Электродвигатели силовые однофазные
Электродвигатели силовые однофазные: принцип действия, конструкция, применение и выбор
Однофазные силовые электродвигатели представляют собой класс асинхронных машин, предназначенных для работы от стандартной бытовой или промышленной однофазной сети переменного тока с напряжением 220 В (реже 110 В или 230/240 В). Их ключевая особенность — способность создавать вращающееся магнитное поле и, соответственно, пусковой момент при питании от одной фазы, что предопределяет специфические конструктивные решения по сравнению с трехфазными аналогами. Основная область применения — приводы оборудования, где трехфазная сеть недоступна или нецелесообразна: в бытовой технике, системах вентиляции, насосном оборудовании, станках малой мощности, компрессорах и сельскохозяйственных агрегатах.
Принцип действия и проблема пуска
Однофазный ток, протекая по единственной обмотке статора (главной или рабочей), создает не вращающееся, а пульсирующее магнитное поле. Такое поле можно представить как сумму двух полей, вращающихся в противоположных направлениях с одинаковой скоростью. В неподвижном роторе их моменты уравновешиваются, и результирующий пусковой момент равен нулю. Для создания начального момента и определения направления вращения в конструкцию двигателя вводится дополнительная (пусковая или вспомогательная) обмотка, смещенная в пространстве относительно основной на 90 электрических градусов. Для создания фазового сдвига тока в этой обмотке, необходимого для формирования эллиптического вращающегося поля, применяют фазосдвигающие элементы: активные резисторы, конденсаторы или индуктивности.
Основные типы однофазных асинхронных двигателей
Классификация основана на способе создания пускового момента и схеме подключения вспомогательной обмотки.
1. Двигатели с пусковой обмоткой и пусковым сопротивлением (бифилярные)
Вспомогательная обмотка выполняется из провода меньшего сечения с более высоким активным сопротивлением (или последовательно с ней включается резистор). Это создает незначительный фазовый сдвиг (5-10 градусов), достаточный для пуска. После разгона ротора до 70-80% номинальной скорости центробежный выключатель (пусковое реле) отключает пусковую обмотку. Двигатели имеют умеренный пусковой момент (0.5-1.0 от номинального), просты и дешевы, но обладают низким КПД. Применяются в маломощных устройствах: вытяжных вентиляторах, малых насосах.
2. Конденсаторные двигатели
Наиболее распространенный и эффективный тип. Фазовый сдвиг создается путем последовательного подключения конденсатора к вспомогательной обмотке. Различают три основных вида:
- С пусковым конденсатором (Capacitor Start): Конденсатор (электролитический, большой емкости) работает только в момент пуска, отключаясь центробежным выключателем. Обеспечивают высокий пусковой момент (2.5-3.5 от номинального). Применяются в компрессорах, мощных насосах, подъемных механизмах.
- С рабочим конденсатором (Capacitor Run): Конденсатор (бумажный, пленочный, малой емкости) постоянно включен в цепь вспомогательной обмотки. Двигатель работает с улучшенными энергетическими показателями (выше КПД и cos φ), но имеет низкий пусковой момент (0.3-0.8 от номинального). Используются в длительно работающих устройствах: вентиляторах, циркуляционных насосах.
- С пусковым и рабочим конденсаторами (Capacitor Start and Run): Комбинированная схема. В момент пуска включены оба конденсатора (параллельно), после разгона пусковой отключается. Сочетает высокий пусковой момент и хорошие рабочие характеристики. Наиболее универсальны, но и дороже.
- Номинальная мощность (Pн): Обычно от 0.06 до 3 кВт, реже до 10 кВт. Основной диапазон бытового применения — 0.25-2.2 кВт.
- Номинальное напряжение и частота сети: 220 В, 50 Гц (в некоторых регионах 230 В/60 Гц или 110 В/60 Гц).
- Синхронная частота вращения (nс): Зависит от числа пар полюсов: 3000 об/мин (2p=2), 1500 об/мин (2p=4), 1000 об/мин (2p=6).
- КПД (η): У конденсаторных двигателей с рабочим конденсатором — 50-75%, у двигателей с пусковым конденсатором — 45-65%, у двигателей с экранированными полюсами — 15-35%.
- Коэффициент мощности (cos φ): У конденсаторных двигателей — 0.7-0.95, у двигателей с экранированными полюсами — 0.3-0.6.
- Пусковой момент (Mп/Mн): Отношение пускового момента к номинальному. Критический параметр для выбора типа двигателя.
- Способ охлаждения: IC 0141 (самовентиляция с наружным обдувом крыльчаткой на валу) — наиболее распространен.
- Характер нагрузки: Для механизмов с тяжелым пуском (компрессоры, поршневые насосы) требуются двигатели с высоким пусковым моментом (конденсаторные пусковые). Для вентиляторов, центробежных насосов подойдут двигатели с рабочим конденсатором.
- Продолжительность включения (ПВ): Для длительной работы (S1) выбирают двигатели с рабочим конденсатором, для кратковременных или повторно-кратковременных режимов (S2, S3) могут подойти и более простые типы.
- Требования к энергоэффективности: В системах с длительной эксплуатацией (циркуляционные насосы) предпочтительны двигатели с высоким КПД и cos φ.
- Необходимость реверса и регулирования скорости: Реверс осуществляется переключением концов пусковой обмотки. Регулирование скорости однофазных АД сложно и малоэффективно; обычно применяются тиристорные регуляторы напряжения (с потерей момента) или частотные преобразователи со специальными однофазными выходными каскадами.
- Uсети (для 220В — от 400В). Для пускового конденсатора применяют электролитические, для рабочего — только неполярные (бумажные, пленочные).
3. Двигатели с экранированными полюсами (Shaded-Pole)
Конструктивно самые простые и дешевые. На части каждого полюса статора размещается короткозамкнутый виток (медное кольцо). Магнитный поток в экранированной части полюса отстает по фазе, создавая бегущее поле в направлении от неэкранированной к экранированной части. Пусковой момент очень низкий (0.3-0.5 от номинального), КПД также низкий (15-30%). Реверс, как правило, невозможен или сложен. Применяются в маломощных устройствах, не требующих большого момента: кулерах, вентиляторах обдува, проигрывателях.
Конструктивные особенности и основные параметры
Конструкция включает статор с двухфазной (основная и вспомогательная) обмоткой, короткозамкнутый ротор типа «беличья клетка», корпус, подшипниковые щиты и, часто, пусковую аппаратуру. Ключевые параметры для выбора:
Сравнительная таблица типов однофазных двигателей
| Параметр / Тип двигателя | С пусковым сопротивлением | С пусковым конденсатором | С рабочим конденсатором | С экранированными полюсами |
|---|---|---|---|---|
| Пусковой момент (отн. ед.) | 0.5 – 1.0 | 2.5 – 3.5 | 0.3 – 0.8 | 0.3 – 0.5 |
| КПД | Низкий (40-55%) | Средний (45-65%) | Высокий (50-75%) | Очень низкий (15-35%) |
| Коэффициент мощности (cos φ) | 0.5 – 0.7 | 0.7 – 0.9 | 0.8 – 0.95 | 0.3 – 0.6 |
| Сложность и стоимость | Низкие | Средние | Средние/Высокие | Очень низкие |
| Возможность реверса | Да (переключением обмоток) | Да (переключением обмоток) | Да (переключением обмоток) | Как правило, нет |
| Типовое применение | Малые вентиляторы, насосы | Компрессоры, мощные насосы, станки | Вентиляторы, циркуляционные насосы, транспортеры | Маломощные вентиляторы, кулеры |
Критерии выбора и особенности монтажа
Выбор двигателя осуществляется на основе анализа режима работы механизма:
При монтаже необходимо обеспечить надежное заземление корпуса, соответствие сечения питающего кабела току двигателя (с учетом пускового тока, который может в 5-7 раз превышать номинальный), защиту от перегрузок и короткого замыкания с помощью автоматических выключателей с характеристикой срабатывания «C» или «D» и тепловых реле. Конденсаторы должны быть установлены вблизи двигателя, а для пусковых конденсаторов обязательна установка разрядного резистора.
Часто задаваемые вопросы (FAQ)
1. Можно ли подключить трехфазный двигатель в однофазную сеть 220В?
Да, с использованием фазосдвигающего конденсатора (рабочего и пускового) по схеме «треугольник» или «звезда». Однако мощность двигателя при таком подключении используется лишь на 60-75% от номинальной, пусковые характеристики ухудшаются, а настройка емкости конденсатора требует точного расчета.
2. Как определить обмотки (основную и пусковую) у однофазного двигателя?
Основная обмотка имеет меньшее активное сопротивление (обычно 10-50 Ом для двигателей мощностью 0.5-2 кВт). Пусковая обмотка имеет большее сопротивление (в 2-4 раза). Измерения производятся омметром на клеммной колодке. Общий провод — точка соединения обмоток.
3. Почему греется однофазный двигатель в рабочем режиме?
Возможные причины: перегрузка на валу, повышенное напряжение сети, неисправность конденсатора (потеря емкости, что приводит к перегреву вспомогательной обмотки), нарушение условий охлаждения, износ подшипников, межвитковое замыкание в обмотках.
4. Как подобрать конденсатор для конденсаторного двигателя?
Емкость рабочего конденсатора (Cраб) ориентировочно выбирается из расчета 0.7-0.8 мкФ на 100 Вт мощности двигателя. Емкость пускового конденсатора (Cп) должна быть в 2-3 раза больше (обычно 20-100 мкФ). Точные значения указаны на шильдике двигателя или в его паспорте. Напряжение конденсатора должно быть не менее 1.5
5. В чем главные преимущества и недостатки однофазных двигателей перед трехфазными?
Преимущества: Возможность работы от бытовой сети, простота конструкции (для некоторых типов), более низкая стоимость приводной системы (не нужен частотный преобразователь для подключения к однофазной сети).
Недостатки: Более низкие энергетические показатели (КПД, cos φ) при одинаковой мощности, ограничение по максимальной мощности (обычно до 3-4 кВт), наличие пусковой аппаратуры, худшие пусковые характеристики у большинства типов (кроме конденсаторных пусковых), сложность плавного регулирования скорости.
Заключение
Однофазные силовые электродвигатели являются незаменимым решением для широкого спектра оборудования, работающего в условиях отсутствия трехфазной сети. Многообразие типов (конденсаторные, с пусковым сопротивлением, с экранированными полюсами) позволяет оптимально подобрать привод под конкретные требования по пусковому моменту, продолжительности работы и энергоэффективности. Правильный выбор, монтаж и обслуживание, особенно контроль состояния конденсаторов и центробежного выключателя, являются залогом долговечной и надежной работы электропривода. При проектировании новых систем следует учитывать тенденцию к постепенному вытеснению классических однофазных АД в некоторых сегментах более управляемыми и эффективными коллекторными двигателями или системами на основе трехфазных АД с частотными преобразователями, имеющими однофазный вход.