Электродвигатели асинхронные с пусковой обмоткой

Электродвигатели асинхронные с пусковой обмоткой: принцип действия, конструкции и применение

Асинхронные электродвигатели с пусковой обмоткой, также широко известные как однофазные двигатели с расщепленной фазой или конденсаторные двигатели, представляют собой класс электрических машин, предназначенных для работы от однофазной сети переменного тока. Основная проблема, решаемая в таких двигателях, – создание вращающегося магнитного поля при питании от одной фазы. В трехфазном двигателе сдвиг фаз в 120° между токами обмоток создается естественным образом питающей сетью. В однофазном же двигателе для создания начального пускового момента и сдвига фаз между магнитными потоками применяется дополнительная, так называемая пусковая или вспомогательная обмотка.

Принцип действия и теория создания пускового момента

Однофазный ток, протекающий по статорной обмотке, создает не вращающееся, а пульсирующее магнитное поле. Такое поле можно математически разложить на два поля, вращающихся в противоположные стороны с одинаковой амплитудой и скоростью. В неподвижном роторе эти поля создают равные по величине, но противоположно направленные моменты, в результате чего результирующий пусковой момент равен нулю. Для того чтобы двигатель начал вращение, необходимо искусственно создать условия, при которых прямой (рабочий) поток будет преобладать над обратным.

Это достигается размещением на статоре второй обмотки (пусковой), пространственно сдвинутой относительно основной (рабочей) обмотки на угол, обычно равный 90 электрических градусов. Для создания необходимого фазового сдвига токов между обмотками последовательно с пусковой обмоткой включается фазосдвигающий элемент. В зависимости от типа этого элемента различают двигатели:

• С резистивным пуском (с активным сопротивлением).
• С индуктивным пуском.
• С конденсаторным пуском.

Наибольшее распространение получили конденсаторные двигатели, так как конденсатор позволяет получить фазовый сдвиг, близкий к 90°, что обеспечивает максимальный пусковой момент при заданном токе. После разгона двигателя до 70-80% номинальной скорости пусковая обмотка, как правило, отключается центробежным выключателем (центробежным реле), чтобы предотвратить ее перегрев и снизить потери. Двигатель продолжает работу только на рабочей обмотке. Это объясняется тем, что при вращении ротора его сопротивление для прямого и обратного полей различно, что приводит к возникновению положительного результирующего момента.

Конструктивные особенности и основные типы

Конструктивно статор асинхронного двигателя с пусковой обмоткой имеет двухфазную обмотку, но питается от однофазной сети. Ротор – короткозамкнутый, обычно типа «беличья клетка». Ключевые отличия заключаются в схеме включения и типе фазосдвигающего элемента.

Двигатели с пусковым конденсатором (Capacitor-Start Induction Motor)

В данной схеме конденсатор (электролитический, рассчитанный на кратковременную работу) включен последовательно с пусковой обмоткой только на период пуска. После разгона центробежный выключатель размыкает цепь пусковой обмотки. Эти двигатели характеризуются высоким пусковым моментом (до 300-350% от номинального) при умеренном пусковом токе. Недостаток – относительно низкий КПД и cos φ в рабочем режиме, так как обмотка статора не является оптимально двухфазной в процессе работы.

Двигатели с рабочим конденсатором (Permanent Split Capacitor Motor – PSC)

В двигателях этого типа конденсатор (бумажный, пленочный, рассчитанный на непрерывную работу) постоянно включен в цепь вспомогательной обмотки. Пусковой момент у таких двигателей невысок (обычно 30-70% от номинального), но они обладают лучшими энергетическими показателями в установившемся режиме, более низким уровнем шума и повышенной надежностью из-за отсутствия центробежного выключателя. Широко применяются в вентиляторах, насосах с легкими условиями пуска.

Двигатели с двойным конденсатором (Capacitor Start Capacitor Run Motor)

Комбинированная схема, использующая два конденсатора: электролитический (пусковой) с большой емкостью, отключаемый после разгона, и бумажный (рабочий) меньшей емкости, постоянно включенный последовательно со вспомогательной обмоткой. Данная конструкция сочетает преимущества предыдущих типов: высокий пусковой момент и хорошие рабочие характеристики. Является наиболее совершенной, но и более дорогой.

Сравнительные характеристики основных типов однофазных асинхронных двигателей

Параметр / Тип двигателя	С пусковым конденсатором (Capacitor-Start)	С рабочим конденсатором (PSC)	С двойным конденсатором (CSCR)
Пусковой момент	Высокий (2.5 – 3.5 Tном)	Низкий (0.3 – 0.7 Tном)	Высокий (2.0 – 3.0 Tном)
Пусковой ток	Умеренный (5 – 7 Iном)	Низкий (3 – 5 Iном)	Умеренный (5 – 7 Iном)
КПД в рабочем режиме	Средний (50-65%)	Высокий (60-75%)	Высокий (65-78%)
Коэффициент мощности (cos φ)	Средний (0.7 – 0.85)	Высокий (0.9 – 0.95)	Высокий (0.9 – 0.98)
Надежность	Средняя (есть центробежный выключатель)	Высокая (нет выключателя)	Средняя (есть центробежный выключатель)
Типичное применение	Компрессоры, поршневые насосы, подъемные механизмы	Вентиляторы, циркуляционные насосы, вентиляционные установки	Оборудование, требующее высокого пускового момента и длительной работы под нагрузкой

Расчет и подбор емкости конденсаторов

Емкость конденсаторов является критическим параметром для корректной работы двигателя. Она зависит от конструкции двигателя, мощности и требуемого фазового сдвига.

• Емкость рабочего конденсатора (C_run) обычно рассчитывается исходя из обеспечения близкого к круговому вращающегося поля в номинальном режиме. Приближенная формула: C_run (мкФ) ≈ (2800
• I_ном) / U_сети, где I_ном – номинальный ток фазы (для схемы ~220В). Более точные значения указаны на шильдике двигателя или в его паспорте.
• Емкость пускового конденсатора (C_start) выбирается в 2-3 раза больше емкости рабочего конденсатора для обеспечения высокого пускового момента. Точное значение также определяется производителем. Важно использовать конденсаторы, рассчитанные на переменное напряжение (AC), причем для пускового конденсатора рабочее напряжение обычно не менее 400-450 В.

Схемы подключения и управление

Типовая схема подключения двигателя с пусковым конденсатором включает в себя:

• Сетевые клеммы (L, N).
• Рабочую обмотку (U1-U2).
• Пусковую обмотку (Z1-Z2).
• Пусковой конденсатор, включенный последовательно с Z1-Z2.
• Центробежный выключатель, размыкающий цепь Z1-Z2 после разгона.

Для реверсирования двигателя необходимо поменять местами выводы либо рабочей, либо пусковой обмотки. Часто для этого на клеммной колодке предусматриваются перемычки.

Области применения и эксплуатационные особенности

Однофазные асинхронные двигатели с пусковой обмоткой являются основным приводом для огромного парка оборудования в условиях, где доступна только однофазная сеть 220 В. Основные области:

• Бытовое и коммерческое оборудование: стиральные машины (активаторного типа), холодильные компрессоры, кондиционеры, вентиляторы, вытяжки.
• Насосное оборудование: скважинные, циркуляционные, дренажные насосы.
• Станки и инструмент: деревообрабатывающие станки, сверлильные станки, компрессоры.
• Системы вентиляции и отопления.

При эксплуатации необходимо контролировать температуру корпуса, не допускать заклинивания вала, следить за состоянием конденсаторов (вздутие, утечка электролита, изменение емкости) и контактов центробежного выключателя.

Преимущества и недостатки по сравнению с другими типами двигателей

Преимущества:

• Возможность работы от однофазной сети.
• Простота конструкции и надежность короткозамкнутого ротора.
• Относительно низкая стоимость.
• Для конденсаторных двигателей – хорошие пусковые и рабочие характеристики.

Недостатки:

• Более низкий КПД и cos φ по сравнению с трехфазными двигателями той же мощности.
• Ограниченная мощность (как правило, до 3-4 кВт) из-за ограничений однофазной сети.
• Наличие изнашиваемых элементов (центробежный выключатель, электролитические конденсаторы).
• Сложность плавного регулирования скорости без применения частотных преобразователей.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Как определить рабочую и пусковую обмотки, если отсутствует маркировка?

Сопротивление рабочей обмотки всегда меньше сопротивления пусковой обмотки. Измерьте омметром сопротивление между всеми выводами. Пара с наименьшим сопротивлением – это выводы рабочей обмотки. Пара с большим сопротивлением – пусковая обмотка. Общая точка (если есть) будет иметь суммарное сопротивление, равное сумме сопротивлений двух обмоток.

Можно ли заменить электролитический пусковой конденсатор на неполярный постоянной емкости?

Нет, это недопустимо. Пусковые конденсаторы (электролитические) специально разработаны для создания большой емкости при малых габаритах и для работы в кратковременном режиме. Постоянный неполярный конденсатор (например, пленочный) той же емкости будет иметь значительно большие размеры и стоимость, а также может не выдержать высоких пусковых токов.

Что будет, если не отключится пусковая обмотка после разгона?

Это приведет к перегреву пусковой обмотки, которая рассчитана на кратковременный режим работы. Обмотка может сгореть, что вызовет межвитковое замыкание или обрыв. Двигатель остановится, а при повторном включении без ремонта не запустится или будет работать с сильным гулом и перегревом.

Почему двигатель гудит, но не вращается, или вращается медленно?

Наиболее вероятные причины: неисправность центробежного выключателя (обмотка не подключается при пуске), обрыв в пусковой обмотке или цепи конденсатора, потеря емкости или пробой пускового конденсатора, механическая перегрузка или заклинивание подшипника.

Как подобрать конденсатор для двигателя, если отсутствуют исходные данные?

Точный подбор требует сложных расчетов или данных производителя. На практике для двигателей мощностью до 1.5 кВ используют эмпирическое правило: на каждые 100 Вт мощности берут примерно 6-7 мкФ рабочей емкости и 15-20 мкФ пусковой емкости (для схемы 220 В, 50 Гц). Однако этот метод приблизителен. Лучше найти аналогичный двигатель и посмотреть его параметры или воспользоваться специальными таблицами.

В чем ключевое отличие двигателя с расщепленной фазой (без конденсатора) от конденсаторного?

В двигателе с расщепленной фазой фазовый сдвиг создается за счет разницы в активном сопротивлении и индуктивности обмоток (пусковая обмотка выполняется из более тонкого провода с большим активным сопротивлением). Такой двигатель имеет очень низкий пусковой момент (около 1.5 T_ном) и высокий пусковой ток. Конденсаторный двигатель, благодаря близкому к 90° сдвигу фаз, при той же мощности имеет в 2-3 раза больший пусковой момент при меньшем пусковом токе.