Однофазными называются электродвигатели, для питания которых используется переменный ток с одной фазой. Такие устройства можно подключать к стандартной электросети на 220 В.
О принципе работы и особенностях управления однофазными электродвигателями — в этой статье.
Принцип действия
Простота конструкции и универсальность позволили однофазным электродвигателям получить широкое распространение в России и мире. Их доля по разным оценкам составляет более 80% от общего количества электрических двигателей. Такая популярность обусловлена сравнительно невысокой ценой этого оборудования и возможностью подключения к обычной электросети на 220 В.
Однофазные электродвигатели устанавливаются в токарные станки, насосы, компрессоры, другие агрегаты и машины. По сравнению с трехфазными они обладают сравнительно небольшой мощностью — до 2,2 кВт. Но компенсируют этот недостаток простотой подключения и конструкции.
Двигатель состоит из статора — неподвижно закрепленной на корпусе части. И ротора — подвижного элемента, вращающегося на подшипниках. Вал подключается к насосу или иной машине напрямую или с помощью ременной передачи.
Принцип действия основан на использовании силы электромагнитного поля, образующегося при прохождении переменного тока в обмотке статора. Оно пульсирует с частотой 50 Гц, постоянно меняя положение полюсов. Что с точки зрения физики равносильно вращающемуся магнитному полю. Оно увлекает за собой статор, оснащенный металлическими стержнями, постоянным магнитом или, в некоторых вариантах конструкции, собственной обмоткой с протекающим в нем током.
Такие двигатели называют асинхронными. В отличие от синхронных, ротор которых вращается синхронно с вращающимся электромагнитным полем.
Поскольку в качестве питания используется одна фаза, то обмотка статора не способна запустить ротор. Силы при быстрой смене полюсов компенсируют друг друга. Но если под сторонним воздействием ось будет приведена во вращение, то электромагнитная система будет поддерживать его бесконечно долго. Существует два принципиальных решения проблемы запуска.
Пусковой механизм
Наиболее распространенный вариант — установка пусковой обмотки. Она расположена перпендикулярно к основной. За счет установки конденсатора достигается смещение фаз на 90°. Это позволяет внести дисбаланс сил в систему и получить направленный вектор для начала вращения.
Пусковая обмотка включается только в момент старта электродвигателя. Такие системы можно увидеть на токарных станках, насосах и других агрегатах. Некоторые агрегаты оснащают центробежными выключателями. Они отключают пусковой механизм при достижении заданной скорости вращения в автоматическом режиме.
Конденсаторные однофазные двигатели
Статор такого электродвигателя имеет две обмотки. Одна из них называется основной, вторая — вспомогательной. Они перпендикулярны друг другу. При этом вспомогательная обмотка подключается через конденсатор для получения сдвига фаз на 90°. Упрощенно можно представить такие двигатели как двухфазные, но подключаемые к сети с одной фазой.
Принципиально возможно построить двигатель с тремя обмотками с подобранными конденсаторами для получения нужного сдвига фаз. Но это приведет к усложнению и удорожанию конструкции. Поэтому производители к такой схеме прибегают редко. Тем более, классическая работает достаточно эффективно.
Отметим, что существует разновидность однофазных агрегатов, в которых ротор оснащен собственной обмоткой. Это позволяет решить проблему старта. Но конструкция агрегата становится менее надежной, так как требует использования токосъемных колец.
Особенности подключения и управления
Подключение
Для подключения агрегата с пусковой обмоткой удобно использовать кнопки типа ПНВС с двумя парами контактов. Одни из них соединяются долговременно. При первом нажатии кнопки включаются. При следующем — контакт разрывается. К ним подключается основная обмотка. Вторые включаются на время удержания кнопки в нажатом положении.
Если инструкция от агрегата утеряна, определить основную и пусковую установку можно по сопротивлению. Такие модели подключаются тремя проводами. Измерив сопротивление между каждой парой, можно определить:
- Основную обмотку по минимальному значению сопротивления.
- Пусковую — по максимальному сопротивлению.
- Среднее значение сопротивления соответствует не соединенным друг с другом напрямую выводов обмоток.
Для большей безопасности конденсатор можно подключить в паре с резистором. Это позволяет разрядить его после отключения питания.
Управление скоростью и направлением вращения
С завода двигатель с однофазным питанием поставляется преимущество с одним направлением вращения: левым или правым. Но иногда при установке на другой вид оборудования его нужно изменить. Принципиально возможно заставить вращаться в обратную сторону любой асинхронный двигатель.
Достигается это изменением схемы подключения обмоток для получения обратного сдвига фаз и не требует принципиальной переделки агрегата. Некоторые модели оснащаются тумблером для смены направления вращения. Такие, в частности, устанавливаются на токарные станки.
Изменение скорости вращения однофазника — менее тривиальная задача. Скорость вращения ротора относительно постоянна. Она связана функциональной связью с частотой переменного тока, подаваемого на обмотку статора.
Меняя частоту электротока, можно достичь изменения скорости. Но выполнять это самостоятельно не рекомендуется. Изменяется распределение нагрузки на части электродвигателя, что может привести к его перегреву, преждевременному выходу из строя.
Получить заданную требованиями оборудования скорость вращения можно безопасно для конструкции двигателя. Например, применив ременную передачу и выбрав подходящее соотношение диаметров шкивов. Электродвигатель будет вращаться с комфортной для него скоростью. Такой принцип использован в токарных станках, вентиляторах и компрессорах.
Автор статьи: Александр Шихов