Двухфазный двигатель — особенности, отличия и разновидности

Асинхронные двигатели широко применяются в современной энергетике. Они делятся на несколько шаговых вариантов по числу фаз - от одного до пяти. В этой статье мы расскажем, в каких системах применяются двухфазные моторы, в чём их отличие от других и какой принцип работы за всем этим стоит. Электромотор стал настоящей революцией в энергетике. Однако, несмотря на то, что эта технология сравнительно молодая, сегодня в сфере присутствует множество разновидностей электродвигателей, которые используются повсеместно - от тяжёлой промышленности до частного использования. Однако наиболее популярным и распространённым типом были и являются асинхронные двигатели. Сочетая высокую мощность, КПД и эффективность, они широко применяются в различных сферах промышленности - дерево- и металлообработке, в качестве насосов, на крупных фабриках и станках. Поэтому важно понимать, как устроен асинхронный двигатель, какие у него бывают фазы и двухфазный шаговый вариант будет отличаться от одно- и трехфазного.

Что представляет собой асинхронный двигатель

Асинхронным двигателем называется электрическая машина, способная переводить электрическую энергию в механическую. Получая электроток, она приходит в движение, которое используют непосредственно агрегаты - станки, автомобили и прочее. Асинхронным же двигатель называется, поскольку его магнитное поле всегда вращается быстрее, чем ротор. Для функционирования такого типа электродвигателя используется переменный ток. Таким образом асинхронный двигатель состоит из двух основных узлов - ротора и статора. Будучи отделёнными друг от друга, они формируют магнитное поле между собой, которое и приходит в движение. Статор в свою очередь состоит из:

• корпуса, скрепляющего все механизмы мотора. Как правило, они цельнолитые благодаря простоте изготовления и прочности;
• сердечника, состоящего из пластин из электрической стали. Он увеличивает магнитные и индукционные свойства аппарата;
• обмотки, устанавливается в пазы сердечника. Это катушки из медной проволоки, которая подключается непосредственно к самой сети.

Ротор устроен немного проще и имеет вентиляционную крыльчатку, которая передаёт механическую энергию от статора. Существует два вида роторов:

• массивный - использует цельную схему и ферромагнитного соединения;
• короткозамкнутый - на основе колец проводников.

Несмотря на различия в структуре, работают такие асинхронные двигатели по одному принципу.

Принцип работы

Располагая обмотки и напряжение в 220 Вольт, двигатель создаёт вращающееся магнитное поле. Выступая движущей силой, оно разгоняет ротор, который, в свою очередь, превращает электрическую энергию в механическую и вращает механизм. Двухфазный отличается от остальных соответствующими обмотками. Важно, чтобы обе фазы были расположения под прямым углом друг относительно друга. Таким образом удаётся создать устойчивое вращающееся магнитное поле при помощи идущих токов по принципу, аналогичному трёхфазному варианту. В движение двигатель приходит благодаря постоянным токам, которые появляются в момент взаимодействия результирующего поля с роторными стержнями. Это сочетание позволяет быстро достичь предельной скорости вращения, что обеспечивает эффективность и скорость работы. Однако стоит учитывать, что такой двигатель питается только при наличии сдвига по фазе для одной из обмоток. Поэтому частью двухфазной машины неизменно выступают соответствующие конденсаторы. Сегодня двухфазные двигатели пережили ряд усовершенствований и модернизаций. Самой популярной модификацией являются моторы с полым алюминиевым ротором. Используя вихревые токи в цилиндрах, он быстро разгоняется до предельных скоростей, обеспечивая высокий КПД.

Преимущества и недостатки двухфазного двигателя

Среди преимуществ двухфазного двигателя стоит выделить:

• простоту конструкции. За счёт малого числа элементов асинхронные двухфазные двигатели снижают стоимость при сборке. Поэтому в сравнении с двигателями аналогичной мощности они будут значительно дешевле. Также отсутствие сложных элементов увеличивает надёжность конструкции, а в случае поломки починить его будет куда проще;
• характеристики. Коэффициенты мощности и полезного действия у всех асинхронных двигателей, в том числе и у двухфазных, находятся на весьма высоком уровне. Такие моторы будут мощнее в сравнении с аналогами в той же ценовой категории. Также жёсткая механическая характеристика не допускает больших перепадов скоростей при колебаниях нагрузки - они остаются на одном уровне вне зависимости от подобных скачков;
• мощность. Асинхронные двухфазные двигатели имеют высокие значения допустимого, а также пускового момента на валу. Это позволяет быстро разгонять двигатель до предельных значений без затрат времени;
• эксплуатация. Как уже было указано выше, конструкция электродвигателей с двухфазным подключением весьма проста и имеет не так много отдельных элементов. Таким образом обслуживание таких устройств значительно проще, а вероятность поломки ниже. При своевременной очистке от пыли и подтягивании контактов подключения двигатель без замены подшипников проработает от 15 до 20 лет.

В целом, двухфазные устройства весьма популярные благодаря своей прочности и надёжности. Они не имеют отдельных коллекторных групп, поэтому не образовывают дополнительное трение и тем самым снижают износ двигателя на фоне аналогов. Для питания двигателя не требуются отдельные преобразователи - достаточно подключить их к промышленной сети и запустить.  Однако не стоит забывать и о ряде недостатков, которые не дают асинхронным двигателям занять доминирующую нишу на рынке:

• главной их проблемой является малый пусковой момент. Это несколько ограничивает сферу применения асинхронных двигателей. Например, они используются в манипуляторах, кранах, конвейерах, домашних и офисных инструментах, где вместо высокого пускового момента требуется мощность;
• также стоит отметить высокую реактивную мощность, которую они потребляют при запуске. Дело в том, что несмотря на высокие показатели, она несоизмерима с механической мощностью, поскольку никак не оказывает на неё влияние. Стоит учитывать это при подсчёте энергопотребления оборудования;
• стоит быть внимательным с показателями в принципе, поскольку некоторые значения систем могут оказаться ниже требуемых для потребления на пуске двухфазного асинхронного двигателя. Несоответствие характеристик в результате существенно снижает эффективность работы, а в некоторых случаях может привести к поломке оборудования.

Стоит также рассмотреть, чем же отличаются двигатели с другим числом фаз - одной, тремя и пятью.

В чём отличие трёхфазных двигателей

Принцип работы трёхфазного двигателя не отличается от двухфазного, однако разницу можно заметить в конструкции. Вместо двух магнитных потоков их три, при этом они смещены относительно друг друга в пространстве и времени, что позволяет создать магнитный поток, вращающийся в нужном направлении и с нужной скоростью. Стоит отметить, что при вращении поток создаёт ЭДС в роторных проводниках. В результате ротор продолжает вращаться даже в том случае, если пусковой момент превышает тормозной. Это явление получило название скольжения, который является если не ключевым, то очень важным параметром для двигателя. Именно от него зависит безопасность работы, поскольку достижение критического уровня скольжения снижает стабильность, и двигатель может пострадать от опрокидывания. Таким образом, принцип асинхронного трёхфазного двигателя строится на взаимодействии ротора, создающего магнитное поле, и токов, которые присутствуют в данном поле. При этом без разницы частот вращения полей движение не начнётся. В широком применении униполярные трёхфазные двигатели применяются в циркулярке.

Особенности однофазных двигателей

Любой асинхронный двигатель по своей сути является трёхфазным, поскольку для работы требуется сеть напряжением 380 В и три фазы. Двух- или однофазным двигатель делает подключение двигателя к другой сети, с двумя фазами и низким напряжением. В итоге вместо трёх обмоток питание подаётся всего на две. В отличие от обычной схемы, в этом случае рабочая обмотка является основной и принимает чистую фазу от сети. Для создания вращения же на другую обмотку фаза поступает через посредник, в данном случае некий фазосдвигающий элемент. Чаще всего в этом качестве используются специализированные конденсаторы.  Без посредника однофазная система не сможет набрать достаточно индукции для запуска смещения ротора. Однако после включения необязательно поддерживать напряжение пусковой обмотки, которая подключена к конденсатору - двигатель будет работать в любом случае. Это происходит благодаря конструкции и принципу работы трёхфазного двигателя в целом. Одной из его особенностей является продолжение работы даже в том случае, если один из проводов попросту вышел из строя, и подача тока от него отключилась. Фактически, в этот момент трёхфазная конструкция имитирует однофазную, а результирующее магнитное поле сохраняет вращение. Такие моторы в быту используются в пылесосах.

Пятифазные двигатели

На фоне перечисленных выше вариантов пятифазные двигатель гораздо больше похож на двухфазный из-за особенностей конструкции. В большинстве случаев для работы хватает и обычного, однако пятифазный двигатель находит своё применение в тех случаях, когда системе не хватает разрешения, разгона и торможения. Кроме того он имеет сниженную вибрацию и повышенную точность. В чём же состоит отличие этих моторов? В первую очередь в конструкции - 2-фазный двигатель имеет восемь магнитных полюсов, в то время как 5-фазный целых десять. Каждый из них оснащён обмоткой, что приводит нас ко второму важному отличию - числу фаз. Как легко понять по названию двигателя, в двухфазном их всего две, условно обозначаемые как А и В. Пятифазные же имеет сразу пять фаз - от А до Е. Таким образом, пока первый вариант мотора работает в строго ограниченном режиме, второй может с лёгкостью переключаться между разными параметрами, подключая фазы в различных комбинациях. Это позволяет широко варьировать производительность, стабильность и интенсивность работы устройства. Фактически, пятифазный двигатель имеет лучшие характеристики по всем основным параметрам устройства, включая драйвер, но в большинстве случаев они попросту не нужны в системе, поскольку ей достаточно и стандартных мощностей. Таким образом пятифазные двигатели имеют свою, строго ограниченную нишу и не получают широкого распространения - перед покупкой стоит проверить описание. 

Выводы

Таким образом асинхронные двигатели заняли прочную нишу в современной индустрии, предлагая множество преимуществ при сравнительно низкой стоимости покупки и обслуживания. Однако стоит отметить, что в большинстве систем используются в первую очередь универсальные трёхфазные моторы, которые при этом могут свободно конвертироваться в однофазные при определённых параметрах системы. Двухфазные двигатели же имеют свою собственную нишу, которую они делят вместе с пятифазными. Обладая иными параметрами и особенностями системы, они находят своё применение в автоматических устройствах, таких как компенсационные или мостовые системы. Кроме того, благодаря возможности регулировать ряд ключевых параметров, такие моторы имеют простое управление и будут меньше греться. Например, можно изменять вращающий момент и частоты вращения через фазы напряжения двух обмоток. А умельцы изготавливают такие моторы из автомобильного генератора. https://youtu.be/H3J5K8w6UY4