Einphasen-Asynchronmotor: wie es funktioniert

Der Name dieses elektrischen Geräts zeigt an, dass die ihm zugeführte elektrische Energie in eine Drehbewegung des Rotors umgewandelt wird. Darüber hinaus charakterisiert das Adjektiv "asynchron" die Fehlanpassung, die Verzögerung der Drehzahl des Ankers vom Magnetfeld des Stators.

Das Wort "einphasig" verursacht eine mehrdeutige Definition. Dies liegt an der Tatsache, dass der Begriff "Phase" in der Elektrik definiert mehrere Phänomene:

• Verschiebung, Winkeldifferenz zwischen Vektorgrößen;

• Potentialleiter eines zwei-, drei- oder vieradrigen Wechselstromkreises;

• eine der Stator- oder Rotorwicklungen eines Drehstrommotors oder Generators.

Daher stellen wir sofort klar, dass es üblich ist, einen einphasigen Elektromotor zu nennen, der in einem Zweidraht-Wechselstromnetz läuft, das durch eine Phase und ein Nullpotential dargestellt wird. Die Anzahl der Wicklungen, die in verschiedenen Statorkonstruktionen montiert sind, hat keinen Einfluss auf diese Definition.

Motordesign

Ein Induktionsmotor besteht laut technischer Vorrichtung aus:

1. ein Stator - ein statisches, festes Teil, das aus einem Gehäuse mit verschiedenen elektrischen Elementen besteht;

2. ein Rotor, der durch die Kräfte des elektromagnetischen Feldes des Stators gedreht wird.

Die mechanische Verbindung dieser beiden Teile erfolgt durch Drehlager, deren Innenringe an den montierten Sockeln der Rotorwelle und die Außenringe in am Stator befestigten Seitenschutzabdeckungen montiert sind.

Rotor

Die Vorrichtung für diese Modelle ist dieselbe wie für alle Induktionsmotoren: Ein Magnetkern aus belasteten Platten auf der Basis von Weicheisenlegierungen ist auf einer Stahlwelle montiert. An seiner Außenfläche sind Nuten vorgesehen, in die die Wickelstangen aus Aluminium oder Kupfer eingebaut sind, die an den Enden mit den Schließringen kurzgeschlossen sind.

In der Rotorwicklung wird ein elektrischer Strom induziert, der durch das Statormagnetfeld induziert wird, und der Magnetkreis dient zum guten Durchgang des hier erzeugten Magnetflusses.

Separate Rotorkonstruktionen für Einphasenmotoren können aus nichtmagnetischen oder ferromagnetischen Materialien in Form eines Zylinders hergestellt werden.

Stator

Das Stator-Design wird auch vorgestellt:

• Körper;

• Magnetkreis;

• Wicklung.

Sein Hauptzweck ist die Erzeugung eines festen oder rotierenden elektromagnetischen Feldes.

Die Statorwicklung besteht normalerweise aus zwei Kreisen:

1. Arbeiter;

2. Launcher.

Bei den einfachsten Konstruktionen, die für das manuelle Drehen des Ankers ausgelegt sind, kann nur eine Wicklung hergestellt werden.

Das Funktionsprinzip eines asynchronen einphasigen Elektromotors

Um die Darstellung des Materials zu vereinfachen, stellen wir uns vor, dass die Statorwicklung nur aus einer Schleifenschleife besteht. Seine Drähte im Stator sind in einem Kreis mit 180 Winkelgraden verteilt. Durch sie fließt ein sinusförmiger Wechselstrom mit positiven und negativen Halbwellen. Es entsteht kein rotierendes, sondern ein pulsierendes Magnetfeld.

Wie Magnetfeldpulsationen auftreten

Analysieren wir diesen Prozess am Beispiel einer positiven Stromhalbwelle, die zu den Zeitpunkten t1, t2, t3 fließt.

Es verläuft entlang des oberen Teils des aktuellen Pfades zu uns und entlang des unteren Teils - von uns. In der senkrechten Ebene, die durch den Magnetkreis dargestellt wird, erscheinen magnetische Flüsse um den Leiter herum.

Die Ströme, deren Amplitude zu den betrachteten Zeitpunkten variiert, erzeugen elektromagnetische Felder F1, F2 und F3 unterschiedlicher Größe. Da der Strom in der oberen und unteren Hälfte gleich ist, die Spule jedoch gebogen ist, sind die Magnetflüsse jedes Teils in die entgegengesetzte Richtung gerichtet und zerstören die gegenseitige Wirkung.Dies kann durch die Regel eines Gimlets oder der rechten Hand bestimmt werden.

Wie Sie sehen können, wird bei einer positiven Halbwelle keine Rotation des Magnetfelds beobachtet, sondern nur seine Welligkeit tritt im oberen und unteren Teil des Drahtes auf, der auch im Magnetkreis gegenseitig ausgeglichen ist. Der gleiche Vorgang tritt bei einem negativen Abschnitt der Sinuskurve auf, wenn die Ströme die Richtung umkehren.

Da kein rotierendes Magnetfeld vorhanden ist, bleibt der Rotor auch stationär, da keine Kräfte auf ihn ausgeübt werden, um die Rotation zu starten.

Wie Rotordrehung in einem pulsierenden Feld erzeugt wird

Wenn Sie dem Rotor auch mit der Hand eine Drehung geben, setzt er diese Bewegung fort. Um dieses Phänomen zu erklären, zeigen wir, dass der gesamte magnetische Fluss in der Frequenz der Stromsinuskurve in jeder Halbwelle (mit Richtungsänderung) von Null bis zum Maximalwert variiert und aus zwei Teilen besteht, die im oberen und unteren Zweig gebildet werden, wie in der Abbildung gezeigt.

Das magnetische Pulsfeld des Stators besteht aus zwei kreisförmigen Feldern mit einer Amplitude von Fmax / 2, die sich mit derselben Frequenz in entgegengesetzte Richtungen bewegen.

npr = nbr = f60 / p = 1.

In dieser Formel sind angegeben:

• npr und nobr Rotationsfrequenz des Magnetfeldes des Stators in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung;

• n1 ist die Geschwindigkeit des rotierenden Magnetflusses (U / min);

• p ist die Anzahl der Polpaare;

• f ist die Frequenz des Stroms in der Statorwicklung.

Jetzt geben wir mit Ihrer Hand die Motordrehung in eine Richtung und sie nimmt die Bewegung sofort auf, da ein Drehmoment auftritt, das durch das Gleiten des Rotors relativ zu verschiedenen Magnetflüssen in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung verursacht wird.

Wir nehmen an, dass der magnetische Fluss der Vorwärtsrichtung mit der Drehung des Rotors zusammenfällt und der Rückwärtsgang umgekehrt ist. Wenn n2 die Ankerrotationsfrequenz in U / min ist, können wir den Ausdruck n2

In diesem Fall bezeichnen wir Spr = (n1-n2) / n1 = S.

Hier bezeichnen die Indizes S und Spr den Schlupf des Induktionsmotors und des Rotors des relativen Magnetflusses der Vorwärtsrichtung.

Im Gegenstrom wird der Schlupf Sobr durch eine ähnliche Formel ausgedrückt, jedoch mit der Änderung des Vorzeichens n2.

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

In Übereinstimmung mit dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion wirkt unter dem Einfluss direkter und umgekehrter magnetischer Flüsse eine elektromotorische Kraft in der Rotorwicklung, die Ströme in den gleichen Richtungen I2pr und I2obr erzeugt.

Ihre Frequenz (in Hertz) ist direkt proportional zur Größe des Schlupfes.

f2pr = f1 ∙ Spr;

f2sample = f1 ∙ S.

Darüber hinaus überschreitet die durch den induzierten Strom I2obr gebildete Frequenz f2obr die Frequenz f2pr signifikant.

Beispielsweise läuft ein Elektromotor in einem 50-Hz-Netz mit n1 = 1500 und n2 = 1440 U / min. Sein Rotor hat einen Schlupf relativ zum Magnetfluss der Vorwärtsrichtung Spr = 0,04 und der Stromfrequenz f2pr = 2 Hz. Der Rückschlupf Sobr = 1,96 und die aktuelle Frequenz f2obr = 98 Hz.

Basierend auf dem Ampere-Gesetz erscheint ein Drehmoment Iпр, wenn der Strom I2pr und das Magnetfeld interactпр zusammenwirken.

Mpr = cM ≤ Fpr ≤ I2pr ≤ cosφ2pr.

Hier hängt der konstante Koeffizient SM von der Konstruktion des Motors ab.

In diesem Fall wirkt auch der umgekehrte magnetische Fluss Mobr, der durch den Ausdruck berechnet wird:

Mobr = cM ≤ Phobr ≤ I2obr ≤ cosφ2obr.

Als Ergebnis der Wechselwirkung dieser beiden Flüsse erscheint der resultierende:

M = Mpr-Mobr.

Achtung! Wenn sich der Rotor dreht, werden Ströme mit unterschiedlichen Frequenzen induziert, die Momente von Kräften in verschiedene Richtungen erzeugen. Daher dreht sich der Motoranker unter der Wirkung eines pulsierenden Magnetfelds in die Richtung, aus der er sich zu drehen begann.

Bei der Überwindung der Nennlast durch einen Einphasenmotor entsteht ein kleiner Schlupf mit dem Hauptanteil des direkten Drehmoments Mpr. Die Gegenwirkung des hemmenden, umgekehrten Magnetfelds MOBR hat aufgrund der unterschiedlichen Frequenzen der Ströme in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung einen sehr geringen Effekt.

f2obr des Rückstroms überschreitet f2pr signifikant, und die induzierte Induktivität X2obr übersteigt die aktive Komponente stark und liefert einen großen Entmagnetisierungseffekt des Rückmagnetflusses Fobr, der letztendlich abnimmt.

Da der Leistungsfaktor des Motors unter Last gering ist, kann der umgekehrte Magnetfluss keinen starken Einfluss auf den rotierenden Rotor haben.

Wenn eine Phase des Netzwerks an einen Motor mit festem Rotor angelegt wird (n2 = 0), ist der Schlupf sowohl vorwärts als auch rückwärts gleich Eins, und Magnetfelder und Kräfte der Vorwärts- und Rückwärtsströmung sind ausgeglichen und es tritt keine Rotation auf. Aus der Versorgung mit einer Phase ist es daher unmöglich, den Motoranker zu lösen.

So bestimmen Sie schnell die Motordrehzahl:

Wie die Rotordrehung in einem einphasigen Asynchronmotor erzeugt wird

In der gesamten Betriebsgeschichte solcher Geräte wurden die folgenden Entwurfslösungen entwickelt:

1. manuelles Abwickeln der Welle mit einer Hand oder Schnur;

2. die Verwendung einer zusätzlichen Wicklung, die zum Zeitpunkt des Starts aufgrund eines ohmschen, kapazitiven oder induktiven Widerstands angeschlossen ist;

3. Aufteilen des Statormagnetkreises durch eine kurzgeschlossene Magnetspule.

Die erste Methode wurde in der ersten Entwicklung verwendet und wurde in Zukunft aufgrund des möglichen Verletzungsrisikos beim Start nicht mehr angewendet, obwohl keine zusätzlichen Ketten angeschlossen werden müssen.

Anwendung der Phasenverschiebungswicklung im Stator

Um der Statorwicklung die anfängliche Drehung des Rotors zu geben, wird zum Zeitpunkt des Starts eine zusätzliche Hilfswicklung angeschlossen, die jedoch nur um 90 Grad im Winkel verschoben ist. Es wird mit einem dickeren Draht durchgeführt, um mehr Ströme durchzulassen als im Arbeitsstrom.

Das Anschlussschema eines solchen Motors ist in der Abbildung rechts dargestellt.

Hier wird zum Einschalten eine PNVS-Taste verwendet, die speziell für solche Motoren entwickelt wurde und im Betrieb von in der UdSSR hergestellten Waschmaschinen weit verbreitet ist. Diese Taste schaltet sofort 3 Kontakte so ein, dass die beiden extremen Kontakte nach dem Drücken und Loslassen im eingeschalteten Zustand bleiben und der mittlere kurz schließt und dann unter der Wirkung der Feder in seine ursprüngliche Position zurückkehrt.

Geschlossene Extremkontakte können durch Drücken der nebenstehenden Stopptaste deaktiviert werden.

Zusätzlich zum Druckknopfschalter wird im Automatikmodus Folgendes verwendet, um die zusätzliche Wicklung zu deaktivieren:

1. Fliehkraftschalter;

2. Differenz- oder Stromrelais;

3. mechanische Timer.

Um das Starten des Motors unter Last zu verbessern, werden zusätzliche Elemente in der Phasenverschiebungswicklung verwendet.

Anschluss eines Einphasenmotors mit Anlaufwiderstand

In einer solchen Schaltung wird der ohmsche Widerstand nacheinander an der zusätzlichen Statorwicklung angebracht. In diesem Fall erfolgt das Wickeln der Windungen auf biffilare Weise, vorausgesetzt, der Selbstinduktionskoeffizient der Spule liegt sehr nahe bei Null.

Aufgrund der Implementierung dieser beiden Techniken tritt, wenn Ströme durch verschiedene Wicklungen fließen, eine Phasenverschiebung von etwa 30 Grad zwischen ihnen auf, was völlig ausreichend ist. Der Winkelunterschied wird durch Ändern der komplexen Widerstände in jeder Schaltung erzeugt.

Bei diesem Verfahren kann immer noch eine Anlaufwicklung mit niedriger Induktivität und erhöhtem Widerstand gefunden werden. Hierzu wird eine Wicklung mit einer geringen Anzahl von Windungen eines Drahtes mit verringertem Querschnitt verwendet.

Einphasenmotor mit anlaufendem Kondensator anschließen

Durch die kapazitive Phasenstromverschiebung können Sie eine kurzfristige Verbindung der Wicklung mit einem in Reihe geschalteten Kondensator herstellen. Diese Kette funktioniert nur, wenn der Motor in den Modus wechselt und sich dann abschaltet.

Der Kondensatorstart erzeugt das höchste Drehmoment und einen höheren Leistungsfaktor als bei einer resistiven oder induktiven Startmethode. Sie kann einen Wert von 45 ÷ 50% des Nennwerts erreichen.

In getrennten Schaltkreisen wird der Arbeitswicklungskette auch eine Kapazität hinzugefügt, die ständig eingeschaltet ist. Dadurch werden Abweichungen der Ströme in den Wicklungen um einen Winkel in der Größenordnung von π / 2 erreicht. Gleichzeitig macht sich im Stator eine Verschiebung der maximalen Amplituden bemerkbar, die ein gutes Drehmoment auf die Welle liefert.

Aufgrund dieser Technik kann der Motor beim Start mehr Leistung erzeugen. Dieses Verfahren wird jedoch nur bei Schwerstartantrieben verwendet, um beispielsweise die Trommel einer mit Leinen gefüllten Waschmaschine mit Wasser zu drehen.

Mit dem Kondensatorauslöser können Sie die Drehrichtung des Ankers ändern. Ändern Sie dazu einfach die Polarität des Anschlusses der Anlauf- oder Arbeitswicklung.

Split-Pole-Einphasenmotoranschluss

Asynchronmotoren mit einer geringen Leistung von etwa 100 W verwenden eine Aufteilung des Statormagnetflusses aufgrund des Einschlusses einer kurzgeschlossenen Kupferspule in den Magnetkreispol.

In zwei Teile geschnitten, erzeugt ein solcher Pol ein zusätzliches Magnetfeld, das im Winkel vom Hauptfeld verschoben ist und es an der von der Spule abgedeckten Stelle schwächt. Dadurch entsteht ein elliptisches Drehfeld, das ein Drehmoment konstanter Richtung bildet.

In solchen Konstruktionen findet man magnetische Shunts aus Stahlplatten, die die Kanten der Spitzen der Statorpole schließen.

Motoren ähnlicher Bauart finden sich in Lüftungsvorrichtungen zum Luftblasen. Sie haben nicht die Fähigkeit, umzukehren.