Jednofazowy silnik asynchroniczny: jak to działa

Sama nazwa tego urządzenia elektrycznego wskazuje, że dostarczana do niego energia elektryczna jest przekształcana w ruch obrotowy wirnika. Ponadto przymiotnik „asynchroniczny” charakteryzuje niedopasowanie, opóźnienie prędkości obrotowej twornika od pola magnetycznego stojana.

Słowo „jednofazowe” powoduje niejednoznaczną definicję. Wynika to z faktu, że termin „faza” w elektrykach definiuje kilka zjawisk:

• przesunięcie, różnica kątów między wielkościami wektorowymi;

• potencjalny przewodnik dwu-, trzy- lub czteroprzewodowego obwodu prądu przemiennego;

• jedno z uzwojeń stojana lub wirnika silnika trójfazowego lub generatora.

Dlatego natychmiast wyjaśniamy, że zwyczajowo nazywa się jednofazowy silnik elektryczny, który działa z dwuprzewodowej sieci prądu przemiennego, reprezentowanej przez potencjał fazowy i zerowy. Liczba zwojów zamontowanych w różnych konstrukcjach statorów nie ma wpływu na tę definicję.

Konstrukcja silnika

Zgodnie z urządzeniem technicznym silnik indukcyjny składa się z:

1. stojan - nieruchoma, nieruchoma część, wykonana przez obudowę z umieszczonymi na niej różnymi elementami elektrycznymi;

2. wirnik obracany przez siły pola elektromagnetycznego stojana.

Mechaniczne połączenie tych dwóch części wykonuje się za pomocą łożysk obrotowych, których pierścienie wewnętrzne są zamontowane na dopasowanych gniazdach wału wirnika, a zewnętrzne są zamontowane w ochronnych pokrywach bocznych przymocowanych do stojana.

Wirnik

Jego urządzenie dla tych modeli jest takie samo jak dla wszystkich silników indukcyjnych: rdzeń magnetyczny z płyt ładunkowych na bazie miękkich stopów żelaza jest zamontowany na stalowym wale. Na jego zewnętrznej powierzchni wykonane są rowki, w które są przymocowane pręty z aluminium lub miedzi, zwarte na końcach do pierścieni zamykających.

W uzwojeniu wirnika indukowany jest prąd elektryczny, który jest indukowany przez pole magnetyczne stojana, a obwód magnetyczny służy do dobrego przejścia wytwarzanego tutaj strumienia magnetycznego.

Oddzielne konstrukcje wirników dla silników jednofazowych mogą być wykonane z materiałów niemagnetycznych lub ferromagnetycznych w postaci cylindra.

Stojan

Przedstawiono również projekt stojana:

• ciało;

• obwód magnetyczny;

• uzwojenie

Jego głównym celem jest generowanie stałego lub wirującego pola elektromagnetycznego.

Uzwojenie stojana zwykle składa się z dwóch obwodów:

1. pracownik;

2. program uruchamiający.

W najprostszych konstrukcjach, zaprojektowanych do ręcznego obracania kotwy, można wykonać tylko jedno uzwojenie.

Zasada działania asynchronicznego jednofazowego silnika elektrycznego

Aby uprościć prezentację materiału, wyobraźmy sobie, że uzwojenie stojana jest wykonane tylko z jedną pętlą pętli. Przewody w stojanie są rozmieszczone w okręgu pod kątem 180 stopni. Przepływa przez niego przemienny prąd sinusoidalny, mający półfale dodatnie i ujemne. Tworzy nie wirujące, ale pulsujące pole magnetyczne.

Jak występują pulsacje pola magnetycznego

Przeanalizujmy ten proces na przykładzie półfalowego prądu dodatniego przepływającego w chwilach t1, t2, t3.

Przechodzi wzdłuż górnej części bieżącej ścieżki do nas, a wzdłuż dolnej - od nas. W płaszczyźnie prostopadłej reprezentowanej przez obwód magnetyczny strumienie magnetyczne pojawiają się wokół przewodnika.

Prądy o różnej amplitudzie w rozważanych chwilach wytwarzają pola elektromagnetyczne F1, F2 i F3 o różnej wielkości. Ponieważ prąd w górnej i dolnej połowie jest taki sam, ale cewka jest zgięta, strumienie magnetyczne każdej części są skierowane w przeciwnym kierunku i niszczą się wzajemnie.Można to ustalić na podstawie świdra lub prawej ręki.

Jak widać, przy dodatniej półfali obrót pola magnetycznego nie jest obserwowany, ale jedynie jego tętnienie występuje w górnej i dolnej części drutu, który jest również wzajemnie zrównoważony w obwodzie magnetycznym. Ten sam proces zachodzi w przypadku ujemnego odcinka sinusoidy, gdy prądy zmieniają kierunek.

Ponieważ nie ma wirującego pola magnetycznego, wirnik również pozostanie w bezruchu, ponieważ nie zostaną przyłożone żadne siły do ​​jego rozpoczęcia.

Jak powstaje rotacja wirnika w polu pulsacyjnym

Jeśli obrócisz wirnik, nawet ręką, będzie on kontynuował ten ruch. Aby wyjaśnić to zjawisko, pokazujemy, że całkowity strumień magnetyczny zmienia częstotliwość prądu sinusoidy od zera do wartości maksymalnej w każdym półcyklu (ze zmianą kierunku) i składa się z dwóch części uformowanych w górnej i dolnej gałęzi, jak pokazano na rysunku.

Magnetyczne pulsujące pole stojana składa się z dwóch okrągłych o amplitudzie Fmax / 2 i poruszających się w przeciwnych kierunkach z tą samą częstotliwością.

npr = nbr = f60 / p = 1.

W tej formule są wskazane:

• częstotliwość obrotu npr i nobr pola magnetycznego stojana w kierunku do przodu i do tyłu;

• n1 jest prędkością obrotowego strumienia magnetycznego (r / min);

• p jest liczbą par biegunów;

• f to częstotliwość prądu w uzwojeniu stojana.

Teraz damy silnikowi ruch obrotowy w jednym kierunku, a on natychmiast przejmie ruch z powodu wystąpienia momentu obrotowego spowodowanego przesunięciem wirnika w stosunku do różnych strumieni magnetycznych w kierunku do przodu i do tyłu.

Zakładamy, że strumień magnetyczny kierunku do przodu pokrywa się z obrotem wirnika, a odwrotność odpowiednio będzie odwrotna. Jeśli n2 jest częstotliwością obrotu kotwicy w obr / min, możemy zapisać wyrażenie n2

W tym przypadku oznaczamy Spr = (n1-n2) / n1 = S.

Wskaźniki S i Spr oznaczają tutaj poślizg silnika asynchronicznego i wirnika względnego strumienia magnetycznego w kierunku do przodu.

W odwrotnym przepływie poślizg Sobr wyraża się podobną formułą, ale ze zmianą znaku n2.

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

Zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej pod wpływem bezpośrednich i odwrotnych strumieni magnetycznych siła uzwojenia wirnika będzie działać w uzwojeniu wirnika, co wytworzy w nim prądy o tych samych kierunkach I2pr i I2obr.

Ich częstotliwość (w hercach) będzie wprost proporcjonalna do wielkości poślizgu.

f2pr = f1 ∙ Spr;

próbka f2 = f1 ∙ S.

Ponadto częstotliwość f2obr utworzona przez indukowany prąd I2obr znacznie przekracza częstotliwość f2pr.

Na przykład silnik elektryczny pracuje w sieci 50 Hz z n1 = 1500, a n2 = 1440 obr / min. Jego wirnik ma poślizg w stosunku do strumienia magnetycznego kierunku do przodu Spr = 0,04 i częstotliwości prądu f2pr = 2 Hz. Poślizg wsteczny Sobr = 1,96, a aktualna częstotliwość f2obr = 98 Hz.

Na podstawie prawa Ampera, gdy prąd I2pr i pole magnetyczne Фпр oddziałują, pojawia się moment obrotowy Мпр.

Mpr = cM ∙ Fpr ∙ I2pr ∙ cosφ2pr.

Tutaj stały współczynnik SM zależy od konstrukcji silnika.

W tym przypadku działa również odwrotny strumień magnetyczny Mobr, który jest obliczany przez wyrażenie:

Mobr = cM ∙ Phobr ∙ I2obr ∙ cosφ2obr.

W wyniku interakcji tych dwóch strumieni pojawi się wynikowy:

M = Mpr-Mobr.

Uwaga! Kiedy wirnik się obraca, indukowane są w nim prądy o różnych częstotliwościach, które tworzą momenty sił w różnych kierunkach. Dlatego zwora silnika będzie się obracać pod wpływem pulsującego pola magnetycznego w kierunku, z którego zaczęła się obracać.

Podczas pokonywania obciążenia znamionowego przez silnik jednofazowy powstaje lekki poślizg z głównym udziałem bezpośredniego momentu obrotowego Mpr. Przeciwdziałanie hamującego, odwrotnego pola magnetycznego MOBR ma bardzo niewielki wpływ ze względu na różnicę częstotliwości prądów w kierunku do przodu i do tyłu.

f2obr prądu wstecznego znacznie przekracza f2pr, a indukowana indukcyjność X2obr znacznie przewyższa składnik aktywny i zapewnia duży efekt rozmagnesowania odwrotnego strumienia magnetycznego Fobr, który ostatecznie maleje.

Ponieważ współczynnik mocy silnika pod obciążeniem jest niewielki, odwrotny strumień magnetyczny nie może mieć silnego wpływu na obracający się wirnik.

Gdy jedna faza sieci zostanie przyłożona do silnika ze stałym wirnikiem (n2 = 0), wówczas poślizg, zarówno do przodu, jak i do tyłu, jest równy jedności, a pola magnetyczne i siły przepływów do przodu i do tyłu są zrównoważone i rotacja nie występuje. Dlatego z zasilania jednej fazy nie można odkręcić twornika silnika.

Jak szybko określić prędkość obrotową silnika:

Jak powstaje rotacja wirnika w jednofazowym silniku asynchronicznym

W całej historii działania takich urządzeń opracowano następujące rozwiązania projektowe:

1. ręczne odwijanie wału ręką lub sznurkiem;

2. zastosowanie dodatkowego uzwojenia podłączonego podczas rozruchu z powodu rezystancji omowej, pojemnościowej lub indukcyjnej;

3. podział przez zwarcie cewki magnetycznej obwodu magnetycznego stojana.

Pierwsza metoda została zastosowana w początkowej fazie rozwoju i nie zaczęła być stosowana w przyszłości z powodu możliwego ryzyka obrażeń podczas uruchamiania, chociaż nie wymaga ona dodatkowych łańcuchów.

Zastosowanie uzwojenia przesunięcia fazowego w stojanie

Aby nadać początkowy obrót wirnikowi uzwojeniu stojana, w momencie rozruchu podłączany jest dodatkowy pomocniczy, ale tylko o 90 stopni przesunięty pod kątem. Odbywa się to za pomocą grubszego drutu, aby przepuścić więcej prądów niż przepływający przez działający.

Schemat połączeń takiego silnika pokazano na rysunku po prawej stronie.

Tutaj włącza się przycisk typu PNVS, który został specjalnie stworzony dla takich silników i był szeroko stosowany w pracy pralek produkowanych w ZSRR. Ten przycisk natychmiast włącza 3 styki w taki sposób, że dwa skrajne, po naciśnięciu i zwolnieniu, pozostają nieruchome w stanie włączenia, a środkowy zamyka się na krótko, a następnie pod działaniem sprężyny powraca do pierwotnej pozycji.

Zamknięte styki skrajne można rozłączyć, naciskając sąsiedni przycisk Stop.

Oprócz przełącznika przyciskowego w trybie automatycznym używane są następujące funkcje:

1. przełączniki odśrodkowe;

2. przekaźniki różnicowe lub prądowe;

3. mechaniczne zegary.

Aby poprawić rozruch silnika pod obciążeniem, w uzwojeniu z przesunięciem fazowym zastosowano dodatkowe elementy.

Podłączenie silnika jednofazowego z opornością rozruchową

W takim obwodzie rezystancja omowa jest kolejno montowana na uzwojeniu stojana. W tym przypadku uzwojenie zwojów odbywa się w sposób bifilarny, zapewniając współczynnik samindukcji cewki bardzo zbliżony do zera.

Z powodu zastosowania tych dwóch metod, gdy prądy przepływają przez różne uzwojenia, następuje między nimi przesunięcie fazowe o około 30 stopni, co jest wystarczające. Różnica kątów powstaje przez zmianę złożonych rezystancji w każdym obwodzie.

Dzięki tej metodzie nadal można znaleźć uzwojenie początkowe o niskiej indukcyjności i podwyższonym oporze. W tym celu stosuje się uzwojenie z małą liczbą zwojów drutu o obniżonym przekroju.

Podłączenie silnika jednofazowego z uruchomieniem kondensatora

Pojemnościowe przesunięcie prądu fazowego pozwala na krótkotrwałe połączenie uzwojenia z kondensatorem połączonym szeregowo. Ten łańcuch działa tylko wtedy, gdy silnik wchodzi w tryb, a następnie się wyłącza.

Start kondensatora wytwarza największy moment obrotowy i wyższy współczynnik mocy niż w przypadku metody rozruchu rezystancyjnego lub indukcyjnego. Może osiągnąć wartość 45 ÷ 50% wartości nominalnej.

W oddzielnych obwodach pojemność jest również dodawana do działającego łańcucha uzwojenia, który jest stale włączony. Z tego powodu osiąga się odchylenia prądów w uzwojeniach o kąt rzędu π / 2. Jednocześnie wyraźnie widać przesunięcie maksymalnych amplitud w stojanie, co zapewnia dobry moment obrotowy na wale.

Dzięki tej technice silnik jest w stanie wygenerować więcej mocy podczas rozruchu. Jednak ta metoda jest stosowana tylko w przypadku napędów o dużym rozruchu, na przykład do wirowania bębna pralki wypełnionej lnem wodą.

Spust kondensatora umożliwia zmianę kierunku obrotu twornika. Aby to zrobić, wystarczy zmienić biegunowość połączenia uzwojenia rozruchowego lub roboczego.

Jednofazowe połączenie silnika z rozdzielonym biegunem

Silniki asynchroniczne o małej mocy około 100 W wykorzystują rozdzielanie strumienia magnetycznego stojana z powodu włączenia zwartej cewki miedzianej do bieguna obwodu magnetycznego.

Taki biegun, podzielony na dwie części, wytwarza dodatkowe pole magnetyczne, które jest przesunięte pod kątem względem głównego i osłabia je w miejscu pokrytym cewką. Z tego powodu powstaje eliptyczne pole wirujące, które tworzy moment obrotu w stałym kierunku.

W takich konstrukcjach można znaleźć boczniki magnetyczne wykonane ze stalowych płyt, które zamykają krawędzie końców biegunów stojana.

Silniki o podobnej konstrukcji można znaleźć w urządzeniach wentylacyjnych do nadmuchu powietrza. Nie mają możliwości cofnięcia.