Реверс однофазного двигателя — важная часть его работы, которая широко используется в самых разных системах с электродвижками. Мы рассмотрим ,Каким образом происходит запуск ротора в обратную сторону ,что такое противовключение и как его осуществляют в домашних условиях.
Асинхронные двигатели переменного тока широко используются во многих отраслях, где используются электрические машины. Благодаря высокому КПД, простоте конструкции и в обслуживании, такие моторы заняли прочную энергетическую нишу. При этом они различаются по количеству фаз, на которые влияет число обмоток и многие другие факторы. Наиболее широко распространены трёх- и однофазные двигатели, причём последние не только имеют упрощённый принцип работы, но и способны подключаться к сети 220 Вольт без каких-либо преобразователей. В этой статье мы рассмотрим принцип работу однофазного двигателя и каким образом можно заставить его вращаться в принципиально обратную сторону
Принцип работы
Однофазным асинхронным двигателем называют машину, имеющую лишь одну обмотку на статоре, которая питается всего лишь от одной фазы. На самом деле обмоток даже в самой простой конструкции две, однако вторая выступает в качестве вспомогательной и работает исключительно при запуске двигателя, отключаясь в процессе. Таким образом пусковая обмотка придаёт ротору необходимый импульс, выводя систему из равновесия — это наиболее простой и распространённый способ столкнуть его.
Пусковая обмотка также отличается от рабочей размерами — обычно в ней вдвое меньше пазов. Как и в двухфазных системах, обе обмотки расположены друг относительно друга под прямым углом. Это позволяет генерировать необходимое усилие при старте работы, затем пусковая фаза отключается, и дальше двигатель поддерживает работу исключительно как однофазный.
Конструкция машины имеет ротор и статор причём первый должен постоянно вращаться, а второй — оставаться неподвижным. Это нужно для генерации магнитного поля, которое будет изменяться со временем. Именно на статоре располагаются обмотки, в то время как ротор своим вращением обеспечивает работу всего механизма. В однофазном двигателе устанавливается один из двух типов роторов:
- короткозамкнутый — также известный как “беличье колесо”. Он состоит из ряда алюминиевых стержней, замкнутых при помощи колец на торцах;
- цилиндрический — полый внутри, он представляет собой пустой цилиндр.
Отметим, что при вращении ротора без использования пусковой обмотки он попадает в пронизывающий магнитный поток, который генерируется пульсирующим полем. Если же система находится в состоянии покоя, то ротор не запустится в принципе, поскольку суммарный вращательный момент равен нулю, а обе силы Ампера, действующие на ротор, полностью друг друга компенсируют.
Ситуация меняется, если ротор толкают — она начинает двигаться в направлении стартового толчка. Начинает работать закон электромагнитной индукции, вследствие чего система генерирует соответствующие токи в направлении толчка. Однако возникает вопрос — от чего зависит его направление?
Для этого нужно учитывать два фактора:
- размещение пусковой обмотки относительно ротора;
- сдвиг тока по фазе относительно рабочей обмотки.
Если оба фактора удовлетворяют показателям системы, то их совместного действия будет достаточно для генерации пульсирующего и вращающегося магнитного поля. Это и приводит двигатель в движение, после чего пусковая фаза отключается, и дальше он работает лишь на одной — её достаточно для поддержания заданной скорости вращения.
Смещение в большинстве случаев производится при помощи специального конденсатора, встроенного в систему. Подключённый с пусковой обмоткой в последовательной цепи, он создаёт сдвиг фаз, равный 90 градусам. С технической точки зрения оператор машины должен нажать на кнопку выключателя, подающего питание к цепи, и отпустить её только в тот момент, когда обороты станут равно соответствующему номиналу, указанному в данной частоте цепи.
Таким образом для конденсаторного пуска реверс осуществляется при создании условия, при которых толчок, запускающий ротор, производится в обратном направлении, нежели в обычных условиях. Добиться этого можно, если правильно чередовать фазы в обеих обмотках, что требует тонкой настройки. Для этого требуется переключить между собой пусковую и рабочую обмотки, чтобы изменить общую полярность подключения. Выполнить подобную процедуру можно и вручную, просто сменив выведенные наружу клеммы. Чтобы понять, какая из них к какой обмотке относится, используйте мультиметр — меньшее активное сопротивление, по которому и получится найти рабочую.
Вариант 3: смена пусковой обмотки на рабочую, и наоборот
Организовать реверс однофазного мотора 220В теми способами, что описаны выше, можно только при условии, что из корпуса выходят отводки от обеих обмоток со всеми началами и концами: А, В, С и D. Но часто встречаются моторы, в которых производитель намеренно оставил снаружи только 3 контакта. Этим он обезопасил устройство от различных «самоделок». Но все же выход есть.
На рисунке выше изображена схема такого, «проблемного», мотора. У него выходят из корпуса только три провода. Они помечены коричневым, синим и фиолетовым цветами. Зеленая и красная линии, соответствующие концу В пусковой и началу С рабочей намотки, соединены между собой внутри. Доступ к ним без разборки двигателя мы получить не сможем. Поэтому изменить вращение ротора одним из первых двух вариантов не представляется возможным.
В этом случае поступают так:
- Снимают конденсатор с начального вывода А;
- Подсоединяют его к конечному выводу D;
- От проводов А и D, а также фазы, пускают отводки (можно сделать реверс с использованием ключа).
Посмотрите на рисунок выше. Теперь, если подключить фазу к отводку D, то ротор вращается в одну сторону. Если же фазный провод перекинуть на ветку A, то можно изменить направление вращения в противоположную сторону. Реверс можно осуществлять, вручную разъединяя и соединяя провода. Облегчить работу поможет использование ключа.
Важно! Последний вариант реверсивной схемы подключения асинхронного однофазного мотора неправильный. Его можно использовать, только если соблюдаются условия:
- Длина пусковой и рабочей намоток одинакова;
- Площадь их поперечного сечения соответствует друг другу;
- Эти провода изготовлены из одного и того же материала.
Все эти величины влияют на сопротивление. Оно у обмоток должно быть постоянным. Если вдруг длина или толщина проводов отличаются друг от друга, то после того, как вы организуете реверс, окажется, что сопротивление рабочей намотки станет таким же, как было раньше у пусковой, и наоборот. Это может стать и причиной того, что мотор не сможет запуститься.
Внимание! Даже если длина, толщина и материал обмоток совпадают, работа при измененном направлении вращения ротора не должна быть продолжительной. Это чревато перегревом и выходом из строя двигателя. КПД при этом тоже оставляет желать лучшего.
Осуществить реверс асинхронного мотора 220В просто, если концы обмоток отводятся из корпуса наружу. Сложнее его организовать, когда выводов всего три. Рассмотренный нами третий способ реверсирования подходит только для кратковременного включения двигателя в сеть. Если работа с обратным вращением обещает быть продолжительной, то мы рекомендуем вскрыть коробку для переключения методами, описанными в 1 и 2 варианте: так безопасно для агрегата, и сохраняется КПД.
Реверс двигателя при помощи кнопки ПНВ
В широком смысле реверс означает изменение движения ротора в обратную сторону относительного его обычного старта. Отметим, что это довольно важная функция, которая является необходимой в подавляющем большинстве систем. Осуществить реверс можно в электродвигателе любого типа, как асинхронного, работающего от переменного тока, так и для мотора на постоянном токе.
Поскольку асинхронные двигатели, в том числе и однофазные, применяются в большинстве сфер деятельности и даже в бытовых приборах, реверс является необходимой функцией для выполнения базовых механических действий. Ярким примером могут служить грузоподъёмные механизмы, которым нужно двигаться во всех направлениях, разнообразные запорные устройства формата “открыть-закрыть” и подобные исполнительные конструкции. Для них необходимость в реверсе ротора является постоянной, поскольку его движение в обоих направлениях является базовой функцией, без которой они не смогут выполнять свои обязанности.
Временный реверс применяется не так часто, и обычно нужен в аварийных ситуациях. Например, асинхронные двигатели, установленные в конвейерах, на эскалаторах и в насосах работают строго в одну сторону. Однако если механизм сломался или заедает, включается реверс, позволяющий остановить или обратить работу системы.
Также реверс используется для резкого и быстрого торможения электродвигателя. В обычных случаях ротор продолжает вращаться даже после отключения механизма от сети, поскольку набранная за время работы инерция тратится очень неохотно. Таким образом мотор работает и после отключения сети, что в ряде случаев крайне нежелательно. Кратковременный запуск реверса создаёт противонаправленную силу, поглощающую инерцию, в результате чего ротор удаётся остановить гораздо быстрее, чем он прекратил вращаться естественным способом. В профессиональной среде такой тормоз называется противовключением.
Однофазный электродвигатель с асимметричным магнитопроводом статора
Статор
такого однофазного двигателя выполняется с ярко выраженными полюсами на не симметричном шихтованном сердечнике.Ротор
— короткозамкнутый типа «беличья клетка».
Данный электродвигатель для работы не требует использования фазосдвигающих элементов. Недостатком данного двигателя является низкий КПД.
Однофазный двигатель работает за счет переменного электрического тока и подключается к сетям с одной фазой. Сеть должна иметь напряжение 220 Вольт и частоту, равную 50 Герц.
Электромоторы этого типа находят применение в основном в маломощных устройствах:
- Бытовой технике.
- Вентиляторах низкой мощности.
- Насосах.
- Станках для обработки сырья и т. п.
Выпускаются модели с мощностью от 5 Вт до 10 кВт.
Значения КПД, мощности и пускового момента, у однофазных моторов существенно ниже, чем у трехфазных устройств тех же размеров. Перегрузочная способность также выше у двигателей с 3 фазами. Так, мощность однофазного механизма не превышает 70% мощности трехфазного того же размера.
устройство
Устройство:
- Фактически имеет 2 фазы, но работу выполняет лишь одна из них, поэтому мотор называют однофазным.
- Как и все электромашины, однофазный двигатель состоит из 2 частей: неподвижной (статор) и подвижной (ротор).
- Представляет собой асинхронный электромотор, на неподвижной составляющей которого имеется одна рабочая обмотка, подключаемая к источнику однофазного переменного тока.
К сильным сторонам двигателя данного типа можно отнести простоту конструкции, представляющую собой ротор с короткозамкнутой обмоткой. К недостаткам – низкие значения пускового момента и КПД.
Главный минус однофазного тока – невозможность генерирования им магнитного поля, выполняющего вращение. Поэтому однофазный электромотор не запустится сам по себе при подключении к сети.
В теории электрических машин, действует правило: чтобы возникло магнитное поле, вращающее ротор, на статоре должно быть по крайней мере 2 обмотки (фазы). Требуется также смещение одной обмотки на некоторый угол относительно другой.
Во время работы, происходит обтекание обмоток переменными электрическими полями:
- В соответствии с этим, на неподвижном участке однофазного мотора расположена так называемая пусковая обмотка. Она смещена на 90 градусов по отношению к рабочей обмотке.
- Сдвиг токов можно получить, включив в цепь фазосдвигающее звено. Для этого могут использоваться активные резисторы, катушки индуктивности и конденсаторы.
- В качестве основы для статора и ротора используется электротехническая сталь 2212.
В чём состоит принцип реверсивного движения
Поскольку принцип работы электродвигателя переменного тока построен на вращении магнитных полей в определённом направлении, то и для его изменения придётся менять магнитные поля. Сам принцип работы реверса невероятно прост — необходимо поменять местами провода, отвечающие за основное вращение и запуск. Поскольку каждый из них подключён как к плюсу, так и к минусу, смена проводом полностью инвертирует полярность магнитного поля. В свою очередь это значит, что двигаться оно начнёт в обратном направлении, увлекая за собой ротор, а вместе с этим и всю систему в принципе.
Основные неисправности
Искрение, возникающее между щетками и коллектором – самый главный вопрос, требующий внимания. Чтобы избежать неисправностей более серьезных, таких как их отслаивание и деформация или перегрев ламелей, сработавшуюся щетку необходимо заменить.
Помимо этого, возможно замыкание между обмотками якоря и статора, вызывающее сильное искрение на переходе коллектор-щетка или значительное падение магнитного поля.
Чтобы продлить срок службы двигателя, необходимо соблюдение двух условий – профессиональный изготовитель и грамотный пользователь, т.е. строгое соблюдение режима работы.
Видео: Коллекторный электрический двигатель
Мы вновь возвращаемся в мир занимательного — как электротехника, так как считаю, что эти знания нам просто всем необходимы в нашей повседневной жизни.
Схема реверса — реализация на практике
Чтобы ротор начал вращаться в противоположную сторону, необходимо поменять вторую и третью фазу местами. Отметим, что сначала он будет продолжать двигаться в первоначальном направлении по инерции, и лишь спустя некоторое время перейдёт в состояние равновесия, из которого сменит направленность.
Полярность пусковой обмотки, необходимой для задания направления, можно выполнить по схеме с использованием специального управляющего тумблера. Прежде всего его необходимо подобрать, исходя из разрешённого напряжения мотора и токовой нагрузке, а также необходимых зафиксированных положений — 2 или 3. Ток на тумблер стоит выводить от стартовой обмотки, поскольку она работает не так долго и в целом экономит ресурс. Таким образом можно сократить расходы на обслуживание всей системы и контактной группы в частности.
Специалисты советуют выполнять реверс асинхронного двигателя следующим образом:
- если пуск предполагается тяжёлый, то его можно упростить при помощи добавочного конденсатора. Это актуально только для схем, которые используют подключение с самовозвратом ПНВ. Тогда тумблер реверса будет осуществлять включение только если ротор заторможен, но не во время работы, повышая эффективность и стабильность системы;
- посадочное место тумблера для реверса должно быть защищено от случайного срабатывания. Поскольку это сопровождается огромными скачками тока, подобное позволит сэкономить энергию и моторесурс двигателя;
- если механизм не выполняет реверс нужным образом, то после подключения нужно проверить правильность подключения проводов — нередко клеммы путают и вся схема сбивается. Также работоспособность зависит от целостности проводки.
С учётом того факта, что даже мельчайшие проблемы могут привести к сбою работы реверса, важно хорошо проверить весь механизм перед запуском. Это позволить избежать поломок и аварийных ситуаций.
Постановка задачи
Предположим, что у уже подсоединенного с использованием пускозарядной емкости асинхронного однофазного двигателя изначально вращение вала направлено по часовой стрелке, как на картинке ниже.
Уточним важные моменты:
- Точкой А отмечено начало пусковой обмотки, а точкой В – ее окончание. К начальной клемме A подсоединен провод коричневого, а к конечной – зеленого цвета.
- Точкой С помечено начало рабочей обмотки, а точкой D – ее окончание. К начальному контакту подсоединен провод красного, а к конечному – синего цвета.
- Направление вращения ротора обозначено с помощью стрелок.
Коллекторные однофазные двигатели и их особенности
Однофазный двигатель является наиболее распространённым в бытовых условиях двигателем, который часто воспроизводят своими руками. Причина этого кроется в однофазной сети на 220В, подведённой к большинству мастерских, домов и частных участков. Однако перед началом работы важно определить, какого типа перед вами мотор — коллекторный или асинхронный. В большинстве ситуацию на механизме присутствует маркировка, но если в вашу руки он попал после ремонта или перестройки, то надёжнее будет обратить внимание на наличие щёток в механизме, расположенных возле коллектора, а также медного барабана, который разделён на равные секции.
Коллекторные двигатели исключительно однофазные и весьма распространены в бытовой технике. Из их преимуществ стоит выделить:
- быстрый старт — сразу после подачи электричества мотор начинает разгоняться с большим числом оборотов;
- удобство реверса — благодаря системе, обратить движение ротора в обратную сторону не составляет труда. Для этого нужно поменять полярность магнитного поля;
- регулировка скорости вращения — меняя амплитуду напряжения и угла отсечки, можно контролировать интенсивность работы ротора.
По этим причинам коллекторные двигатели находят своё применение в бытовой и строительной технике. Однако они имеют и ряд недостатков:
- высокая шумность — при выходе на большие обороты движок начинает очень сильно шуметь. Это сглаживается на малых вращениях, но не так часто;
- сложность техобслуживания — коллекторный двигатель нужно регулярно проверять и чистить. Графит от стирающихся щёток загрязняет токоприёмник и выводит всю систему из строя.
Строение и принцип работы асинхронных двигателей мы уже рассматривали выше. В отличие от коллекторных, такие движки работают практически незаметно даже при большом числе оборотов. Поэтому их используют в технике, которой критично иметь низкие шумовые пределы при продолжительной работе — например, холодильники, кондиционеры и климатические системы.
Обзор моделей
Одними из наиболее популярных являются электродвигатели серии АИР. Существуют модели, исполненные на лапах 1081, и модели комбинированного исполнения – лапы + фланец 2081.
Электродвигатели в исполнении лапы+фланец обойдутся примерно на 5% дороже, чем аналогичные на лапах.
Как правило, производители предоставляют гарантию от 12 месяцев.
Для электродвигателей, имеющих высоту вращения 56-80 мм, исполнение станины алюминиевое. Двигатели с высотой вращения более 90 мм представлены в чугунном исполнении.
Модели различаются между собой по мощности, частоте вращения, высоте оси вращения, КПД.
Чем мощнее двигатель, тем выше его стоимость:
- Двигатель с мощностью 0.18 кВт можно приобрести за 3 тыс. рублей (электродвигатель АИРЕ 56 B2).
- Модель с мощностью 3 кВт будет стоить уже около 10 тыс. рублей (АИРЕ 90 LB2).
Высота оси вращения для моторов с 1 фазой варьируется от 56 мм до 90 мм и напрямую зависит от мощности: чем мощнее двигатель, тем больше высота оси вращения, а значит и цена.
Различные модели имеют разный КПД, обычно от 67% до 75%. Больший КПД соответствует большей стоимости модели.
Следует обратить внимание также на двигатели, выпускаемые итальянской компанией ААСО, основанной в 1982 году:
- Так, электромотор ААСО серии 53, рассчитан специально для применения в газовых горелках. Эти моторы также могут быть использованы в установках для мойки, генераторах теплого воздуха, системах централизованного обогрева.
- Электромоторы серий 60, 63, 71 разработаны для использования в установках водоснабжения. Также, фирма предлагает универсальные двигатели серий 110 и 110 компакт, которые отличаются разнообразной сферой применения: горелки, вентиляторы, насосы, подъемные устройства и другое оборудование.
Купить моторы производства компании ААСО можно по цене от 4600 рублей.
Реверс конденсаторного двигателя
Из-за особенностей механизма, конденсаторный движок подключает реверс только при наличии конденсаторов. Если исключить их из системы, мотор будет включаться, но запуска не произойдёт, так как не генерируется достаточная для старта сила.
Первая схема включает конденсатор, установленный в цепи питания пусковой обмотки. Имея отличный старт, такой механизм сильно проседает в мощности, которая оказывается ниже номинальной. Вторая схема подключения действует обратным образом — подключая конденсатор в цепь рабочей обмотки, вы получаете сравнительно тяжёлый старт, но рабочие характеристики остаются на высоком уровне. Таким образом обе схемы находят своё применение в разных условиях — первая нужна для устройств с тяжёлым пуском, а вторая в устройствах, которым жизненно необходимо рабочие характеристики.
Третий вариант предусматривает установку сразу двух конденсаторов. Чаще всего выбирают именно этот вариант, поскольку он берёт лучшее от обеих схем — отличный старт и приличные рабочие характеристик, но взамен требует более тщательной настройки, регулярного техобслуживания и специальной кнопки ПНВС. При работе активными остаются обе обмотки, и пусковая, и рабочая, причём первая даже при отключении продолжает работать через конденсатор.
Ключевым моментом в реализации реверса при помощи конденсаторов — их правильный выбор. Чтобы правильно рассчитать их характеристики, специалисты используют сложную формулу с несколькими переменными. Однако на практике всё оказывается проще, если соблюдать пару рекомендаций:
- для рабочего конденсатора следует выбирать характеристики в районе 70-80 мкФ на 1 кВт полной мощности двигателя;
- для пускового конденсатора такие показатели должны быть в 2, а то и 3 раза выше;
- напряжение конденсатора должно превосходить напряжение сети минимум в полтора раза. Например, для стандартной однофазной сети в 220 В следует подобрать ёмкость в 330, 380 В или больше.
Отметим, что на рынке электроники присутствуют специализированные конденсаторы, изначально рассчитанные под старт. Они имеют соответствующую маркировку и обеспечивают плавный пуск.
Как запускается
- Фактически, двигатель запускает магнитное поле. Оно начинает вращать ротор – подвижный элемент мотора. Создается оно с помощью двух обмоток: рабочей и пусковой. Пусковая (вспомогательная) по размеру меньше. К электросети ее подключают через индуктивность или емкость. Включается она только в момент запуска. Маломощные моторы обладают замкнутой накоротко пусковой обмоткой.
- Осуществление запуска делается с помощью нажатия на кнопку пуска. Ее удерживают несколько секунд, пока ротор разгоняется.
- Когда кнопка запуска отпускается, перестает работать пусковая обмотка, то есть двигатель переходит в двухфазный режим работы. Его поддерживает соответствующая компонента переменного магнитного поля.
- Пусковая обмотка работает достаточно малое количество времени. Обычно, не более трех секунд. Если увеличить время работы вспомогательной обмотки, двигатель перегреется, что станет причиной возгорания изоляции или поломки всего мотора. Своевременное нажатие пусковой кнопки очень важный момент в работе с однофазным двигателем.
- В электродвигателях обычно имеется центробежный выключатель или тепловое реле. Это повышает надежность корпуса машины.
- Центробежный выключатель нужен для отключения вспомогательной обмотки во время набора скорости ротором. Пользователь в это не вмешивается, так как процесс полностью автоматизирован.
- Тепловое реле нужно, чтобы отключить обе обмотки в случае их перегрева.
Схемы реверса однофазного асинхронного двигателя без вскрытия корпуса
Если вмешиваться в систему автоматического асинхронного двигателя не хочется, по той или иной причине доступ под корпус отсутствует, можно воспользоваться одним из трёх достаточно простых способов реверса.
Переподключение рабочей намотки
Подобную схему подключения мы уже рассматривали выше — он используется чаще всего ввиду простоты. Для него не требуется вскрывать корпус или переворачивать намотку — достаточно просто переподключить клеммы рабочих проводов так, чтобы фаза перешла с начального на конечный контакт, а нуль — наоборот.
Переподключение пусковой обмотки
Система такая же, как и в предыдущем варианте, но с той разницей, что поменять провода придётся уже у пусковой обмотки. После переподключения крутящий момент ротора также должен смениться.
Полная замена обмотки
Если вы хотите создать надёжное подключение, или модель мотора нетипичная (например, с тремя проводами вместо четырёх), стоит полностью заменить обмотку. Для этого используется конденсатор, который присоединяется к конечному выводу, а от проводов пускают реверс-отводки. Плюсом данной схемы является тот факт, что реверс можно контролировать, если соединять провода вручную.
Вариант 1: переподключение рабочей намотки
Чтобы изменить направление вращения двигателя, можно только поменять местами начало и конец рабочей (постоянной включенной) обмотки, как это показано на рисунке. Можно подумать, что для этого придется вскрывать корпус, доставать намотку и переворачивать ее. Этого делать не нужно, потому что достаточно поработать с контактами снаружи:
- Из корпуса должны выходить четыре провода. 2 из них соответствуют началам рабочей и пусковой намоток, а 2 – их концам. Определите, какая пара принадлежит только рабочей обмотке.
- Вы увидите, что к этой паре подсоединены две линии: фаза и ноль. При отключенном двигателе произведите реверс путем перекидывания фазы с начального контакта намотки на конечный, а нуля – с конечного на начальный. Или наоборот.
В результате получаем схему, где точки С и D меняются между собой местами. Теперь ротор асинхронного двигателя будет вращаться в другую сторону.
Выводы
Как можно заметить, реверс однофазного двигателя не является чем-то сложным — наоборот, он широко используется во многих системах и механизмах как часть работы движка. Однако в тех случаях, когда обратное вращение не предусмотрено, приходится искать альтернативный способ реверсировать вращение. В зависимости от конструкции мотора, сделать это можно без разбора всего механизма. Важно только проводить работу с большим вниманием к деталям и со знанием дела, начертить схему, чтобы не возникало проблем и аварийных ситуаций в будущем.
