Как можно инвертировать однофазный двигатель для вращения в другую сторону

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.

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.

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.

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.

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. 

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.

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.

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. https://youtu.be/K_i19LZnNeA