Электродвигатели для привода однофазные
Электродвигатели для привода однофазные: конструкция, принцип действия, классификация и применение
Однофазные асинхронные электродвигатели (АД) представляют собой класс электрических машин, предназначенных для работы от стандартной бытовой или промышленной однофазной сети переменного тока с напряжением 220 В (реже 110 В или 230/240 В) и частотой 50 Гц (или 60 Гц). В отличие от трехфазных двигателей, они не обладают собственным пусковым моментом при подключении к сети из-за особенностей создания вращающегося магнитного поля. Это определяет их специфическую конструкцию и схемы включения.
Принцип действия и проблема пуска
При подаче однофсигнала на обмотку статора создается не вращающееся, а пульсирующее магнитное поле. Такое поле можно представить как сумму двух полей, вращающихся в противоположные стороны с одинаковой скоростью. В неподвижном состоянии ротора моменты, создаваемые этими полями, равны и компенсируют друг друга, результирующий пусковой момент равен нулю. Для создания начального момента необходимо искусственно сместить магнитное поле, то есть создать «фазу» между токами в обмотках. Это достигается за счет введения вспомогательной (пусковой) обмотки, смещенной в пространстве относительно основной (рабочей) обмотки, и включения в ее цепь фазосдвигающего элемента.
Основные типы однофазных асинхронных двигателей
Классификация осуществляется по способу создания пускового момента и конструктивным особенностям.
1. Двигатели с пусковой обмоткой и конденсаторным пуском (Capacitor-Start Induction Run Motors)
Наиболее распространенный тип для механизмов с тяжелым пуском. В цепь вспомогательной обмотки последовательно включается электролитический конденсатор, рассчитанный на кратковременную работу (обычно не более 3 секунд). Он обеспечивает значительный фазовый сдвиг и высокий пусковой момент (до 300-350% от номинального). После разгона двигателя до 70-80% номинальной скорости центробежный выключатель (пусковое реле) отключает пусковую обмотку и конденсатор. Дальнейшая работа происходит только на рабочей обмотке.
- Преимущества: Высокий пусковой момент, относительно простая конструкция.
- Недостатки: Низкий КПД и коэффициент мощности в рабочем режиме, пусковой конденсатор подвержен износу.
- Применение: Компрессоры, поршневые насосы, мощные вентиляторы, подъемные механизмы.
- Преимущества: Высокий пусковой момент, повышенные КПД и cos φ в рабочем режиме, более плавная работа.
- Недостатки: Более высокая стоимость, два конденсатора требуют места в корпусе.
- Применение: Циркуляционные насосы, вентиляционные установки, деревообрабатывающие станки.
- Преимущества: Простота, надежность, низкий уровень шума, возможность плавного регулирования скорости изменением напряжения.
- Недостатки: Низкий пусковой момент.
- Применение: Вентиляторы, нагнетатели, маломощные насосы, приводы бытовой техники.
- Преимущества: Крайняя простота, отсутствие пусковых устройств и конденсаторов, высокая надежность.
- Недостатки: Очень низкий КПД (15-30%), низкий cos φ, малый пусковой момент, нереверсивны без конструктивных изменений.
- Применение: Маломощные устройства: кулеры, проигрыватели, заслонки, сушилки для рук.
- Бытовая техника и системы вентиляции: Стиральные и посудомоечные машины (PSC), холодильники и кондиционеры (с пусковым конденсатором), вытяжные и приточные вентиляторы (PSC, shaded-pole).
- Насосное оборудование: Скважинные, циркуляционные, дренажные насосы (конденсаторные и PSC).
- Станкостроение: Приводы малогабаритных токарных, сверлильных, деревообрабатывающих станков.
- Коммерческое оборудование: Компрессоры, вентиляторы тепловых пушек, миксеры, подъемные механизмы малой мощности.
2. Конденсаторные двигатели (Capacitor-Start Capacitor-Run Motors или Two-Value Capacitor Motors)
Имеют две параллельные ветви конденсаторов: пусковую (электролитическую) и рабочий (бумажный, пленочный). Пусковая ветвь отключается после разгона, а рабочий конденсатор остается в цепи вспомогательной обмотки постоянно. Это позволяет оптимизировать рабочие характеристики.
3. Двигатели с постоянно включенным конденсатором (Permanent Split Capacitor Motors — PSC)
Имеют только одну фазосдвигающую емкость, которая постоянно включена в цепь вспомогательной обмотки. Пусковой момент невысок (обычно 30-80% от номинального), но конструкция максимально упрощена (отсутствует центробежный выключатель).
4. Двигатели с экранированными полюсами (Shaded-Pole Motors)
Самые простые и дешевые однофазные двигатели. Для создания вращающегося поля используется короткозамкнутый виток (медное кольцо), охватывающий часть каждого полюса статора. Магнитный поток в экранированной части полюса отстает по фазе, что создает бегущее поле в направлении от неэкранированной к экранированной части.
Конструктивные особенности и материалы
Статор однофазного АД набирается из изолированных листов электротехнической стали для снижения потерь на вихревые токи. В пазах укладываются две обмотки: основная (рабочая) и вспомогательная (пусковая), смещенные в пространстве на 90 электрических градусов. Ротор – всегда короткозамкнутый, типа «беличья клетка», выполненный из алюминиевого или медного сплава. Подшипниковые щиты обычно содержат шарикоподшипники качения или, в маломощных моделях, подшипники скольжения. Корпус чаще всего алюминиевый (для лучшего теплоотвода) или стальной.
Основные технические характеристики и параметры выбора
При подборе однофазного электродвигателя для привода необходимо учитывать следующие ключевые параметры:
| Параметр | Описание и единицы измерения | Влияние на выбор |
|---|---|---|
| Номинальная мощность (PN) | Мощность на валу, развиваемая в продолжительном режиме работы. Измеряется в кВт или л.с. (1 л.с. ≈ 0.736 кВт). | Определяется мощностью, требуемой для привода механизма с учетом запаса 10-15%. |
| Номинальное напряжение и частота | Напряжение питания (В) и частота сети (Гц). Стандарт: 220 В, 50 Гц. | Должны строго соответствовать параметрам питающей сети. |
| Номинальная скорость (nN) | Частота вращения вала при номинальной нагрузке, об/мин. Зависит от числа пар полюсов (2p): 3000 (2p=2), 1500 (2p=4), 1000 (2p=6) об/мин (для 50 Гц). | Выбирается в соответствии с требуемой скоростью приводимого механизма. |
| Пусковой момент (Mп) | Момент, развиваемый двигателем при пуске (n=0). Выражается в Н·м или в % от номинального момента. | Критичен для механизмов с тяжелым пуском (компрессоры, транспортеры). |
| Максимальный (критический) момент (Mmax) | Пиковый момент, который двигатель может развить до остановки. Выражается в % от номинального. | Определяет способность преодолевать кратковременные перегрузки. |
| Коэффициент полезного действия (КПД, η) | Отношение полезной мощности на валу к потребляемой из сети. Указывается в %. | Влияет на энергопотребление и эксплуатационные расходы. У конденсаторных и PSC-двигателей выше. |
| Коэффициент мощности (cos φ) | Косинус угла сдвига между током и напряжением. Безразмерная величина. | Низкий cos φ увеличивает ток в сети и потери. У двигателей с постоянно включенным рабочим конденсатором cos φ выше. |
| Степень защиты (IP) | Код по ГОСТ/МЭК, определяющий защиту от проникновения твердых тел и воды (напр., IP54, IP55). | Выбирается в зависимости от условий окружающей среды (пыль, влага, струи воды). |
| Класс изоляции | Определяет максимально допустимую температуру обмоток (A=105°C, E=120°C, B=130°C, F=155°C, H=180°C). | Влияет на срок службы и перегрузочную способность. Стандарт – класс F или B. |
Схемы подключения и управление
Типовая схема подключения двигателя с пусковым конденсатором включает в себя автоматический выключатель для защиты от КЗ и перегрузки, магнитный пускатель (контактор) для дистанционного управления, тепловое реле для защиты от перегрузки по току, и центробежный выключатель внутри двигателя. Реверс осуществляется переключением полярности одной из обмоток (обычно пусковой) с помощью реверсивной схемы на двух контакторах, исключающей одновременное включение. Регулирование скорости однофазных АД сложно и обычно осуществляется путем изменения напряжения с помощью автотрансформатора или тиристорного регулятора (только для двигателей типа PSC или с вентиляторной нагрузкой). Для точного регулирования используются частотные преобразователи, специально предназначенные для однофазного входа/выхода.
Области применения и ограничения
Однофазные двигатели доминируют в сфере малой механизации и бытового применения, где трехфазная сеть недоступна. Основные области:
Ограничения: Мощность однофазных АД редко превышает 3-4 кВт из-за высоких пусковых токов и неэффективного использования материалов. Для приводов большей мощности экономически и технически целесообразно использовать трехфазные двигатели с частотными преобразователями или пускателями, питаемыми от трехфазной сети.
Тенденции и развитие
Современные тенденции направлены на повышение энергоэффективности (соответствие классам IE2, IE3), интеграцию электронного управления и защиты. Все чаще в приводе используются однофазные двигатели с электронно-коммутируемыми (бесколлекторными, BLDC) двигателями постоянного тока, которые через встроенный инвертор питаются от однофазной сети. Они обеспечивают высокий КПД, широкий диапазон регулирования скорости и момента, но имеют более высокую стоимость и сложную систему управления.
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
1. Почему однофазный двигатель гудит, но не вращается при пуске?
Наиболее вероятные причины: неисправность пускового конденсатора (потеря емкости, обрыв), срабатывание центробежного выключателя (залипание контактов, механический дефект) или обрыв в одной из обмоток (пусковой или рабочей). Необходима проверка целостности обмоток и емкости конденсатора.
2. Можно ли подключить трехфазный двигатель к однофазной сети 220В?
Да, это возможно по схеме с фазосдвигающим конденсатором (рабочим и пусковым). Однако мощность двигателя на валу при таком подключении составит не более 50-70% от номинальной трехфазной мощности, а пусковые характеристики ухудшатся. Схема применима только для двигателей мощностью до 2.2-3 кВт.
3. Как подобрать конденсатор для однофазного двигателя?
Емкость рабочего конденсатора (Cраб, мкФ) ориентировочно рассчитывается по формуле: Cраб = 66 Pном (кВт) для включения «звездой» или Cраб = 110 Pном (кВт) для включения «треугольником». Емкость пускового конденсатора (Cп) выбирается в 2-3 раза больше Cраб. Напряжение конденсаторов должно быть не менее 400-450 В для сети 220 В. Точные значения указаны на шильдике двигателя или в его паспорте.
4. Чем отличается конденсаторный двигатель от двигателя с пусковым конденсатором?
Ключевое отличие – наличие постоянно включенного рабочего конденсатора. В двигателе с пусковым конденсатором вспомогательная обмотка и конденсатор отключаются после разгона. В конденсаторном двигателе часть емкости (рабочий конденсатор) остается в цепи, что улучшает рабочие характеристики (КПД, cos φ, плавность хода), но усложняет и удорожает конструкцию.
5. Почему однофазный двигатель сильно нагревается при работе?
Перегрев может быть вызван: неправильным подбором конденсатора (неверная емкость), повышенной механической нагрузкой на валу, ухудшением условий охлаждения (загрязнение вентиляционных каналов), работой на пониженном напряжении сети, межвитковым замыканием в обмотках или износом подшипников.
6. Как осуществить реверс однофазного конденсаторного двигателя?
Для реверса необходимо поменять местами концы пусковой обмотки относительно рабочей. На клеммнике это обычно реализуется перестановкой перемычек. Важно, чтобы в конструкции двигателя был предусмотрен доступ к выводам обеих обмоток, что характерно для двигателей с пусковым или рабочим конденсатором. Двигатели с экранированными полюсами нереверсивны.