Как работает двигатель переменного тока: применение, критерии выбора и практическое руководство

Как работает двигатель переменного тока и почему проскальзывание решает почти все

Ротор никогда не улавливает магнитное поле, которое его приводит в движение. Этот недостаток объясняет номинальную скорость, крутящий момент, нагрев, отказы конденсаторов и большинство цифр, выбитых на паспортной табличке.

Тахометр на двигателе вентилятора с частотой 50 Гц и частотой 1300 об/мин показывает близкое к этому значение независимо от того, чистая лопасть или покрыта пылью, и поднимается лишь незначительно, когда воздушный поток блокируется. Установите тот же двигатель за более тяжелым рабочим колесом, и скорость почти не изменится, а ток увеличится. Оба поведения происходят из одного механизма.

Двигатель переменного тока работает, создавая магнитное поле, которое распространяется вокруг статора со скоростью, определяемой частотой питания и числом полюсов, а затем тянет за собой ротор на несколько процентов. Крутящий момент существует только пока ротор отстает. Пусть ротор точно соответствует полю, и нет ни относительного движения, ни наведенного тока, ни крутящего момента вообще.

Если придерживаться этой идеи, некоторые повседневные аргументы станут короче: почему паспортные скорости представляют собой нечетные числа, почему однофазный двигатель гудит, а не запускается, когда высыхает конденсатор, и почему один и тот же корпус нагревается сильнее в нагревателе, чем в вентиляторе.

Вращающееся поле, шаг за шагом

В трехфазном двигателе три обмотки расположены на расстоянии 120 электрических градусов друг от друга и пропускают токи, смещенные на тот же угол. Их поля складываются в единое поле постоянной силы, которое вращается один раз за электрический цикл. Это синхронная скорость: Ns = 120f ÷ P, где f — в герцах, а P — количество полюсов.

1. Ток статора создает поле, которое проходит мимо стержней ротора.
2. Поскольку стержни движутся относительно этого поля, в них индуцируется напряжение, поэтому ротор ведет себя как короткозамкнутая вторичная обмотка.
3. Индуцированные токи создают собственное поле, против которого действует поле статора, и ротор ускоряется в том же направлении.
4. Под нагрузкой ротор приближается к синхронной скорости, но так и не достигает ее. Зазор – скольжение: s = (Ns − Nr) ÷ Ns.
5. Крутящий момент возрастает с проскальзыванием до момента пробоя, затем падает — именно поэтому перегруженный мотор глохнет, а не просто замедляется.

В небольших двигателях общего назначения скольжение при полной нагрузке обычно составляет 2–6%. Двигатели вентиляторов намеренно работают на более высоком уровне, часто на 8–15 %, потому что более пологая кривая крутящего момента обеспечивает стабильный поток воздуха, когда фильтры засоряются и лопасти перегружаются.

Где расположены детали и откуда исходит тепло

Статор представляет собой набор тонких пластин из кремниевой стали, изолированных друг от друга для ограничения вихревых токов, с эмалированными медными обмотками, вставленными в пазы. Ротор представляет собой клетку из литых под давлением алюминиевых или медных стержней, закороченных концевыми кольцами. Воздушные зазоры в небольших двигателях составляют около 0,25–0,5 мм, и именно в этом зазоре происходит передача энергии: любой эксцентриситет проявляется в виде вибрации и шума.

Однофазный двигатель с конденсаторным питанием имеет вторую обмотку и пленочный конденсатор; трехфазный двигатель вообще не имеет конденсатора. Подшипники, обычно закрытые шарикоподшипники, работающие в режиме вентилятора, обеспечивают большую часть срока службы.

Скольжение — это не дефект, который можно устранить с помощью инженерии. Это рабочий зазор между полем и валом — закройте его полностью и мотор ничего не выдаст.

Потери уходят в виде тепла: сопротивление в обеих обмотках, потери сердечника в пластинах, трение и парусность в подшипниках. Небольшие однофазные двигатели часто работают с КПД 30–60%, поэтому выходная мощность вала 45 Вт может потреблять около 90 Вт от стены, и почему материал корпуса и воздушный поток имеют такое же большое значение, как и сама обмотка.

Почему однофазный двигатель не может запуститься самостоятельно

Одна обмотка, питаемая однофазным током, создает пульсирующее, а не вращающееся поле. Оно распадается на два поля, вращающиеся в противоположных направлениях с одинаковой скоростью. В состоянии покоя они точно отключаются, поэтому чистый крутящий момент равен нулю, а ротор только гудит.

• Заштрихованный столб: медное кольцо на каждом полюсе задерживает магнитный поток и обеспечивает небольшой пусковой момент — дешево, тихо, неэффективно, часто встречается у небольших вентиляторов.
• Разделение фазы сопротивления: высокоомная вспомогательная обмотка сдвигает фазу; центробежный переключатель или PTC удаляют его после запуска.
• Конденсаторный пуск: большой электролитический конденсатор обеспечивает высокий пусковой момент насосов и компрессоров.
• Конденсаторный или постоянный разделенный конденсатор: небольшой пленочный конденсатор остается в цепи, повышая коэффициент мощности и снижая уровень шума за счет скромного пускового момента.

Вентиляторы используют конструкции с конденсаторным питанием, поскольку нагрузка при запуске небольшая. Типичный рабочий конденсатор представляет собой металлизированную пленку емкостью несколько микрофарад. Поскольку он теряет емкость (обычной причиной является нагрев), пусковой момент падает, двигатель потребляет больше тока при той же выходной мощности, и обмотка нагревается сильнее. Если двигатель гудит и термозащита продолжает срабатывать, сначала измерьте конденсатор; Влияние рабочего конденсатора на пусковой крутящий момент и эффективность работы обычно это вся история.

Скорость чтения и скольжение с паспортной таблички

Число оборотов, указанное на паспортной табличке, соответствует скорости полной нагрузки при номинальном напряжении, а не скорости холостого хода. Установите синхронную скорость, и вы сможете понять замысел дизайнера.

Таким образом, 1300 об/мин при частоте 50 Гц означает, что четырехполюсный двигатель работает с проскальзыванием около 13% — это специально высокий уровень, чтобы пыльная лопасть не раскачивала воздушный поток. Двигатель подогревателя со скоростью 2800 об/мин является двухполюсным и имеет скольжение примерно 7%; 920 об/мин указывает на шесть полюсов.

Информация Два двигателя могут иметь одинаковую раму, диаметр вала и емкость конденсатора, но при этом иметь скорость вращения 200 об/мин друг от друга. Подтвердите измеренный ток при номинальной нагрузке, а не доверяйте только штампу.

Согласование двигателя с устройством

Рабочий цикл устройства определяет класс двигателя более надежно, чем номинальная мощность.

Для вентиляторов холодного воздуха выбор корпуса — это реальное решение, а не косметическое: алюминиевый корпус быстрее отдает тепло и лучше противостоит коррозии во влажном помещении, чем окрашенная сталь при аналогичной цене. Распространение однофазные двигатели переменного тока с холодным воздухом среди настольных и напольных устройств показывает, насколько большая часть технических характеристик на самом деле касается монтажа и геометрии вала.

Тепловентиляторы переключаются на двухполюсные двигатели, чтобы быстрее вращать меньший вентилятор, и ограничивающим фактором становится температура, а не скорость. Класс изоляции, положение термопредохранителя и собственный путь охлаждения двигателя определяют, выдержит ли он заблокированную решетку холодным утром.

Вытяжки располагаются между конденсаторными двигателями переменного тока в пластиковых корпусах и альтернативами постоянного тока. Жир, пар и чистящие химикаты наносят вред открытым корпусам, поэтому герметизация окупается годами службы, а не децибелами.

Сбои, проверки и что спросить у поставщика

• Подшипники являются обычным предметом с истекшим сроком эксплуатации; Шум появляется задолго до приступа.
• Запустить конденсаторы вместо того, чтобы полностью выйти из строя, происходит дрейф емкости, поэтому двигатель продолжает вращаться, даже если он горячий.
• Изоляция обмоток выходит из строя после длительного перегрева; каждые 10 °C выше номинального значения сокращают срок его службы примерно вдвое.
• Влага и жир меньшее сопротивление изоляции; инкапсулированные пластиковые двигатели гораздо лучше переносят мытье, чем открытые рамы.

Опасность Никогда не заменяйте рабочий конденсатор пусковым. Номинальное напряжение и режим работы различаются, и обмотка вентилятора, который раньше работал годами, может перегреться за считанные минуты.

Предупреждение В обогревателях ограниченная решетка повышает температуру воздуха и сокращает массовый поток, охлаждающий двигатель. Термозащита может срабатывать неоднократно без каких-либо повреждений обмотки.

Успех Утвердите образец на основании доказательств, а не каталога. Запросите скорость и ток, измеренные с использованием настоящего лопасти, повышение температуры при 1,1-кратном номинальном напряжении, ток запертого ротора, номинал конденсатора с допуском, уровень шума при минимальной скорости и номера сертификатов, соответствующие рынку назначения.

Каждое практическое решение относительно двигателя переменного тока возвращается к одной и той же картине: поле, вращающееся с синхронной скоростью, ротор отстает на несколько процентов, и крутящий момент находится в этом зазоре. Номинальная скорость показывает количество полюсов, скольжение показывает режим работы, а конденсатор показывает, как запускается двигатель.

Укажите вместе скорость, скольжение, повышение температуры и метод запуска. Если оценивать по отдельности, каждое число выглядит безобидным; Если судить вместе, они предсказывают, будет ли прибор работать тихо после двух лет ежедневного использования.