Однофазный электродвигатель: принципы работы переменного и постоянного тока, проводка, момент затяжки и устранение неисправностей

Принцип работы Двигатель переменного тока

Двигатель переменного тока преобразует переменную электрическую энергию в механическое вращение с помощью электромагнитной индукции. Основной принцип прост: когда переменный ток протекает через обмотки статора, он создает магнитное поле, которое вращается со скоростью, определяемой частотой питания и количеством пар полюсов — это называется синхронная скорость . В системе 50 Гц с двухполюсным статором синхронная скорость составляет 3000 об/мин; при 60 Гц это 3600 об/мин. При четырех полюсах обе цифры соответственно уменьшаются вдвое.

В асинхронный двигатель — наиболее распространенный тип двигателя переменного тока — ротор электрически не связан с источником питания. Вместо этого вращающееся магнитное поле распространяется по проводникам ротора, индуцируя напряжение согласно закону электромагнитной индукции Фарадея. Это наведенное напряжение вызывает ток через проводники ротора. Эти токи ротора, в свою очередь, создают собственное магнитное поле, которое взаимодействует с полем статора, создавая крутящий момент, который тянет ротор в направлении вращения. Ротор никогда не догоняет синхронную скорость — разница называется скольжение , обычно 2–8% при полной нагрузке, поскольку ротор должен продолжать обрезать силовые линии, чтобы поддерживать наведенный ток и крутящий момент. Отсутствие скольжения означает отсутствие индукции, тока и крутящего момента.

В синхронный двигатель Ротор возбуждается отдельно и фиксируется на вращающемся поле, работая с точно синхронной скоростью и с нулевым скольжением. Синхронные двигатели используются там, где требуется точная постоянная скорость — генераторы, большие промышленные приводы и некоторые сервоприводы.

Компоненты двигателя переменного тока: детали и их функции

Понимание внутренней архитектуры двигателя переменного тока необходимо для его выбора, устранения неполадок и технического обслуживания. Основные компоненты одинаковы для всех типов асинхронных двигателей, хотя детали конструкции однофазных и трехфазных двигателей различаются.

Статор

Статор представляет собой стационарный внешний узел. Он состоит из ламинированного сердечника из кремниевой стали — тонких листов (0,35–0,65 мм), сложенных друг на друга и склеенных для минимизации потерь на вихревые токи, — с прорезями, пробитыми во внутреннем отверстии для размещения медных обмоток. Обмотки устроены так, чтобы при подаче напряжения создавать определенное количество магнитных полюсов. Корпус статора, обычно из чугуна или литого под давлением алюминия, образует механический корпус и действует как путь отвода тепла.

Ротор

Ротор представляет собой вращающийся внутренний узел, установленный на валу. В асинхронном двигателе с короткозамкнутым ротором — безусловно, наиболее распространенной конструкции — ротор состоит из ламинированного сердечника с литыми алюминиевыми или медными стержнями в пазах, закороченных на обоих концах концевыми кольцами. Название происходит от сходства с белочным тренажёрным колесом. Никаких внешних подключений не требуется. В двигателях с фазным ротором изолированные медные обмотки соединены через контактные кольца с внешним сопротивлением, что позволяет регулировать пусковой момент и скорость.

Подшипники

Радиальные шарикоподшипники поддерживают вал в радиальном и осевом направлении как со стороны приводного, так и со стороны неприводной стороны. Качество подшипников и интервалы смазки являются основными факторами, определяющими срок службы двигателя. Преждевременный выход подшипников из строя из-за загрязнения, перекоса или нехватки смазочного материала составляет примерно 40–50% всех отказов двигателя в промышленной службе.

Концевые щиты и вал

Торцевые щиты (концевые колокола) закрывают корпус двигателя с каждого конца, вмещают подшипники, а в двигателях TEFC (полностью закрытые с вентиляторным охлаждением) поддерживают внутреннюю перегородку вентилятора. Выходной вал передает крутящий момент на ведомую нагрузку через муфту, шкив или прямое фланцевое соединение. Материал вала обычно представляет собой среднеуглеродистую сталь; валы из нержавеющей стали предназначены для использования в пищевых или агрессивных средах.

Охлаждающий вентилятор и клеммная коробка

Внешний вентилятор, установленный на валу неприводной стороны, втягивает воздух через охлаждающие ребра на внешней стороне рамы двигателей TEFC. Клеммная коробка обеспечивает защиту от атмосферных воздействий для подключения питания, а в однофазных двигателях — для клемм конденсатора. Клеммные коробки имеют класс защиты (IP) — IP55 является стандартом для общепромышленного использования; IP65 или выше для условий промывки.

Однофазный электродвигатель: почему нужна помощь в запуске

Однофазный асинхронный двигатель представляет собой фундаментальную проблему: однофазное питание создает пульсирующий магнитное поле, а не вращающееся. Пульсирующее поле можно математически разделить на два равных и противоположных вращающихся поля, которые нейтрализуют друг друга, создавая нулевой пусковой момент. В состоянии покоя двигатель не имеет предпочтительного направления вращения и не запустится самостоятельно.

После вращения (в любом направлении) один из двух компонентов поля, вращающихся в противоположных направлениях, доминирует, и двигатель продолжает ускоряться и работать. Проблема исключительно при запуске. Все конструкции однофазных двигателей решают эту проблему в принципе одинаково: создают вторую обмотку, пространственно смещенную в статоре, пропускают в этой обмотке ток, сдвинутый по фазе относительно основной обмотки, и вместе два тока создают приближение двухфазного вращающегося поля, достаточного для создания пускового крутящего момента. Методы различаются тем, как достигается фазовый сдвиг.

Схема подключения однофазного асинхронного двигателя и соединения конденсаторов

Двигатель с конденсаторным пуском

В capacitor-start motor, an electrolytic start capacitor is wired in series with the auxiliary (start) winding. The capacitor shifts the auxiliary winding current approximately 80–90° ahead of the main winding current in phase — close to the 90° ideal for maximum starting torque. Starting torques of 200–350 % крутящего момента при полной нагрузке достижимы. Как только двигатель достигает примерно 75% синхронной скорости, центробежный переключатель отключает пусковую обмотку и конденсатор от цепи. Достаточно работы только на основной обмотке, поскольку теперь двигатель работает автономно.

Стандартная схема подключения однофазного двигателя с конденсаторным пуском: основная обмотка подключается напрямую к линии (L) и нейтрали (N). Пусковая обмотка подключается параллельно основной обмотке, но при этом пусковой конденсатор включен последовательно в ветвь пусковой обмотки. Центробежный переключатель включен последовательно с пусковой обмоткой (после конденсатора), чтобы размыкать цепь при достижении рабочей скорости.

Двигатель с постоянным разделенным конденсатором (PSC): объяснение работы

В двигателе с постоянным разделенным конденсатором используется однопроходной конденсатор который остается в цепи постоянно — как при запуске, так и во время нормальной работы. Здесь нет центробежного переключателя и пускового конденсатора. Рабочий конденсатор подключен последовательно со вспомогательной обмоткой и постоянно остается под напряжением, непрерывно разделяя однофазное питание на две фазы для поддержания слабого вращающегося поля.

Компромиссом является снижение пускового крутящего момента — обычно всего 30–60 % от крутящего момента при полной нагрузке — поскольку рабочие конденсаторы рассчитаны на эффективность работы, а не на пусковые характеристики. Поэтому двигатели PSC подходят для Приложения с низким пусковым моментом: вентиляторы, воздуходувки, небольшие насосы и системы обработки воздуха. , где приводимой нагрузке требуется минимальный крутящий момент, чтобы начать движение. В свою очередь, двигатели PSC обеспечивают плавную и бесшумную работу, отсутствие отказов центробежного переключателя, лучший коэффициент мощности, чем у других однофазных типов, и более высокий КПД. Они являются доминирующим типом двигателей в фанкойлах HVAC и вентиляторах для бытовых печей.

Схема подключения двигателя PSC с 4-х проводным однофазным подключением и конденсатором: две клеммы подключаются к основной обмотке (М1, М2 — обычно коричневая и синяя); две клеммы подключаются к вспомогательной обмотке (А1, А2 — обычно красный и черный). Рабочий конденсатор подключается между одной клеммой основной обмотки и одной вспомогательной клеммой, обычно M2 и A1. Линия и нейтраль подключаются к M1 и M2 соответственно. Точная схема подключения зависит от схемы клемм производителя на паспортной табличке двигателя — перед подключением всегда сверяйте ее с паспортной табличкой.

Конденсаторный пуск, конденсаторный двигатель

В этой конструкции используются как большой электролитический пусковой конденсатор, так и пленочный конденсатор меньшего размера. Пусковой конденсатор обеспечивает высокий пусковой момент; центробежный переключатель отключает его при достижении рабочей скорости, оставляя последовательно со вспомогательной обмоткой только рабочий конденсатор. При этом достигается лучшее от обоих типов: сильный пусковой момент и эффективные ходовые качества. Используется в компрессорах, мойках высокого давления и других устройствах, требующих как высокого пускового момента, так и эффективности при длительной работе.

Как изменить направление вращения однофазного двигателя

Реверс однофазного асинхронного двигателя достигается за счет замена соединений либо основной обмотки, либо вспомогательной обмотки относительно источника питания — не обеих . Одновременная замена обеих обмоток оставляет соотношение фаз неизменным и не меняет направление вращения.

На практике выводы вспомогательной обмотки чаще всего меняют местами, поскольку они пропускают меньший ток и соединения более доступны. На двигателе PSC со стандартной 4-проводной схемой:

• Вращение вперед: Основная обмотка М1→Л, М2→Н; конденсатор между М2 и А1; А2→Н
• Обратное вращение: Поменяйте местами А1 и А2 — конденсатор между М2 и А2; А1→Н

Для двигателей с конденсаторным пуском действует тот же принцип: поменять местами выводы только пусковой обмотки. Многие однофазные двигатели на заводе настроены на определенное направление вращения и имеют внутренние соединения пусковой обмотки — в этих случаях реверс возможен только путем открытия двигателя и повторного внутреннего подключения, или это может быть вообще нереверсивно. Всегда проверяйте паспортную табличку или схему подключения, прежде чем предполагать реверсивность.

В трехфазных двигателях реверс гораздо проще: поменяйте местами любые два из трех соединений фаз питания (L1, L2, L3). Перестановка L1 и L2 меняет последовательность вращающегося магнитного поля, немедленно меняя направление ротора.

Что происходит с перегретым двигателем вентилятора

Двигатели вентиляторов — обычно конструкции PSC — особенно уязвимы к перегреву, поскольку их охлаждение зависит от потока воздуха, проходящего через вентилятор, который они приводят в движение. Если поток воздуха ограничен или двигатель работает в жаркой среде без достаточной вентиляции, последствия будут предсказуемыми и разрушительными.

Первой линией защиты большинства двигателей является защита от тепловой перегрузки — биметаллическую полоску или термистор с положительным ТКС, встроенный в обмотки статора или установленный на них. Когда температура обмотки превышает порог срабатывания (обычно 130–150°C для изоляции класса B), устройство защиты размыкает цепь и отключает двигатель. Типы с автоматическим сбросом перезапускаются, когда двигатель остывает; Типы с ручным сбросом требуют преднамеренного вмешательства. Повторяющиеся термоциклы через эту защиту — двигатель нагревается, отключается, охлаждается, перезапускается — сами по себе разрушительны: каждый цикл подвергает изоляцию обмотки и конденсатор тепловому стрессу.

Если термозащита отсутствует, обойдена или не срабатывает вовремя, ущерб возрастает:

• Ухудшение изоляции обмоток: Класс изоляции двигателя (Класс A: 105°C, Класс B: 130°C, Класс F: 155°C, Класс H: 180°C) определяют максимальную температуру обмотки. Длительная эксплуатация при температуре выше номинального класса экспоненциально ускоряет старение изоляции. Эмпирическое правило Аррениуса гласит, что каждые Повышение температуры на 10°C выше номинальной сокращает срок службы изоляции вдвое. . То, что было 20-летним мотором, при умеренном перегреве становится 5-летним мотором.
• Выход из строя конденсатора: Электролитические пусковые конденсаторы и пленочные конденсаторы разрушаются под постоянным воздействием тепла. Электролитические конденсаторы теряют емкость по мере испарения электролита; корпус может вздуться или разорваться. Неисправный рабочий конденсатор в двигателе PSC приводит к тому, что двигатель теряет вспомогательное поле, разделяющее фазу, потребляет чрезмерный ток в основной обмотке и далее перегревается в разрушительной петле обратной связи.
• Распад смазки подшипников: Большинство подшипников двигателей смазываются на заводе консистентной смазкой, рассчитанной на температуру 120–150°C. Выше этого порога смазка окисляется и обугливается, быстро теряя смазывающую способность. Результатом является ускоренный износ подшипников, повышенное трение, дальнейшее выделение тепла и возможное заклинивание подшипника.
• Короткое замыкание обмотки или замыкание на землю: Полный пробой изоляции приводит к короткому замыканию между витками или между обмотками и корпусом, создавая высокие токи короткого замыкания, потенциальное повреждение дуги и риск возгорания, если защита вышестоящей цепи не устранит короткое замыкание быстро.

Раннее выявление перегрева — посредством периодической инфракрасной термометрии, мониторинга тока или анализа вибрации — обходится гораздо дешевле, чем замена вышедшего из строя двигателя и диагностика основной причины после отказа.

Принцип работы двигателя постоянного тока

Двигатель постоянного тока работает по принципиально иному принципу, чем асинхронный двигатель переменного тока. Если двигатель переменного тока использует электромагнитную индукцию для индукции тока ротора, то двигатель постоянного тока подает постоянный ток как на поле статора, так и на ротор (якорь) через прямое электрическое соединение.

Принцип работы заключается в Закон силы Лоренца : на проводник с током в магнитном поле действует сила, перпендикулярная как направлению тока, так и направлению поля. В двигателе постоянного тока статор создает стационарное магнитное поле (посредством постоянных магнитов или обмоток возбуждения). Постоянный ток, подаваемый на обмотки якоря через щетки и коммутатор, заставляет каждый проводник якоря испытывать действие силы Лоренца. Сумма этих сил на всех проводниках создает вращающий момент якоря.

коммутатор Это компонент, который меняет направление тока через проводники якоря в нужный момент, чтобы поддерживать постоянное направление крутящего момента при вращении якоря. Он представляет собой сегментированный цилиндрический контакт, установленный на валу, к которому прижимаются угольные щетки. Когда якорь вращается, последовательные сегменты коммутатора вступают в контакт с щетками, гарантируя, что ток в каждом проводнике всегда течет в правильном направлении относительно поля статора, создавая крутящий момент в том же направлении вращения. Без коммутации проводник достигнет положения, в котором сила Лоренца поменяет направление, а чистый крутящий момент в среднем будет равен нулю.

В бесщеточных двигателях постоянного тока (BLDC) коммутация осуществляется электронным способом с помощью контроллера, который распределяет ток через неподвижные обмотки с постоянными магнитами на роторе. Это исключает износ щеток и коллектора за счет необходимости использования электроники управления двигателем.

Крутящий момент двигателя постоянного тока: формула и ключевые соотношения

torque produced by a DC motor is directly proportional to the armature current and the magnetic field strength. The fundamental torque equation is:

Т = К × Ф × Я _a

Где T — крутящий момент (Н·м), K — постоянная двигателя (определяется геометрией обмотки якоря, количеством полюсов и количеством проводников), Φ — магнитный поток на полюс (Вб), а I _a – ток якоря (А). Константу двигателя K иногда записывают как (PZA)/(2πA), где P — количество полюсов, Z — общее количество проводников якоря, а A — количество параллельных путей в обмотке якоря.

Из этой формулы следует несколько важных практических соотношений:

• В shunt DC motor , поток поля Φ практически постоянен (обмотка возбуждения подключена непосредственно к напряжению питания). Таким образом, крутящий момент прямо пропорционален только току якоря: двойной ток якоря, двойной крутящий момент. Скорость регулируется в основном противо-ЭДС, оставаясь относительно стабильной при изменении нагрузки, что делает шунтирующие двигатели пригодными для применений с постоянной скоростью, таких как токарные станки и конвейеры.
• В series DC motor , обмотка возбуждения пропускает тот же ток, что и якорь. При низких скоростях и высоких нагрузках как Φ, так и I _a большие и синфазные — крутящий момент масштабируется примерно пропорционально квадрату тока, создавая очень высокий пусковой момент . Это делает серийные двигатели идеальными для тягового применения (электровозы, стартеры). Опасность: при холостом ходу, когда ничто не ограничивает рост тока якоря, скорость увеличивается неограниченно — двигатели серийной серии никогда не должны работать без нагрузки.
• Компромисс крутящего момента и скорости: Для данной входной мощности крутящий момент и скорость обратно связаны — P = T × ω, где ω — угловая скорость в рад/с. Двигатель, создающий высокий крутящий момент на низкой скорости или низкий крутящий момент на высокой скорости при одинаковой мощности на валу, работает с той же точкой эффективности; приложение определяет, какая комбинация необходима.

Высокоскоростные двигатели с низким крутящим моментом: конструктивные характеристики и применение

Высокоскоростные двигатели с низким крутящим моментом предназначены для максимизации скорости вращения вала при одновременном уменьшении выходного крутящего момента. Этот профиль достигается за счет особого выбора конструкции, которая существенно отличается от конструкций двигателей с высоким крутящим моментом.

В асинхронных двигателях переменного тока более высокие синхронные скорости требуют меньшего количества пар полюсов: 2-полюсный двигатель работает со скоростью 3000 об/мин (50 Гц) или 3600 об/мин (60 Гц), а 4-полюсный двигатель работает со скоростью 1500/1800 об/мин. Увеличение скорости сверх стандартных синхронных скоростей требует работы преобразователя частоты (ЧРП) выше базовой частоты — при повышении частоты выше номинальной двигатель работает в области ослабления потока, где крутящий момент уменьшается пропорционально увеличению частоты , а скорость продолжает расти. Это фундаментальное ограничение машины: при постоянном напряжении поток ослабевает выше базовой скорости, и крутящий момент падает.

В двигателях постоянного тока и BLDC в высокоскоростных конструкциях используются:

• Низкая индуктивность якоря обеспечивает быстрое изменение тока при высоких частотах коммутации.
• Более сильные постоянные магниты (NdFeB) с более высокой плотностью потока для поддержания противо-ЭДС на скорости без необходимости больших размеров якоря.
• Точная балансировка ротора для предотвращения вибрации на высоких оборотах — силы дисбаланса масштабируются пропорционально квадрату скорости вращения, что делает допуск балансировки в 10 раз более важным при 30 000 об/мин, чем при 3 000 об/мин.
• Специализированные подшипники (радиально-упорные или керамические гибридные), рассчитанные на высокие значения DN (диаметр отверстия мм × скорость об/мин)

Приложения включают стоматологические наконечники (400 000 об/мин), шпиндели с ЧПУ (20 000–60 000 об/мин), центробежные вентиляторы, турбомолекулярные вакуумные насосы и высокоскоростные шлифовальные шпиндели. На этих скоростях рабочий инструмент или рабочее колесо обеспечивают эффективную нагрузку; Требования к крутящему моменту скромны, но поддержание точной скорости и минимизация биения имеют решающее значение.

Что меняет направление тока через электродвигатель

answer depends on the motor type — and the question has different meanings in AC and DC contexts.

В двигатель постоянного тока , направление тока через любой отдельный проводник якоря меняется на противоположное коммутатор and brush assembly . При вращении якоря каждый сегмент коммутатора последовательно проходит под щеточным контактом. Когда проводник пересекает нейтральную плоскость — положение, в котором магнитное поле не оказывает тангенциальной силы — контакт щетки переходит от одного сегмента коммутатора к другому, и ток в этом проводнике меняет направление. Это механическое переключение, происходящее много раз за оборот, поддерживает однонаправленный крутящий момент, несмотря на физическое вращение проводников за счет переменной полярности поля. Угольные щетки прижимаются к вращающемуся коммутатору под действием пружины; Контактное сопротивление щетки с коммутатором и материал щетки (медно-угольные, электрографитовые или серебро-графитовые марки) влияют на качество коммутации и срок службы щетки.

В Асинхронный двигатель переменного тока , ток в обмотках статора естественным образом меняет направление на частоте питания — 50 или 60 раз в секунду — потому что само напряжение питания является переменным. Механическое переключение не требуется. Ток ротора индуцируется и самореверсируется пропорционально скольжению. В асинхронном двигателе переменного тока нет коммутатора.

В бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC) , функцию коммутатора выполняет электронный регулятор скорости (ESC) или привод двигателя, который использует силовые транзисторы (обычно MOSFET или IGBT) для переключения тока через каждую фазу статора в правильной последовательности на основе обратной связи о положении ротора от датчиков Холла или измерения обратной ЭДС. Контроллер меняет направление тока в каждой паре обмоток под соответствующим углом ротора, повторяя то, что делает коммутатор механически, — но без износа, без образования дуги и с КПД выше 95 % в конструкциях премиум-класса.