭДС, сокращающие эффективность двигателя, были меньше.

Особенности асинхронного двигателя

Неприхотливые в эксплуатации электромоторы

Итак, давайте разбираться с тем, какие двигатели переменного тока называются асинхронными.

Скольжение ротора

Главной особенностью таких агрегатов является то, что частота вращения ротора отличается от этого же показателя у магнитного поля. Назовем условно эти значения n2 и n1, соответственно.

Объяснить это можно тем, что индуцироваться ЭДС может только при этом неравенстве – n2 должна быть меньше n1. Разница в частотах этих вращений называется частотой скольжения, а сам эффект отставания ротора и называется скольжением, которое обозначается как «s». Высчитать этот параметр можно по следующей формуле: s = (n1-n2)/n1.

Асинхронный двигатель в разрезе

Давайте представим себе ситуацию, в которой частоты n1 и n2 будут одинаковыми. В этом случае положение стержней ротора относительно магнитного поля будет неизменным, а значит, движение проводников относительно магнитного поля происходить не будет, то есть ЭДС не индуктируется, и ток не течет. Отсюда следует вывод, что сил приводящих ротор в движение возникать не будет.
Если предположить, что изначально двигатель был в движении, то теперь ротор начнет замедляться, отставая от магнитного поля, а значит, стержни сместятся относительно магнитного поля и снова начнет расти ЭДС и движущая сила, то есть вращение снова возобновится.
Приведенное описание довольно грубое. В реальности ротор асинхронного двигателя никогда не может догнать скорость вращения магнитного поля, поэтому крутится равномерно.
Уровень скольжения тоже величина непостоянная, и может изменяться от 0 до 1, или другими словами, от 0 до 100 процентов. Если скольжение близко к 0, что соответствует холостому режиму работы двигателя, то есть ротор не будет испытывать противодействующий момент. Если значение этого параметра близко к 1 (режим короткого замыкания), то ротор будет неподвижен.
Отсюда можно сделать вывод, что скольжение напрямую будет зависеть от механической нагрузки на вал двигателя, и чем она больше, тем выше и коэффициент.

Принцип работы асинхронного двигателя

Для асинхронных двигателей средней и малой мощности допустимый коэффициент скольжения находится в диапазоне от 2 до 8%.

Мы уже написали, что такой двигатель преобразует электрическую энергию с обмоток статора в кинетическую, однако стоит понимать, что эти силы не равны друг другу. Всегда при преобразовании происходят потери на гистерезисе, нагреве, трении и вихревых токах.

Данная часть энергии рассеивается в виде тепловой, поэтому двигатель и оборудуется вентилятором для охлаждения.

Питание двигателя

Схема подключения

Давайте теперь разберемся с тем, как происходит подключение асинхронного электродвигателя переменного тока.

Мы уже вкратце описывали, как протекает ток в трехфазной сети, но не совсем понятно, какие выгоды такое питание имеет перед однофазными или двухфазными аналогами.
В первую очередь можно отметить экономичность системы с таким подключением.
Также для нее характерна большая эффективность.

Фазы подключаются к обмотке статора по определенным схемам, называемым звезда и треугольник, каждая из которых имеет свои особенности. Соединения эти могут быть выполнены как внутри двигателя, так и снаружи, в распределительной коробке. В первом случае из корпуса выходит три провода, а во втором шесть.

Для лучшего понимания принципов работ схем давайте введем некоторые понятия:

Фазное напряжение – напряжение в одной фазе, то есть разница потенциалов между ее концами.
Линейное напряжение – это разница в потенциалах разных фаз.

Эти значения очень важны, так как позволяют рассчитать потребляемую мощность электромотора.

Вот формулы, предназначенные для этого:

Формулы расчета мощности двигателя

Данные формулы вычисления мощности двигателя справедливы для подключения и звездой, и треугольником. Однако стоит всегда учитывать, что подключение одного и того же двигателя разными способами будет сказываться на его энергопотреблении.

А если потребляемая мощность не соответствует параметрам двигателя, то может произойти расплавление обмотки статора, и моментальный выход из строя агрегата.

Чтобы понять это лучше, давайте разберем один наглядный пример:

Представьте двигатель, подключенный по схеме «звезда», который подключен в сеть переменного тока. Линейное напряжение будет составлять 380В, а фазовое 220В. Потребляет при этом он 1А.
Высчитываем мощность: 1,73*380*1 = 658 Вт – 1,73 является корнем из 3.
Если сменить схему подключения на треугольник, то получится следующее. Линейное напряжение останется без изменений и составит 380В, а вот фазовое напряжение (вычисляем по первой формуле) увеличится и станет таким же 380В.
Увеличенное в корень из 3 раз фазовое напряжение, приведет к увеличению в такое же количество раз фазового тока. То есть Iл будет равно не 1, а 1,73*1,73, что приблизительно равняется 3
Повторяем расчет мощности: 1,73*380*3 = 1975 Вт.

Как видно из примера, потребляемая мощность стала намного больше, и если двигатель не рассчитан на работу в таком режиме, то он неизбежно перегорит.

Как выглядят схематично разбираемые подключения обмотки

Подключение трехфазного двигателя асинхронного типа к однофазной сети

Разобрав принцип работы трехфазного асинхронного двигателя переменного тока, становится понятным, что напрямую подключить его к общественным сетям, в который «царит» одна фаза, не так просто. Выполнить такое подключение становится возможным, если применить фазосдвигающие элементы.

Варианты подключения трехфазного двигателя к однофазной сети

При таком подключении двигатель может работать в двух режимах:

Первый ничем не отличается от работы однофазных двигателей (смотреть рисунки а, б и г, где применяется пусковая обмотка). При таком режиме работы двигатель способен выдать лишь 40-50% от своей номинальной мощности.
Второй (в, д, е) – режим конденсаторного двигателя, при котором агрегат способен выдать до 80-ти% мощности (в схему включен постоянно работающий конденсатор).

Совет! Емкость конденсатора рассчитывается по специальным формулам, согласно выбранной схеме.

Как управлять электродвигателем

Управление асинхронным электродвигателем переменного тока может быть реализовано тремя способами:

Магнитный пускатель

Прямое подключение к питающей сети – для этого применяются магнитные пускатели, с помощью которых можно реализовать нереверсивные и реверсивные режимы работы мотора. Отличие, думаем понятно – во втором случае двигатель мотет вращаться в другом направлении. Недостатком такого подключения является то, что в цепи присутствуют большие пусковые токи, что не очень хорошо для самого агрегата. Цена такого устройства будет самой низкой

Устройство плавного пуска

Плавный пуск двигателя – такие устройства для управления применяются тогда, когда вам требуется возможность регулировки скорости вращения вала при запуске двигателя. Показанный прибор уменьшает пусковые токи, в результате чего защищает двигатель от больших пусковых токов. Оно обеспечивает плавный старт и остановку вала.

Частотный преобразователь

Самым дорогим и сложным подключением электрического двигателя является применение частотного преобразователя. Такое решение используется тогда, когда требуется регулировка скорости вращения вала двигателя не только при старте и торможении. Данное устройство способно менять частоту и напряжение подаваемого на двигатель тока.
Его применение имеет следующие плюсы: во-первых сокращается энергопотребление мотора; во-вторых, как и устройство плавного пуска, двигатель защищается от ненужных перегрузок, что благотворно сказывается на его состоянии и сроке службы.

Частотные преобразователи могут реализовать следующие методы регулирования:

Скалярное управление

Управление скалярного типа. Наиболее простой и недорогой в реализации, обладающий медленным откликом на изменение нагрузки в сети и небольшим диапазоном регулировки, в виде недостатков. Из-за того подобное управление применимо лишь там, где изменение нагрузки происходит по определенному закону, например, переключение режимов в фене.
Управление векторного типа. Данная схема применяется там, где требуется обеспечить независимое управление вращением электродвигателя, например, в лифте. Она позволяет сохранять одинаковые обороты даже при изменяющихся параметрах нагрузки.

Асинхронный двигатель с фазным ротором

Более сложная конструкция асинхронного двигателя

До того момента, как частотные преобразователи получили широкое распространение, асинхронные двигатели большой и средней мощности изготавливались с фазным ротором. Такая конструкция дает двигателю лучшие свойства по плавному пуску и регулировке оборотов, однако эти агрегаты намного сложнее в плане строения.

Статор такого мотора ничем не отличается от того, что устанавливается в двигателях с короткозамкнутым ротором, но вот сам ротор устроен по-другому.
Также как и статор, он имеет трехфазную обмотку, которая подключается «звездой» к контактным кольцам. Обмотка укладывается в пазы стального сердечника, от которого она изолируется.

Кольца контактные

Контактные кольца соединяются через графитовые щетки с трехфазным пусковым или регулировочным реостатом, с помощью которого и производится пуск ротора.

Реостат жидкостного типа

Реостаты бывают металлическими и жидкостными. Первые (их еще называют проволочными) – ступенчатые, которые управляются механическим переключением своими руками рукояти контроллера, либо автоматически, при помощи контроллера с электроприводом. Вторые представляют собой некие сосуды с электролитом, в который опущены электроды. Изменение сопротивления такого реостата осуществляется за счет глубины их погружения.

Интересно знать! Отдельные модели АДФР, с целью увеличения КПД и ресурса щеток, после запуска ротора поднимают щетки и за счет короткозамкнутого механизма замыкают кольца.

На сегодняшний день устройства с фазными роторами практически не применяются, так как их эффективно заменяют асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, оснащенные частотным преобразователем.

На этом подведем итог. Мы узнали строение асинхронного трехфазного двигателя и принцип его работы. Материал для большинства читателей будет теоретическим, но, думаем, все равно интересным. Если вам нужно узнать, как выполнить ремонт асинхронного двигателя переменного тока, то прочтите предыдущую статью на нашем сайте. Там будет дана инструкция по разбору, и рассказано, что можно диагностировать и исправить самостоятельно, не обращаясь в мастерскую. Также рекомендуем к просмотру подобранное нами видео.

Двигатель однофазный переменного тока – принцип работы и устройство агрегата

Простое и крайне надежное устройство

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
- Принцип действия однофазного двигателя
- Подключение двигателя
- Асинхронный двигатель
- Что происходит в обмотках при включении
Основная информация

Синхронный однофазный двигатель переменного тока работает от общественной сети

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.
Электрический двигатель в разрезе
- 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.
Асинхронный двигатель переменного тока
- 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

Однофазный синхронный двигатель переменного тока

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

Как работает асинхронный электродвигатель однофазный
- 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.
Однофазный коллекторный электродвигатель переменного тока – принцип работы
- 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

Как подключается коллекторный однофазный электродвигатель переменного тока

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.

Различные варианты подключения
- 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.
Коллекторный однофазный двигатель переменного тока от стиральной машины
- 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.
Конденсатор и переменный ток

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

Однофазный коллекторный двигатель переменного тока

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.
Коллекторные электродвигатели переменного тока однофазные
- 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.
Двигатель с ротором фазного типа
- С концов стержни соединяются с кольцами, которые накоротко их замыкают – их называют замыкающими кольцами.
Строение фазного ротора
- 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.
На фото – статор электродвигателя
- 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.
Полный период синусоидального тока
- 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?

Инструкция по работе однофазного двигателя переменного тока
- 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.
Похожие публикации: