Kolik statorových vinutí má jednofázový asynchronní elektromotor?

Jednofázový asynchronní elektromotor je asynchronní elektromotor, který pracuje z jednofázové střídavé elektrické sítě bez použití frekvenčního měniče a který v hlavním provozním režimu (po spuštění) využívá pouze jedno vinutí statoru (fáze).

Jednofázový asynchronní elektromotor se startovacím vinutím

Návrh jednofázového motoru s pomocným nebo rozběhovým vinutím

Hlavní součásti každého elektromotoru jsou rotor a stator. Rotor je rotační část elektromotoru, stator je stacionární část elektromotoru, pomocí které se vytváří magnetické pole k otáčení rotoru.

Hlavní části jednofázového motoru: rotor a stator

Stator má dvě vinutí umístěná vůči sobě pod úhlem 90°. Hlavní vinutí se nazývá hlavní (pracovní) vinutí a zabírá obvykle 2/3 drážek jádra statoru, další vinutí se nazývá pomocné (startovací) vinutí a zabírá obvykle 1/3 drážek statoru.

Motor je ve skutečnosti dvoufázový, ale protože pracuje pouze jedno vinutí, nazývá se elektromotor jednofázový.

Rotor Obvykle se jedná o zkratované vinutí, pro svou podobnost také nazývané „klec pro veverky“. Jejich měděné nebo hliníkové tyče jsou na koncích uzavřeny kroužky a prostor mezi tyčemi je nejčastěji vyplněn hliníkovou slitinou. Rotor jednofázového motoru může být rovněž vyroben ve formě dutého nemagnetického nebo dutého feromagnetického válce.

Jednofázový motor s pomocným vinutím má 2 vinutí umístěná na sebe kolmo

Princip činnosti jednofázového asynchronního motoru

Abychom lépe porozuměli činnosti jednofázového indukčního motoru, uvažujme jej pouze s jedním otočením hlavního a pomocného vinutí.

Pojďme analyzovat případ se dvěma vinutími, z nichž každé má jeden závit

Uvažujme případ, kdy v pomocném vinutí neteče žádný proud. Když je hlavní statorové vinutí připojeno k síti, střídavý proud procházející vinutím vytváří pulzující magnetické pole, stacionární v prostoru, ale měnící se od +F_max do -F_max.

Zastavte
Pulzující magnetické pole

Pokud umístíte rotor s počáteční rotací do pulzujícího magnetického pole, bude se dále otáčet ve stejném směru.

Abychom pochopili princip činnosti jednofázového asynchronního motoru, rozložme pulzující magnetické pole na dvě identická kruhová pole s amplitudou rovnou Ф_max/2 a otáčející se v opačných směrech se stejnou frekvencí:

• kde n_пр – frekvence otáčení magnetického pole v dopředném směru, ot./min.
• n_arr – frekvence otáčení magnetického pole v opačném směru, ot./min.
• f₁ – frekvence statorového proudu, Hz,
• p – počet pólových párů,
• n₁ – rychlost otáčení magnetického toku, ot./min

Zastavte
Rozklad pulzujícího magnetického toku na dva rotující

Působení pulzujícího pole na rotující rotor

Uvažujme případ, kdy rotor, umístěný v pulzujícím magnetickém toku, má počáteční rotaci. Ručně jsme například roztočili hřídel jednofázového motoru, jehož jedno vinutí je připojeno na střídavou síť. V tomto případě za určitých podmínek bude motor nadále vyvíjet točivý moment, protože uklouznutí jeho rotor vzhledem k dopřednému a zpětnému magnetickému toku bude nestejný.

Budeme předpokládat, že přímý magnetický tok Ф_пр, se otáčí ve směru otáčení rotoru a zpětný magnetický tok Ф_arr – v opačném směru. Protože otáčky rotoru n₂ menší než frekvence otáčení magnetického toku n₁, prokluz rotoru vzhledem k průtoku Ф_пр bude:

• kde s_пр – prokluz rotoru vzhledem k přímému magnetickému toku,
• n₂ – rychlost rotoru, otáčky za minutu,
• s – prokluz asynchronního motoru

Dopředný a zpětný rotující magnetický tok namísto pulzujícího magnetického toku

Magnetický tok F_arr otáčí se proti rotoru, otáčky rotoru n₂ vzhledem k tomuto průtoku je záporný a prokluz rotoru vzhledem k Ф_arr

• kde s_arr – prokluz rotoru vůči zpětnému magnetickému toku

Zastavte
Rotující magnetické pole pronikající do rotoru

Proud indukovaný v rotoru střídavým magnetickým polem

Podle zákona elektromagnetické indukce přímý F_пр a obráceně F_arr magnetické toky vytvářené statorovým vinutím indukují EMF ve vinutí rotoru, což odpovídajícím způsobem vytváří proudy I v rotoru nakrátko_2pr a já_2ot. V tomto případě je frekvence proudu v rotoru úměrná skluzu, proto:

• kde f_2pr – aktuální frekvence I_2pr indukovaný přímým magnetickým tokem, Hz

• kde f_2ot – aktuální frekvence I_2ot indukovaný reverzním magnetickým tokem, Hz

S rotujícím rotorem tedy elektrický proud I_2ot, indukované zpětným magnetickým polem ve vinutí rotoru, má frekvenci f_2ot, mnohem vyšší než frekvence f_2pr proud rotoru I_2prindukované přímým polem.

Příklad: pro jednofázový asynchronní motor pracující ze sítě s frekvencí f₁ = 50 Hz při n₁ = 1500 a n₂ = 1440 otáček za minutu,

skluz rotoru vzhledem k přímému magnetickému toku s_пр = 0,04;
frekvence proudu indukovaného přímým magnetickým tokem f_2pr = 2 Hz;
skluz rotoru vůči zpětnému magnetickému toku s_arr = 1,96;
frekvence proudu indukovaného zpětným magnetickým tokem f_2ot = 98 Hz

Podle Ampérova zákona v důsledku interakce elektrického proudu I_2pr s magnetickým polem F_пр dochází k točivému momentu

• kde M_пр – magnetický moment vytvořený přímým magnetickým tokem, N∙m,
• с_M – konstantní koeficient určený konstrukcí motoru

Elektrický proud I_2ot, interagující s magnetickým polem Ф_arr, vytváří brzdný moment M_arrproti otáčení rotoru, tedy proti momentu M_пр:

• kde M_arr – magnetický moment vytvořený zpětným magnetickým tokem, N∙m

Výsledný moment působící na rotor jednofázového asynchronního motoru je

FAQ: Vzhledem k tomu, že v rotujícím rotoru budou přímými a zpětnými magnetickými poli indukovány proudy různých frekvencí, nebudou momenty síly působící na rotor v různých směrech stejné. Rotor se tedy bude nadále otáčet v pulzujícím magnetickém poli ve směru, ve kterém se původně otáčel.

Brzdný účinek zpětného pole

Když jednofázový motor pracuje v rámci jmenovité zátěže, to znamená při malých hodnotách skluzu s = s_прtočivý moment vzniká hlavně díky momentu M_пр. Brzdný účinek momentu zpětného pole M_arr – bezvýznamný. To je způsobeno tím, že frekvence f_2ot mnohem vyšší než frekvence f_2pr, tedy indukční svodový odpor vinutí rotoru x_2ot =x₂s_arr proud I_2ot mnohem větší než jeho aktivní odpor. Proto aktuální I_2ot, který má velkou indukční složku, má silný demagnetizační účinek na zpětný magnetický tok F_arr, což ji výrazně oslabuje.

• kde r₂ — aktivní odpor tyčí rotoru, Ohm,
• x_2ot — reaktance rotorových tyčí, Ohm.

Pokud vezmeme v úvahu, že účiník je malý, je jasné, proč M_arr v režimu zatížení motoru nemá výrazný brzdný účinek na rotor jednofázového motoru.

Rotor nelze spustit pomocí jedné fáze

Rotor s počáteční rotací bude pokračovat v rotaci v poli vytvořeném jednofázovým statorem

Působení pulsujícího pole na stacionárním rotoru

Se stacionárním rotorem (č₂ = 0) skluz s_пр =s_arr = 1 a M_пр = M_arr, tedy počáteční rozběhový moment jednofázového asynchronního motoru M_п = 0. Pro vytvoření rozběhového momentu je nutné otáčet rotorem v jednom nebo druhém směru. Pak s ≠ 1 je narušena rovnost momentů M_пр jim_arr a výsledný elektromagnetický moment nabývá nějaké hodnoty.

Startování jednofázového motoru. Jak vytvořit počáteční rotaci?

Jedním ze způsobů, jak vytvořit rozběhový moment v jednofázovém asynchronním motoru, je umístění pomocného (spouštěcího) vinutí B, posunutého v prostoru vzhledem k hlavnímu (pracovnímu) vinutí A pod úhlem 90 elektrických stupňů. Aby statorová vinutí vytvořila točivé magnetické pole, proudy I_A a já_B ve vinutích musí být vůči sobě fázově mimo. Chcete-li získat fázový posun mezi proudy I_A a já_B V obvodu pomocného (spouštěcího) vinutí B je zařazen fázově posuvný prvek, který se používá jako aktivní odpor (rezistor), indukčnost (induktor) nebo kapacita (kondenzátor) [1].

Poté, co se rotor motoru zrychlí na rychlost otáčení blízkou ustálenému stavu, startovací vinutí B se vypne. Pomocné vinutí se vypíná buď automaticky pomocí odstředivého spínače, časového relé, proudového nebo diferenciálního relé, nebo ručně pomocí tlačítka.

Při spouštění tedy motor pracuje jako dvoufázový a po dokončení rozběhu jako jednofázový.

Připojení jednofázového motoru

Se startovacím odporem

Třífázový motor – jednofázový asynchronní motor s pomocným primárním vinutím na statoru, přesazeným vůči hlavnímu vinutí, a rotorem nakrátko [2].

Jednofázový asynchronní motor s startovací odpor – motor s dělenou fází, ve kterém má obvod pomocného vinutí zvýšený aktivní odpor.

Ohmický fázový posun, bifilární způsob vinutí startovacího vinutí

Rozdílný odpor a indukčnost vinutí

Pro spuštění jednofázového motoru můžete použít spouštěcí odpor, který je zapojen do série se spouštěcím vinutím. V tomto případě je možné dosáhnout fázového posunu o 30° mezi proudy hlavního a pomocného vinutí, což je docela dost pro nastartování motoru. U motoru se startovacím odporem je fázový rozdíl vysvětlen různým komplexním odporem obvodů.

Také fázový posun lze vytvořit použitím startovacího vinutí s nižší indukčností a vyšším odporem. K tomu je spouštěcí vinutí vyrobeno s menším počtem závitů a pomocí tenčího drátu než v hlavním vinutí.

Tuzemský průmysl vyrábí řadu jednofázových asynchronních elektromotorů s aktivním odporem jako fázově posuvný prvek řady AOLB o výkonu od 18 do 600 W při synchronních otáčkách 3000 a 1500 ot./min, určených pro zapojení do sítě. s napětím 127, 220 nebo 380 V, frekvencí 50 Hz.

S kondenzátorovým startem

Kondenzátorový startovací motor je motor s dělenou fází, ve kterém je obvod pomocného vinutí s kondenzátorem zapnut pouze během doby startu.

Kapacitní fázový posun se startovacím kondenzátorem

Pro dosažení maximálního rozběhového momentu je nutné vytvořit kruhové točivé magnetické pole, to vyžaduje, aby proudy v hlavním a pomocném vinutí byly vůči sobě posunuty o 90°. Použití odporu nebo induktoru jako prvku fázového posunu neposkytuje požadovaný fázový posun. Pouze zahrnutí kondenzátoru určité kapacity umožňuje fázový posun o 90°.

Mezi prvky s fázovým posunem pouze kondenzátor umožňuje dosáhnout nejlepších startovacích vlastností jednofázového asynchronního elektromotoru.

Motory, v jejichž obvodu je neustále zapojen kondenzátor, využívají k provozu dvě fáze a nazývají se kondenzátorové motory. Princip činnosti těchto motorů je založen na využití točivého magnetického pole.

Jednofázový stíněný pólový motor

Stínovaný pólový motor – motor s dělenou fází, ve kterém je pomocné vinutí zkratováno.

Stator Jednofázový indukční motor se stíněným pólem má obvykle vyčnívající póly. Na vyčnívajících pólech statoru jsou navinuty cívky jednofázového budícího vinutí. Každý pól statoru je rozdělen na dvě nestejné části axiální drážkou. Menší část kůlu je překryta zkratovaným obratem. Rotor jednofázový motor se stíněnými póly – zkratovaný ve formě „veverčí“ klece.

Při připojení jednofázového statorového vinutí k síti vzniká v magnetickém obvodu motoru pulzující magnetický tok. Jedna část prochází podél nestíněné Ф’ a druhá Ф” – podél stíněné části tyče. Průtok “F” indukuje EMF E ve zkratované smyčce_k, což má za následek proud I_k zaostávající za E_k mimo fázi kvůli indukčnosti závitu. Aktuální I_k vytváří magnetický tok F_k, směrovaný čítač F“, vytvářející výsledný tok ve stíněné části sloupu F_э=F”+F_k. V motoru se tedy toky stíněné a nestíněné části pólu v čase posunou o určitý úhel.

Prostorové a časové úhly posunu mezi toky Ф_э a Ф’ vytvářejí podmínky pro vznik rotujícího eliptického magnetického pole v motoru, protože Ф_э ≠ F’.

Startovací a provozní vlastnosti dotyčného motoru jsou nízké. Účinnost je mnohem nižší než u kondenzátorových motorů stejného výkonu, což je spojeno se značnými elektrickými ztrátami ve zkratované cívce.

Jednofázový elektromotor s asymetrickým statorovým magnetickým obvodem

Stator Takový jednofázový motor je vyroben s výraznými póly na asymetrickém vrstveném jádru. Rotor — zkratovaný typ „klece pro veverky“.

Tento elektromotor nevyžaduje k provozu použití prvků s fázovým posunem. Nevýhodou tohoto motoru je nízká účinnost.

Po mnoho let jsou asynchronní motory lídrem ve využívání elektromotorů. Mezi nimi jsou široce používány jednofázové motory, které se aktivně používají v průmyslu a v domácích spotřebičích. Mají relativně jednoduchý design, snadno se používají a jsou levné na výrobu a provoz. Moderní jednofázové motory vás mohou překvapit svou funkčností. Jsou horší než třífázové modely ve výkonu, ale lepší než ve stabilitě a účinnosti. Takové motory mívají výkon do 3 kW, což je dostačující pro většinu domácích spotřebičů a elektrického nářadí, ale může dosahovat až desítek kW.

Konstrukce a typy jednofázových motorů

Asynchronní motor se skládá ze tří hlavních částí, které jsou odděleny vzduchovou mezerou a během provozu se nedotýkají.

Корпус	Kombinuje stator a rotor, chrání pracovní mechanismus před poškozením. Obvykle se vyrábí z litiny.
Stator (pevný prvek)	Je to induktor, který se skládá z rámu a jádra z měkkých ocelových plechů. Uvnitř je generován proud. Desky jádra jsou od sebe odděleny izolací o tloušťce přibližně 0,5 mm. To umožňuje snížit množství vířivých proudů v elektromagnetickém poli.
Rotor (rotující část)	Stejně jako stator má jádro z tenkých feromagnetických plechů a podobných vinutí, ale bez izolačního laku. Některé konce vinutí jsou připojeny ke společnému bodu, zatímco ostatní konce jsou připojeny ke sběracím kroužkům na hřídeli rotoru. Na vnější straně jsou drážky s hliníkovými nebo měděnými tyčemi.

U jednofázových motorů mají stator a rotor každý jedno vinutí, umístěné na různých stranách jader: vnitřní (u statoru) a vnější (u rotoru). Statorové vinutí je vyrobeno z izolovaného drátu a je pevně upevněno, aby se snížila pravděpodobnost poškození mechanickými vibracemi.

Existují čtyři typy jednofázových elektromotorů:

CSIR	Indukční motor s kondenzátorovým startem a provozem vinutí. Má sériové zapojení kondenzátoru s rozběhovým vinutím a poměrně vysokým rozběhovým momentem (50–250 % točivého momentu při maximální zátěži). Mírné zpoždění mezi proudy ve spouštěcím a hlavním vinutí vytváří rotující magnetické pole, které spouští rotor. Když elektromotor dosáhne rychlosti otáčení blízké provozní rychlosti, startér se otevře a motor pokračuje v činnosti jako obvykle. Motory CSIR jsou optimální pro zařízení s vysokým startovacím zatížením: dopravníkové linky, ventilátory, kompresory.
CSCR	Indukce s rozběhem a provozem přes kondenzátor. Takové elektromotory poskytují vysoký rozběhový moment a snadno si poradí s přetížením. Jsou určeny pro použití ve ztížených podmínkách a produkují menší teplotní výkyvy v provozním režimu. CSCR jsou nejvýkonnější jednofázové motory. Instalují se do vývěv nebo zařízení pracujících pod vysokým tlakem.
RSIR	Indukce s reostatickým startem a provozem přes vinutí. Startovací zařízení má kromě hlavního ještě pomocné vinutí statoru, které funguje pouze pro rozběh a vypíná se při dosažení otáček rotoru 75 % jmenovitých. Elektromotory RSIR pracují v úzkém rozsahu napětí a maximální točivý moment nepřesahuje 250 % vypočteného. Navíc kvůli vysokým zapínacím proudům vyžadují ochranu proti přehřátí. Proto jsou takové motory instalovány v zařízeních s nízkým výstupním výkonem: do 0,25 kW.
PSC	Jsou to motory s trvalým dělením výkonu. Jsou vybaveny trvale běžícím kondenzátorem, který je zapojen do série se startovacím vinutím. Když motor dosáhne provozních otáček, stane se pomocným. V PSC je nízký rozběhový moment (30–90 % jmenovité zátěže) kompenzován nízkými rozběhovými proudy (méně než 200 % vypočtených), díky čemuž je zařízení nejspolehlivější mezi jednofázovými analogy. Tento typ motoru je nejvhodnější pro zařízení s dlouhými pracovními cykly. Jeho provozní parametry, frekvenci a směr otáčení lze měnit pro různé úkoly.

V závislosti na typu motoru a jeho použití může konstrukce jednofázového motoru zahrnovat další součásti, jako jsou:

• kondenzátory,
• pouzdra,
• spojovací materiál,
• fanoušci,
• senzory atd.

Všechny tyto komponenty jsou navrženy tak, aby zajistily správný chod pohonu, dlouhou životnost a bezpečný provoz. Ložiska jsou tedy nezbytná pro zajištění hladkého pohybu rotoru a snížení tření a mechanického opotřebení. Štíty chrání před náhodným přístupem k rotoru a jiným nebezpečným částem motoru. Upevňovací prvky slouží k zajištění motoru ve správné poloze. Ventilátor stabilizuje teplotní spád.

Princip činnosti jednofázových asynchronních motorů

Asynchronní elektromotor patří k indukčním elektrickým strojům, což jsou také stroje na střídavý proud. Přeměňují elektrickou energii na mechanickou energii.

Střídavý proud v symetrickém vícefázovém vinutí statoru vytváří pulzující magnetické pole. Zvlnění vzniká v důsledku vícesměrného pohybu elektrického proudu a závisí na frekvenci elektrické sítě. Při standardu 50 Hz mění elektrický proud směr 50krát za sekundu. Díky tomu dochází k elektromagnetické indukci, která generuje elektromotorické síly ve vinutí rotoru. Magnetické pole statoru se nepohybuje, ale mění kladné a záporné póly s každým sinusovým napěťovým rázem. Podobné póly magnetických polí statoru a rotoru se navzájem odpuzují a opačné póly se přitahují, což uvádí rotor do pohybu. Pod vlivem elektrodynamické síly se otáčí, nejprve zvyšuje rychlost a poté ji stabilizuje na konstantní úrovni. Rozdíl mezi otáčkami rotoru a magnetickým polem statoru se zvětšuje s rostoucím zatížením motoru.

Mechanická síla elektromotoru je výsledkem točivého momentu a rychlosti otáčení, takže vysokorychlostní jednotky jsou menší a lehčí než nízkorychlostní modely. Takové motory se obvykle používají tam, kde je důležitá stabilita, malá velikost a vysoká účinnost.

Funkce kondenzátoru v jednofázových motorech

Tyto motory vyžadují pomoc při startování kvůli jejich nízkému účiníku. Rychlost rotoru striktně závisí na frekvenci změn v poli statoru. Otáčení rotoru je rozděleno do šesti fází, ve kterých se spíná výkon následných vinutí tak, že pole v magnetickém obvodu statoru mění svou polohu o určitý konstantní úhel, určený počtem pólů. Magnetomotorická síla obou vinutí by měla být stejná a optimální úhel mezi nimi je 90°. Nedodržení těchto podmínek vede k vytvoření eliptického pole a snížení výkonu motoru vlivem brzdění.

U jednofázových elektromotorů se používá elektrolytický kondenzátor, který je připojen k pomocnému vinutí a posouvá fázi napětí vůči proudu, což způsobuje rotaci rotoru. Poloha magnetického pole se určuje na základě signálů přicházejících z magnetických snímačů, které jsou vůči sobě posunuty.

Kondenzátor lze použít ke spuštění elektrického spotřebiče. V tomto případě se vypne, jakmile otáčky motoru dosáhnou určité prahové hodnoty. K hlavnímu vinutí lze připojit i kondenzátor, pokud je potřeba udržovat konstantní rotaci rotoru během provozu. Kombinovaný kondenzátor kombinuje obě funkce. Vytváří vysoký startovací moment a minimalizuje pulzující točivý moment při maximálním zatížení motoru.

Schéma zapojení

Jednofázový motor je napájen 220V jednofázovým střídavým proudem. Používá se tam, kde je energetická náročnost relativně nízká, protože zajišťuje stabilní a efektivní provoz bez zbytečných přerušení. Hlavní nevýhodou asynchronních motorů jsou však velké rozběhové proudy s nízkým rozběhovým momentem. To vede k zahřívání vinutí, zvýšené spotřebě proudu a kolísání napětí v síti. Pro hladší rozběh je proto k dispozici schéma zapojení hvězda-trojúhelník. Během spouštění po určitou dobu motor pracuje s menším točivým momentem a napětí na každém z vinutí se rovná fázovému napětí. Po částečném zrychlení motoru přepínač hvězda-trojúhelník změní zapojení vinutí na takové, ve kterém je začátek jednoho vinutí spojen s koncem druhého, neutrální vodič se nepoužívá a motor začne pracovat na jmenovitý výkon .

Shrnutí

Jednofázové asynchronní motory jsou hlavní součástí mnoha elektrických spotřebičů a strojů. Jsou široce používány v různých oblastech díky své jednoduchosti, nízké ceně a možnosti připojení k elektrické síti v domácnosti. Existují však určitá omezení pro jejich použití. Jednofázové motory by neměly být provozovány naprázdno kvůli riziku přehřátí a při méně než 25 % plného zatížení.

Nabízíme širokou škálu modelů:

• pro domácí spotřebiče (ledničky, pračky, ventilátory);
• ruční elektrické nářadí (vrtačky, pily, vrtačky, úhlové brusky);
• stroje (frézovací, soustružnické);
• čerpadla (cirkulační, pro hlubinné studny a bazény).

Jednofázové motory jsou považovány za spolehlivé a odolné, protože mají relativně málo pohyblivých částí a na rozdíl od spalovacích motorů nevyžadují častou údržbu. Takový elektromotor může fungovat mnoho let bez větších oprav nebo výměn.