Электродвигатели с пусковой обмоткой силовые

Электродвигатели с пусковой обмоткой: конструкция, принцип действия и применение в силовых установках

Электродвигатели с пусковой обмоткой, относящиеся к классу однофазных асинхронных машин, являются ключевым решением для силовых приводов в условиях отсутствия трёхфазной сети. Их основное назначение – создание вращающего магнитного поля, необходимого для запуска и работы ротора, от одной фазы. Конструктивно такие двигатели оснащены двумя обмотками на статоре: основной (рабочей) и вспомогательной (пусковой). Эти обмотки пространственно сдвинуты относительно друг друга на угол, как правило, 90 электрических градусов. Для создания необходимого фазового сдвига токов между обмотками, достигающего 30-45 градусов, в цепь пусковой обмотки последовательно включается фазосдвигающий элемент – конденсатор, индуктивность или активное сопротивление.

Конструктивные особенности и типы двигателей

Конструкция силового однофазного двигателя с пусковой обмоткой включает следующие основные компоненты:

• Статор: Состоит из шихтованного магнитопровода и двух обмоток. Рабочая обмотка (РО) занимает 2/3 пазов, имеет большее сечение проводника и меньшее активное сопротивление. Пусковая обмотка (ПО) занимает 1/3 пазов, выполняется проводом меньшего сечения и имеет более высокое активное сопротивление.
• Ротор: Короткозамкнутый, типа «беличья клетка», аналогичный применяемому в трёхфазных асинхронных двигателях.
• Пусковое устройство: Может быть механическим (центробежный выключатель) или электронным (реле тока, реле времени). Его функция – отключить пусковую обмотку после разгона ротора до 70-80% номинальной скорости.
• Фазосдвигающий элемент: Определяет тип и характеристики двигателя.

В зависимости от используемого элемента и схемы включения различают три основных типа:

1. Конденсаторные двигатели

Наиболее распространённый и эффективный тип. Конденсатор, включенный последовательно с пусковой обмоткой, обеспечивает оптимальный фазовый сдвиг, что даёт высокий пусковой момент при умеренном пусковом токе. Существуют две модификации:

• С пусковым конденсатором (Capacitor Start): Конденсатор (электролитический, большой ёмкости) работает только в момент пуска и отключается центробежным выключателем. Характеризуются высоким пусковым моментом (до 350% от номинального).
• С рабочим и пусковым конденсатором (Capacitor Start, Capacitor Run): Используются два конденсатора. Пусковой (большой ёмкости) отключается после разгона, а рабочий (бумажный, меньшей ёмкости) остается в цепи постоянно, что улучшает рабочие характеристики, КПД и cos φ.

2. Двигатели с пусковым сопротивлением (Resistance Start)

В качестве фазосдвигающего элемента используется активное сопротивление, которое может быть реализовано самим проводом пусковой обмотки (за счет увеличения его длины и уменьшения сечения) или отдельным резистором. Фазовый сдвиг мал, поэтому пусковой момент низкий (обычно 100-150% от номинального), а пусковой ток высок. Конструкция проще и дешевле конденсаторных. Применяются в устройствах с легкими условиями пуска.

3. Индуктивно-емкостные двигатели

Менее распространенный тип, где для создания фазового сдвига используется индуктивность. Обладают особыми характеристиками, часто используются в специализированном оборудовании.

Принцип действия и схемы включения

При подаче напряжения на основную обмотку создается пульсирующее магнитное поле, которое не может привести ротор во вращение из состояния покоя. Одновременно напряжение через фазосдвигающий элемент подается на пусковую обмотку. Ток в ней сдвинут по фазе относительно тока в рабочей обмотке. Взаимодействие двух переменных магнитных потоков, сдвинутых в пространстве и во времени, создает эллиптическое, а при правильно подобранных параметрах – близкое к круговому, вращающееся магнитное поле. Это поле наводит в короткозамкнутом роторе ЭДС, вызывающую ток, и, как следствие, возникает вращающий момент. После разгона двигателя пусковая обмотка отключается, и ротор продолжает вращение под действием поля рабочей обмотки по принципу однофазного асинхронного двигателя.

Типовая схема включения конденсаторного двигателя с центробежным выключателем:

• Сетевое напряжение (L, N) подается на рабочую обмотку (U1-U2).
• Параллельно через конденсатор (C) и последовательно соединенный центробежный выключатель (ЦВ) подключается пусковая обмотка (Z1-Z2).
• При пуске ЦВ замкнут, обе обмотки под напряжением.
• При достижении заданной скорости ЦВ размыкается, отключая цепь пусковой обмотки и конденсатора.

Расчет и подбор основных параметров

Ключевым параметром при наладке и ремонте является емкость конденсатора. Её приближенный расчет можно выполнить по эмпирическим формулам.

Для двигателей с пусковым конденсатором (С_п):

• По мощности: C_п = (2800
• I) / U, [мкФ], где I – номинальный ток двигателя, А; U – напряжение сети, В.
• По мощности: C_п ≈ (0.7 — 0.8)
• P, [мкФ], где P – мощность двигателя, кВт. Для «звезды» берут коэффициент 0.7, для «треугольника» – 0.8.

Для двигателей с рабочим конденсатором (С_р):

• C_р ≈ 4800 (I / U), [мкФ] или C_р ≈ (0.2 — 0.35) P, [мкФ].

Важно: Рабочее напряжение конденсатора должно быть не менее 1.15

• U_сети. Для пусковых конденсаторов, работающих кратковременно, допустимо использование конденсаторов на напряжение 250-300В AC для сети 220В.

Сравнительные характеристики и область применения

Сравнение типов однофазных двигателей с пусковой обмоткой

Параметр	С пусковым конденсатором (Capacitor Start)	С рабочим и пусковым конденсатором (Capacitor Start & Run)	С пусковым сопротивлением (Resistance Start)
Пусковой момент	Высокий (2.5 — 3.5 Tном)	Высокий (2.0 — 3.0 Tном)	Низкий (1.0 — 1.5 Tном)
Пусковой ток	Умеренный (5 — 7 Iном)	Умеренный (5 — 7 Iном)	Высокий (7 — 9 Iном)
КПД в рабочем режиме	Средний (50-65%)	Высокий (60-75%)	Низкий (45-55%)
Коэффициент мощности (cos φ)	0.7 — 0.8	0.85 — 0.95	0.6 — 0.7
Типовое применение	Компрессоры, мощные насосы, подъемные механизмы, станки	Циркуляционные насосы, вентиляторы, конвейеры с длительной работой	Маломощные вентиляторы, вытяжки, бытовые приборы с легким пуском

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Работа от стандартной однофазной сети 220В.
• Простота конструкции и, как следствие, высокая надежность и ремонтопригодность.
• Относительно высокий пусковой момент у конденсаторных модификаций.
• Более низкая стоимость по сравнению с трехфазными двигателями аналогичной мощности в комплекте с частотным преобразователем.

Недостатки:

• Более низкие энергетические показатели (КПД, cos φ) по сравнению с трехфазными асинхронными двигателями.
• Ограничение по мощности (как правило, до 3-4 кВт) из-за роста пусковых токов и необходимости согласования с возможностями однофазной сети.
• Наличие изнашиваемых механических элементов (центробежный выключатель).
• Зависимость характеристик от состояния и точности подбора конденсатора.

Эксплуатация, диагностика неисправностей и ремонт

Основные неисправности двигателей с пусковой обмоткой и методы их диагностики:

• Двигатель не запускается, гудит. Причины: обрыв в пусковой цепи (обмотка, конденсатор, выключатель), заклинивание ротора. Диагностика: проверка целостности обмоток омметром, проверка конденсатора (визуально на вздутие, прибором на емкость и КЗ), проверка механической части.
• Двигатель запускается медленно, не выходит на номинальную скорость. Причины: низкая емкость конденсатора (высох), повышенное сопротивление в пусковой цепи, межвитковое замыкание. Диагностика: замер емкости конденсатора, проверка сопротивлений обмоток.
• Двигатель перегревается в рабочем режиме. Причины: не отключилась пусковая обмотка (залип центробежный выключатель), неправильно подобран конденсатор, перегруз, проблемы с охлаждением.
• Посторонний шум при работе. Причины: износ подшипников, ослабление креплений, касание ротором статора.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем отличается рабочая и пусковая обмотка при прозвонке мультиметром?

Рабочая обмотка всегда имеет меньшее активное сопротивление (обычно 10-30 Ом для двигателей мощностью 1-2 кВт), чем пусковая (30-70 Ом для той же мощности). Это основной визуально-измерительный признак.

Можно ли подключить трехфазный двигатель на 220В по схеме с конденсатором?

Да, это распространенная практика. Трехфазный двигатель подключается в однофазную сеть 220В по схеме «треугольник» с рабочим конденсатором, включенным параллельно одной из фаз. Однако его мощность на таком подключении упадет на 25-30%, а пусковые характеристики будут хуже, чем у специализированного однофазного двигателя.

Как подобрать конденсатор, если на шильдике двигателя не указана его емкость?

Необходимо использовать эмпирические формулы, приведенные выше. Начать с минимального значения из расчетного диапазона и, контролируя токи по обмоткам и нагрев двигателя под нагрузкой, подобрать оптимальную емкость. Ток в пусковой обмотке с рабочим конденсатором не должен превышать номинальный.

Что будет, если конденсатор выбран большей или меньшей емкости, чем требуется?

При завышенной емкости ток через пусковую обмотку возрастет, что вызовет ее перегрев и возможное разрушение. При заниженной емкости фазовый сдвиг будет недостаточным, пусковой момент снизится, двигатель может не запуститься или будет разгоняться медленно. Оба случая ведут к снижению КПД и перегреву двигателя.

Почему после отключения и быстрого повторного включения двигатель не запускается?

На конденсаторе, особенно пусковом электролитическом, сохраняется остаточный заряд, создающий тормозящий момент. Необходимо выждать 10-15 секунд для полной разрядки конденсатора через разрядный резистор или собственную утечку.

Можно ли заменить электролитический пусковой конденсатор на неполярный пленочный той же емкости?

По емкости – да. Однако пленочные конденсаторы имеют значительно большие габариты и стоимость при одинаковой емкости. Электролитические специально разработаны для кратковременной работы в пусковых режимах. Замена возможна, но не всегда рациональна с точки зрения занимаемого объема.

Каков типовой ресурс и как продлить срок службы такого двигателя?

Ресурс составляет 10-15 лет при правильной эксплуатации. Для его продления необходимо: обеспечивать нормальное охлаждение, не допускать частых пусков под нагрузкой, следить за состоянием конденсаторов (емкость со временем уменьшается) и подшипников, защищать двигатель от перегрузок с помощью теплового реле.