Электродвигатели 220 В с пусковой обмоткой
Электродвигатели 220 В с пусковой обмоткой: устройство, принцип действия, схемы подключения и особенности эксплуатации
Электродвигатели переменного тока 220 В с пусковой обмоткой, также известные как однофазные асинхронные двигатели с пусковым элементом (конденсаторные или с пусковым сопротивлением), представляют собой широко распространенный класс электрических машин. Они предназначены для эксплуатации в бытовой сети однофазного тока и применяются в насосном оборудовании, вентиляционных установках, станках, компрессорах и другой технике, где отсутствует трехфазная сеть. Ключевая особенность данных двигателей — наличие вспомогательной (пусковой) обмотки, смещенной в пространстве относительно основной (рабочей) обмотки, что создает вращающееся магнитное поле, необходимое для запуска ротора.
Принцип действия и теория пуска
Однофазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, при подаче напряжения только на одну обмотку статора, создает не вращающееся, а пульсирующее магнитное поле. Такое поле не может обеспечить начальный пусковой момент — ротор останется неподвижным. Для создания кругового вращающегося поля необходимо как минимум две обмотки, пространственный сдвиг между которыми составляет 90 электрических градусов, и питаемые токами, сдвинутыми по фазе во времени.
Именно эту задачу решает пусковая обмотка. Она размещается в пазах статора со смещением относительно рабочей обмотки. Для создания необходимого фазового сдвига токов в цепь пусковой обмотки последовательно включается фазосдвигающий элемент: либо конденсатор (в конденсаторных двигателях), либо активное сопротивление (в двигателях с повышенным сопротивлением пусковой обмотки, реже). После разгона двигателя до подсинхронной скорости (обычно 70-80% от номинальной) пусковая обмотка отключается центробежным выключателем (центробежным реле) или реле времени. Далее двигатель работает только на рабочей обмотке, используя явление вращающегося поля, создаваемого уже вращающимся ротором.
Конструктивные особенности и основные компоненты
Конструктивно двигатель состоит из следующих ключевых узлов:
- Статор: Собирается из листов электротехнической стали. В его пазах уложены две обмотки: рабочая (основная) и пусковая (вспомогательная). Рабочая обмотка занимает около 2/3 пазов, пусковая — 1/3. Обмотки имеют разные номиналы по сопротивлению и сечению провода.
- Ротор: Короткозамкнутый, типа «беличья клетка», выполненный из алюминиевого сплава или меди.
- Пусковое устройство: Может быть двух типов:
- Конденсатор: Электролитический (для пусковых конденсаторов) или бумажный/пленочный (для рабочих). Пусковые конденсаторы имеют большую удельную емкость и рассчитаны на кратковременную работу (не более 3-5 секунд за пуск).
- Активное сопротивление: В виде бифилярной намотки пусковой обмотки (повышающей ее индуктивное сопротивление) или реже — дополнительного резистора.
- Коммутационный аппарат:
- Центробежный выключатель: Устанавливается на валу ротора. При достижении заданной скорости вращения грузики под действием центробежной силы размыкают контакты, отключая пусковую цепь. При остановке двигателя контакты замыкаются.
- Пусковое реле: Чаще всего реле напряжения или тока. Реле тока срабатывает по уменьшению тока в цепи после разгона, реле напряжения — по повышению напряжения на пусковой обмотке.
- Корпус, подшипниковые щиты, вентилятор охлаждения.
- I) / U, где I — номинальный ток двигателя (А), U — напряжение сети (В), Cp — емкость (мкФ).
- I) / U.
- Двигатель не запускается, гудит. Наиболее вероятная причина — обрыв в цепи пусковой обмотки или неисправность пускового устройства (конденсатор, центробежный выключатель, реле). Необходимо проверить целостность обмоток тестером, проверить конденсатор на емкость и КЗ, убедиться в работоспособности центробежного механизма.
- Низкий пусковой момент, медленный разгон. Частая причина — потеря емкости пускового конденсатора (высыхание электролита). Требуется замена конденсатора.
- Перегрев двигателя в рабочем режиме. Возможные причины: неправильно подобранный рабочий конденсатор (емкость выше требуемой), неотключившаяся пусковая обмотка из-за залипания контактов центробежного выключателя, повышенная механическая нагрузка, проблемы с вентиляцией.
- Посторонний шум, вибрация. Могут указывать на износ подшипников, нарушение соосности, ослабление крепления двигателя или межвитковое замыкание в обмотках.
- Циркуляционные и скважинные насосы.
- Компрессоры в холодильном оборудовании и пневмоинструменте.
- Станки (сверлильные, заточные, деревообрабатывающие).
- Вентиляторы и вытяжные установки большой мощности.
- Подъемные механизмы (лебедки, гаражные ворота).
Схемы подключения и характеристики
Существует две основные схемы включения пусковой обмотки: с пусковым конденсатором (Capacitor Start) и с рабочим конденсатором (Capacitor Run). Двигатели 220 В с пусковой обмоткой чаще реализуют первую схему или комбинированную (Capacitor Start and Run).
Схема с пусковым конденсатором (Capacitor Start Induction Motor)
В данной схеме конденсатор включен последовательно с пусковой обмоткой и работает только в момент пуска. Он обеспечивает максимальный фазовый сдвиг (близкий к 90°), что дает высокий пусковой момент. После отключения обмотки двигатель работает в однофазном режиме.
Преимущества: Высокий пусковой момент (до 200-350% от номинального).
Недостатки: Большие пусковые токи, сниженный КПД и перегрузочная способность в рабочем режиме.
Схема с рабочим и пусковым конденсаторами (Capacitor Start and Run)
Более совершенная схема. В ней параллельно пусковому конденсатору (Сп), отключаемому после разгона, постоянно включен рабочий конденсатор (Ср) меньшей емкости. Рабочий конденсатор оптимизирует работу двигателя под нагрузкой, повышая КПД, cos φ и перегрузочную способность.
| Параметр | С пусковым конденсатором (Capacitor Start) | С рабочим и пусковым конденсаторами (Capacitor Start and Run) |
|---|---|---|
| Пусковой момент | Высокий (2.0-3.5 Tном) | Высокий (1.5-3.0 Tном) |
| КПД в рабочем режиме | Средний (50-65%) | Высокий (60-75%) |
| Коэффициент мощности (cos φ) | Низкий (0.5-0.7) | Высокий (0.8-0.95) |
| Уровень шума | Повышенный | Пониженный |
| Тип конденсатора | Пусковой (электролитический) | Пусковой (электролит.) + Рабочий (пленочный/бумажный) |
| Типичная емкость на 1 кВт мощности | 70-120 мкФ | Сп = 70-120 мкФ; Ср = 20-40 мкФ |
Расчет и подбор конденсаторов
Емкость пускового конденсатора выбирается, исходя из необходимого пускового момента. Точный расчет сложен, на практике используют эмпирические формулы и таблицы.
Ориентировочная формула для емкости пускового конденсатора: Cp = (2800
Для рабочего конденсатора: Cр = (4800
Полученные значения являются стартовыми и требуют корректировки под конкретные условия работы по току и температуре обмоток.
| Мощность двигателя, кВт | Ток (приблизительно), А | Емкость пускового конденсатора, мкФ | Емкость рабочего конденсатора, мкФ |
|---|---|---|---|
| 0.5 | 2.5 | 80 | 25-30 |
| 1.0 | 4.5 | 100-120 | 35-40 |
| 1.5 | 6.5 | 150 | 50-60 |
| 2.0 | 8.0 | 200 | 65-80 |
| 2.5 | 10.0 | 250 | 80-100 |
Важно: Рабочее напряжение конденсаторов должно быть не менее 400-450 В для пусковых и не менее 450-630 В для рабочих, учитывая броски напряжения и самоиндукцию.
Типовые неисправности и диагностика
Сфера применения и ограничения
Двигатели 220 В с пусковой обмоткой применяются там, где требуется надежный пуск под нагрузкой и доступна только однофазная сеть:
Ограничения: По сравнению с трехфазными асинхронными двигателями, однофазные имеют более низкий КПД, cos φ, перегрузочную способность и больший нагрев. Мощность таких двигателей, как правило, ограничена 3-4 кВт из-за высоких пусковых токов и ограничений бытовой сети.
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Чем отличается рабочая обмотка от пусковой?
Рабочая обмотка выполнена проводом большего сечения, имеет меньшее активное сопротивление (обычно в 1.5-2 раза меньше) и занимает 2/3 пазов статора. Пусковая обмотка — проводом меньшего сечения, с большим сопротивлением, занимает 1/3 пазов. Точное определение проводится по паспортным данным или измерению сопротивления омметром.
Можно ли поменять направление вращения вала двигателя с пусковой обмоткой?
Да. Для изменения направления вращения необходимо поменять местами концы пусковой обмотки относительно схемы подключения. То есть переключить выводы пусковой обмотки (например, концы, идущие на конденсатор и на общую точку).
Что будет, если пусковой конденсатор останется включенным постоянно?
Это приведет к перегреву пусковой обмотки, рассчитанной на кратковременный режим работы, и ее выходу из строя. Электролитический пусковой конденсатор также может вздуться и разрушиться из-за перегрева.
Как проверить исправность центробежного выключателя?
При остановленном двигателе контакты выключателя должны быть замкнуты (проверяется прозвонкой). Вращая вал рукой и слушая щелчок, можно определить момент размыкания контактов (обычно при 70-80% от номинальной скорости). Механизм должен быть чистым от окислов и пыли.
Можно ли заменить электролитический пусковой конденсатор на неполярный пленочный той же емкости?
С точки зрения создания фазового сдвига — да. Однако для получения той же емкости пленочный конденсатор будет иметь значительно большие габариты и стоимость. Это допустимо для эксперимента, но нерационально в серийной эксплуатации. Важно соблюдать номинальное напряжение.
Почему двигатель сильно греется даже без нагрузки?
Возможные причины: завышенная емкость рабочего конденсатора (если он есть), межвитковое замыкание в обмотках, неисправность подшипников (затрудненное вращение), неотключившаяся пусковая обмотка, низкое напряжение в сети.
Как подобрать конденсатор, если шильдик двигателя утерян?
Необходимо определить номинальный ток двигателя косвенно (по мощности и напряжению) или экспериментально под нагрузкой. Использовать эмпирические формулы и таблицы, начиная с меньшей емкости. Обязательно контролировать токи в обмотках и нагрев двигателя при пробных пусках под нагрузкой. Рекомендуется искать данные по типоразмеру двигателя.