Однофазные электродвигатели. Виды, принцип действия, схемы включения однофазных электродвигателей.

Однофазные электродвигатели

Зачастую основное внимание уделяется изучению трёхфазных электродвигателей, частично в связи с тем, что трёхфазные электродвигатели применяются чаще, чем однофазные. Однофазные электродвигатели имеют тот же принцип действия, что и трёхфазные электродвигатели, только с более низкими пусковыми моментами. Они подразделяются по типам в зависимости от способа пуска.

Стандартный однофазный статор имеет две обмотки, расположенные под углом 90° по отношению друг к другу. Одна из них считается главной обмоткой, другая - вспомогательной, или пусковой. В соответствии с количеством полюсов каждая обмотка может делиться не несколько секций.

На рисунке приведен пример двухполюсной однофазной обмотки с четырьмя секциями в главной обмотке и двумя секциями во вспомогательной.

Следует помнить, что использование однофазного электродвигателя - это всегда, своего рода, компромисс. Конструкция того или иного двигателя зависит, прежде всего, от поставленной задачи. Это значит, что все электродвигатели разрабатываются в соответствии с тем, что наиболее важно в каждом конкретном случае: например, КПД, вращающий момент, рабочий цикл и т.д. Из-за пульсирующего поля однофазные электродвигатели CSIR и RSIR могут иметь более высокий уровень шума по сравнению с двухфазными электродвигателями PSC и CSCR, которые работают намного тише, так как в них используется пусковой конденсатор. Конденсатор, через который производится пуск электродвигателя, способствует его плавной работе.

Основные типы однофазных индукционных электродвигателей

Бытовая техника и приборы низкой мощности работают от однофазного переменного тока, кроме того, не везде может быть обеспечено трёхфазное электропитание. Поэтому однофазные электродвигатели переменного тока получили широкое распространение, особенно в США. Очень часто электродвигателям переменного тока отдают предпочтение, так как их отличает прочная конструкция, низкая стоимость, к тому же они не требуют технического обслуживания.

Как видно из названия, однофазный индукционный электродвигатель работает по принципу индукции; тот же принцип действует и для трёхфазных электродвигателей. Однако между ними есть различия: однофазные электродвигатели, как правило, работают при переменном токе и напряжении 110 -240 В, поле статора этих двигателей не вращается. Вместо этого каждый раз при скачке синусоидального напряжения от отрицательного к положительному меняются полюса.

В однофазных электродвигателях поле статора постоянно выравнивается в одном направлении, а полюса меняют своё положение один раз в каждом цикле. Это означает, что однофазный индукционный электродвигатель не может быть пущен самостоятельно.

Теоретически, однофазный электродвигатель можно было бы запустить при помощи механического вращения двигателя с последующим немедленным подключением питания. Однако на практике пуск всех электродвигателей осуществляется автоматически.

Выделяют четыре основных типа электродвигателей:

• индукционный двигатель с пуском через конденсатор / работа через обмотку (индуктивность) (CSIR),

• индукционный двигатель с пуском через конденсатор/работа через конденсатор (CSCR),

• индукционный двигатель с реостатным пуском (RSIR) и

• двигатель с постоянным разделением емкости (PSC).

На приведённом ниже рисунке показаны типичные кривые соотношения вращающий момент/частота вращения для четырёх основных типов однофазных электродвигателей переменного тока.

Однофазный электродвигатель с пуском через конденсатор/работа через обмотку (CSIR)

Индукционные двигатели с пуском через конденсатор, которые также известны как электродвигатели CSIR, составляют самую большую группу однофазных электродвигателей.

Двигатели CSIR представлены несколькими типоразмерами: от самых маломощных до 1,1 кВт. В электродвигателях CSIR конденсатор последовательно соединён с пусковой обмоткой. Конденсатор вызывает некоторое отставание между током в пусковой обмотке и в главной обмотке.

Это способствует задержке намагничивания пусковой обмотки, что приводит к появлению вращающегося поля, которое влияет на возникновение вращающего момента. После того как электродвигатель наберёт скорость и приблизится к рабочей частоте вращения, открывается пускатель. Далее электродвигатель будет работать в обычном для индукционного электродвигателя режиме. Пускатель может быть центробежным или электронным.

Двигатели CSIR имеют относительно высокий пусковой момент, в диапазоне от 50 до 250 процентов от вращающего момента при полной нагрузке. Поэтому из всех однофазных электродвигателей эти двигатели лучше всего подходят для случаев, когда пусковые нагрузки велики, например для конвейеров, воздушных компрессоров и холодильных компрессоров.

Однофазный электродвигатель с пуском через конденсатор/ работа через конденсатор (CSCR)

Этот тип двигателей, которые коротко называются «электродвигатели CSCR», сочетает в себе лучшие свойства индукционного двигателя с пуском через конденсатор и двигателя с постоянно подключённым конденсатором. Несмотря на то, что из-за своей конструкции эти двигатели несколько дороже других однофазных электродвигателей, они остаются наилучшим вариантом для применения в сложных условиях. Пусковой конденсатор электродвигателя CSCR последовательно соединён с пусковой обмоткой, как и в электродвигателе с пуском через конденсатор. Это обеспечивает высокий пусковой момент.

Электродвигатели CSCR также имеют сходство с двигателями с постоянным разделением емкости (PSC), так как у них пуск тоже осуществляется через конденсатор, который последовательно соединён с пусковой обмоткой, если пусковой конденсатор отключен от сети. Это означает, что двигатель справляется с максимальной нагрузкой или перегрузкой.

Электродвигатели CSCR могут использоваться для работы с низким током полной нагрузки и при более высоком КПД. Это даёт некоторые преимущества, в том числе обеспечивает работу двигателя с меньшими скачками температуры, в сравнении с другими подобными однофазными электродвигателями.

Электродвигатели CSCR - самые мощные однофазные электродвигатели, которые могут использоваться в сложных условиях, например, в насосах для перекачивания воды под высоким давлением и в вакуумных насосах, а также в других высокомоментных процессах. Выходная мощность таких электродвигателей лежит в диапазоне от 1,1 до 11 кВт.

Однофазный электродвигатель с пуском через сопротивление/работа через обмотку (индуктивность) (RSIR)

Данный тип двигателей ещё известен как "электродвигатели с расщеплённой фазой". Они, как правило, дешевле однофазных электродвигателей других типов, используемых в промышленности, но у них также есть некоторые ограничения по производительности.

Пусковое устройство электродвигателей RSIR включает в себя две отдельные обмотки статора. Одна из них используется исключительно для пуска, диаметр проволоки данной обмотки меньше, а электрическое сопротивление - выше, чем у главных обмоток. Это вызывает отставание вращающегося поля, что, в свою очередь, приводит в движение двигатель. Центробежный или электронный пускатель отсоединяет пусковую обмотку, когда частота вращения двигателя достигает, приблизительно, 75% от номинальной величины. После этого электродвигатель продолжит работу в соответствии со стандартными принципами действия индукционного электродвигателя.

Как уже говорилось раньше, для электродвигателей RSIR есть некоторые ограничения. У них низкие пусковые моменты, часто в диапазоне от 50 до 150 процентов от номинальной нагрузки. Кроме того, электродвигатель создаёт высокие пусковые токи, приблизительно от 700 до 1000% от номинального тока. В результате продолжительное время пуска будет вызывать перегрев и разрушение пусковой обмотки. Это означает, что электродвигатели данного типа нельзя использовать там, где необходимы большие пусковые моменты.

Электродвигатели RSIR рассчитаны на узкий диапазон напряжения питания, что, естественно, ограничивает области их применения. Их максимальные вращающие моменты варьируются в пределах от 100 до 250% от расчетной величины. Необходимо также отметить, что дополнительной трудностью является установка тепловой защиты, так как довольно сложно найти защитное устройство, которое срабатывало бы достаточно быстро, чтобы не допустить прогорания пусковой обмотки. Электродвигатели RSIR подходят для использования в небольших приборах для рубки и перемалывания, вентиляторах, а также для применения в других областях, в которых допускается низкий пусковой момент и требуемая выходная мощность на валу от 0,06 кВт до 0,25 кВт. Они не используются там, где должны быть высокие вращающие моменты или продолжительные циклы.

Однофазный электродвигатель с постоянным разделение емкости (PSC)

Как видно из названия, двигатели с постоянным разделением емкости (PSC) оснащены конденсатором, который во время работы постоянно включен и последовательно соединён с пусковой обмоткой. Это значит, что эти двигатели не имеют пускателя или конденсатора, который используется только для пуска. Таким образом, пусковая обмотка становится вспомогательной обмоткой, когда электродвигатель достигает рабочей частоты вращения.

Конструкция электродвигателей PSC такова, что они не могут обеспечить такой же пусковой момент, как электродвигатели с пусковыми конденсаторами. Их пусковые моменты достаточно низкие: 30-90% от номинальной нагрузки, поэтому они не используются в системах с большой пусковой нагрузкой. Это компенсируется за счёт низких пусковых токов - обычно меньше 200% от номинального тока нагрузки, - что делает их наиболее подходящими двигателями для областей применения с продолжительным рабочим циклом.

Двигатели с постоянным разделением емкости имеют ряд преимуществ. Рабочие параметры и частоту вращения таких двигателей можно подбирать в соответствии с поставленными задачами, к тому же они могут быть изготовлены для оптимального КПД и высокого коэффициента мощности при номинальной нагрузке. Так как они не требуют специального устройства пуска, их можно легко реверсировать (изменить направление вращения на обратное). В дополнение ко всему вышесказанному, они являются самыми надёжными из всех однофазных электродвигателей. Вот почему Grundfos использует однофазные электродвигатели PSC в стандартном исполнении для всех областей применения с мощностями до 2,2 кВт (2-полюсные) или 1,5 кВт (4-полюсные).

Двигатели с постоянным разделением емкости могут использоваться для выполнения целого ряда различных задач в зависимости от их конструкции. Типичным примером являются низкоинерционные нагрузки, например вентиляторы и насосы.

Двухпроводные однофазные электродвигатели

Двухпроводные однофазные электродвигатели имеют две главные обмотки, пусковую обмотку и рабочий конденсатор. Они широко используются в США с однофазными источниками питания: 1 ½ 115 В / 60 Гц или 1 ½ 230 В / 60 Гц. При правильном подключении данный тип электродвигателей можно использовать для обоих видов электропитания.

Ограничения однофазных электродвигателей

В отличие от трёхфазных для однофазных электродвигателей существуют некоторые ограничения. Однофазные электродвигатели ни в коем случае не должны работать в режиме холостого хода, так как при малых нагрузках они сильно нагреваются, также рекомендуется эксплуатировать двигатель при нагрузке меньшей 25% от полной нагрузки.

Электродвигатели PSC и CSCR имеют симметричное/ круговое вращающееся поле в одной точке приложения нагрузки; это значит, что во всех остальных точках приложения нагрузки вращающееся поле асимметричное/эллиптическое. Когда электродвигатель работает с асимметричным вращающимся полем, сила тока в одной или обеих обмотках может превышать силу тока в сети. Такие избыточные токи вызывают потери, в связи с этим одна или обе обмотки (что чаще происходит при полном отсутствии нагрузки) нагреваются, даже если ток в сети относительно небольшой. Смотрите примеры.

О напряжении в однофазных электродвигателях

Важно помнить о том, что напряжение на пусковой обмотке электродвигателя может быть выше сетевого напряжения питания электродвигателя. Это относится и к симметричному режиму работы. Смотрите пример.

Изменение напряжения питания

Нужно отметить, что однофазные электродвигатели обычно не используются для больших интервалов напряжения, в отличие от трёхфазных электродвигателей. В связи с этим может возникнуть потребность в двигателях, которые могут работать с другими видами напряжения. Для этого необходимо внести некоторые конструкционные изменения, например, нужна дополнительная обмотка и конденсаторы различной ёмкости. Теоретически, ёмкость конденсатора для различного сетевого напряжения (с одной и той же частотой) должна быть равна квадрату отношения напряжений:

Таким образом, в электродвигателе, рассчитанном на питание от сети в 230 В, используется конденсатор 25µФ/400 В, для модели электродвигателя на 115 В необходим конденсатор ёмкостью 100µФ с маркировкой более низкого напряжения - например 200 В.

Иногда выбирают конденсаторы меньшей ёмкости, например 60µФ. Они дешевле и занимают меньше места. В таких случаях обмотка должна подходить для определённого конденсатора. Нужно учитывать, что производительность электродвигателя при этом будет меньше, чем с конденсатором ёмкостью 100µФ - например, пусковой момент будет ниже.

Заключение

Однофазные электродвигатели работают по тому же принципу, что и трёхфазные. Однако у них более низкие пусковые моменты и значения напряжения питания (110-240В).

Однофазные электродвигатели не должны работать в режиме холостого хода, многие из них не должны эксплуатироваться при нагрузке меньше 25 % от максимальной, так как это вызывает повышение температуры внутри электродвигателя, что может привести к его поломке.