Вопрос как подключить однофазный электродвигатель очень часто возникает на практике из-за высокой популярности применения подобных агрегатов для решения различных бытовых задач.
Схема подключения однофазного электродвигателя достаточно проста и требует учета всего одного принципиального момента: для обеспечения его работоспособности необходимо вращающееся магнитное поле. При наличии только однофазной сети переменного тока на момент запуска электродвигателя его приходится формировать искусственно через применение соответствующих схемных решений.
- Обмотки электромотора
- Конденсаторы
- Косвенное включение
- Заключение
Обмотки электромотора
Конструкция любого однофазного электродвигателя предполагает использование как минимум трех катушек. Две из них являются элементов конструкции статора,включены параллельно. Одна из них является рабочей, а вторая выполняет функции пусковой. Их клеммы выведены на корпус двигателя и используются для подключения к сети. Обмотка ротора выполнена короткозамкнутой. К сети подключатся две из них, остальные служат для коммутации.
Для изменения мощности рабочая катушка может формироваться из двух частей, которые включаются последовательно.
Визуально идентифицировать рабочую и пусковую обмотку можно по сечению провода: у первой из них оно заметно больше. Можно замерить сопротивление тестером подключением его к клеммам: у рабочей обмотки его величина будет меньше. Как правило, сопротивления обмоток будет составлять не более нескольких десятков Ом.
Особенности формирования вращающего момента
Магнитное поле, создаваемое катушками электродвигателя, имеет фазовый сдвиг на 90 градусов. Это обычно достигается через конденсатор, который последовательно включается в цепь запуска. Возможные варианты соединения показаны на рисунке ниже.
Пусковая катушка может работать постоянно. Допустима также схема, основанная на ее отключении после достижения номинальной частоты вращения ротора. Постоянное подключение пусковой обмотки усложняет конструкцию двигателя, но улучшает его характеристики. На особенностях подключения к сети эти различия не сказываются.
Для упрощения запуска двигателя с рабочим конденсатором, перед подачей на него тока от сети параллельно ему подключают вспомогательную емкость.
Однофазный электромотор позволяет простыми средствами изменить направление вращения вала на противоположное. Для этого производится сдвиг фазы тока, поступающего от сети и протекающего через цепи запуска, меняется на противоположный. Данная процедура реализуется простым изменением порядка включения пусковой обмотки при ее соединении с рабочей обмоткой.
Конденсаторы
Схема подключения однофазных конденсаторных двигателей: а – с рабочей емкостью Ср, б – с рабочей емкостью Ср и пусковой емкостью Сп.
Электродвигатель может комплектоваться двумя разновидностями конденсаторов. Наличие емкости, включаемой последовательно спусковой обмоткой и пропускающей через себя ток для сдвига фазы, является обязательным. Ее значение заимствуется из паспортных данных электродвигателя и дублируется на его шильдике.
При отсутствии конденсатора нужной емкости допустимо применять любой другой с близким номиналом. При слишком сильном отклонении в меньшую сторону двигатель может не начать вращаться без ручной прокрутки его вала, а затем не будет развивать нужную мощность. При значительном превышении емкости начнется сильный нагрев.
Емкость дополнительного пускового компонента выбирается в два-три раза выше по сравнению с основным. Такая величина обеспечивает максимальный стартовый момент.
Для включения пускового элемента может использоваться как обычная кнопка, так и более сложные схемы.
Косвенное включение
Основным компонентом схемы косвенного включения является магнитный пускатель, который включается в разрыв между выходом силовой сети и электродвигателем.
Силовые контакты этого блока выполнены как нормально разомкнутые. Магнитный пускатель по величине максимального протекающего через него тока относится к одной из семи нормированных групп. Из-за небольшой мощности однофазных электродвигателей обычно достаточно устройства первой группы, максимальное значение коммутируемого тока которого составляет 10 А.
Управляющая часть катушки предназначена для подключения к сетям с различным напряжением. Наиболее удобным является магнитный пускатель с управлением от 220в переменного тока.
Особенности применения магнитного пускателя
В управляющей части устройства предусмотрено несколько пар контактов, на которых собирается схема релейной автоматики. Один из них всегда является нормально замкнутым, а второй – нормально разомкнутым.
У кнопки «Пуск» рабочим считается нормально разомкнутый контакт, а у кнопки «Стоп» задействован нормально замкнутый элемент.
При выполнении подключения рассматриваемого устройства осуществляются соединения нескольких типов.
Фаза, наряду с входной клеммой, подключается также к входу контакта кнопки «Стоп», а ноль соединяется с входной клеммой катушки, что обеспечивает протекание через нее управляющего тока.
Активный контакт кнопки «Пуск» при работающем двигателе шунтируется аналогичным элементом катушки. Для формирования этой цепи выполняются два дополнительных соединения, схема которых показана на рисунке выше:
- выход рабочего контакта кнопки «Стоп» параллельно соединяется с контактами выхода кнопки «Пуск» и входа управляющей катушки;
- выход нормально разомкнутого контакта управляющей катушки параллельно соединяется с ее выходной клеммой и с входом рабочего контакта кнопки «Пуск».
Заключение
Процесс подключения однофазного электромотора к сети 220в не отличается большой сложностью и фактически требует только желания, минимального набора простейших инструментов, наличия схемы соединений и аккуратности в работе. Из расходных материалов нужны только провода. Из-за опасности короткого замыкания и больших величин токов, протекающих через обмотки двигателя, необходимо обязательно выполнять требования техники безопасности и не забывать про старое, но очень действенное правило: «Семь раз отмерь, один раз отрежь».
Для освещения и общих бытовых целей в домах, офисах, магазинах, а также в небольших производствах, широко используется однофазная система электропитания наряду с трёхфазной системой. Однофазная система применяется там, где потребляемая мощность мала, где нет необходимости в использовании трёхфазных электрических цепей, где нет постоянного круглосуточного потребления большой мощности.
Однофазные двигатели просты в конструкции и эксплуатации, что в свою очередь даёт экономию в их эксплуатации, ремонте и обслуживании в сравнении с аналогичными трёхфазными двигателями. Обычно в бытовой технике, такой как пылесосы, вентиляторы, стиральные машины, фены, центробежные насосы, маленькие игрушки и т.д. используются именно однофазные электрические машины.
Однофазные асинхронные двигатели классифицируются следующим образом:
- Однофазные асинхронные двигатели или асинхронные двигатели.
- Однофазные синхронные двигатели.
- Коллекторные двигатели.
Эта статья даёт основное представление об однофазном асинхронном двигателе, его описание и принцип его работы.
Конструкция однофазного асинхронного двигателя
Как и любой другой электрический двигатель, однофазный асинхронный двигатель состоит из двух основных частей, а именно из ротора и статора. Статор является неподвижной частью двигателя, а ротор подвижной частью. Питание однофазным напряжением подается на статор асинхронного двигателя, который содержит обмотки для создания магнитного поля. Ротор представляет собой вращающуюся часть, которая соединяется с механической нагрузкой. Ротор однофазного асинхронного двигателя является короткозамкнутым, то есть содержит короткозамкнутую обмотку, обычно по своему виду напоминающую беличью клетку (колесо).
Конструкция однофазного асинхронного двигателя практически аналогичная конструкции трёхфазного электродвигателя с короткозамкнутым ротором. Единственное отличие – это наличие двух обмоток для одной фазы питания, в то время как в трёхфазном двигателе на каждую фазу приходится по одной обмотке.
Статор однофазного асинхронного двигателя
Статор однофазного асинхронного двигателя изготовлен из ламинированных штампованных листов электротехнической стали. Каждый лист изолирован от предыдущего и последующего слоем лака или иного изолирующего немагнитного покрытия. Изготовление статора из многих тонких пластин обусловлено необходимостью избавится от влияния вихревых токов. Чем больше пластин и чем они тоньше, тем меньшие вихревые токи наводятся в статоре, что положительно влияет на эффективность преобразования электрической энергии в механическую энергию. В том случае, если статор изготовлен из цельного куска электротехнической стали или иного ферромагнитного материала, значительная часть электрической энергии будет расходоваться на нагрев статора, а это снизит КПД двигателя и может разрушить изоляцию обмоток статора.
Собранный пакет статора содержит слоты (пазы) для укладки в них обмотки, таким образом, получается, что статор является магнитопроводом наподобие сердечника трансформатора, а обмотка статора подобна первичной обмотке трансформатора. Где же расположена вторичная обмотка? Это нужно понять. Вторая обмотка короткозамкнута и она расположена на роторе, а магнитная связь между статором и ротором осуществляется через воздушный зазор.
При подаче питания на обмотку статора, создаётся магнитное поле, которое вращает ротор со скоростью чуть меньшей, чем синхронная скорость N S (об/мин = rpm). Эта скорость определяется по формуле:
Конструкция статора однофазного двигателя аналогична конструкции трёхфазного двигателя, за исключением обмоток статора:
- Во-первых, однофазные асинхронные двигатели содержат в основном концентрические обмотки, так как число витков обмотки может быть легко отрегулировано, то магнитодвижущая сила (МДС)(MMF) распределяется практически синусоидально.
- Полюса двигателя смещаются, за исключением того случая, когда асинхронный двигатель имеет две статорные обмотки, основную и вспомогательную. Эти две обмотки располагаются в пространстве статора под прямым углом относительно друг друга.
Ротор однофазного асинхронного двигателя
Конструкция ротора однофазного асинхронного двигателя аналогична короткозамкнутому ротору трёхфазного асинхронного двигателя. Ротор имеет цилиндрическую форму и прорези по всей периферии. Пазы сделаны не параллельно оси вращения ротора, а со скосом. Такое перекашивание предотвращает магнитное запирание ротора в поле статора, тем самым облегчая первоначальный пуск двигателя. Пуск и работа асинхронного двигателя становится более гладкой и спокойной, без чрезмерных перегрузок на старте и в работе.
Обмотка ротора в виде беличьей клетки состоит из алюминиевых, медных или латунных стержней, которые размещаются в пазах на периферии ротора. Эти стержни постоянно замкнуты медными или алюминиевыми кольцами с торцов ротора и иначе называются – конечными кольцами. Внешний вид такой обмотки напоминает беличье колесо, в котором белка бегает по кругу, перебирая лапками те самые стержни. Такое сходство и послужило названием для короткозамкнутого ротора – короткозамкнутый ротор типа «беличья клетка».
Так как обмотка ротора закорочена концевыми кольцами и состоит из многих стержней соединённых параллельно друг другу в одну цепь, то электрическое сопротивление ротора очень мало. Такая конструкция ротора не позволяет включать в обмотку ротора дополнительные сопротивления, потому как отсутствуют контактные кольца и щётки.
Простота конструкции и отсутствие контактных колец и щёток в конструкции однофазного асинхронного двигателя делает его дешёвым, надёжным и простым в эксплуатации.
Принцип работы однофазного асинхронного двигателя
Необходимо помнить, что для работы любого электродвигателя, постоянного (DC) или переменного тока (AC), требуется наличие двух магнитных потоков, взаимодействие которых создаёт крутящий момент. Существование крутящего момента является необходимым параметром для работы любого двигателя, чтобы производить вращение.
Когда через обмотки статора начинает протекать электрический ток, он в свою очередь создаёт переменный магнитный поток, который называется главным потоком. Этот главный поток оказывает воздействие на проводники ротора в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея. В проводниках ротора наводится ЭДС, а так как обмотка ротора короткозамкнутая, то в ней начинает протекать электрический ток, который в свою очередь также создаёт встречный магнитный поток, действующий против главного потока. Поскольку второй поток создаётся по причине первого потока, а значит, они существуют не синхронно, то именно поэтому такой двигатель называется асинхронным.
Взаимодействие двух этих потоков, один от статора и второй от ротора, создают желаемый крутящий момент. Двигатель начинает вращаться.
Почему однофазный асинхронный двигатель не способен к самозапуску?
Согласно теории о двойном поле вращения, любая составляющая (переменная) поля может быть разложена на два компонента, где каждый компонент будет равен половине максимальной величины взятой составляющей. Оба этих компонента будут вращаться в противоположных друг к другу направлениях. Таким образом, поток Ф можно разложить на две составляющие:
Каждый из этих компонентов потока вращается (движется) в противоположном направлении, то есть, если Ф м /2 вращается в направлении по часовой стрелке , то другой поток Ф м /2 вращается в направлении против часовой стрелки .
Когда от источника переменного тока подается ток на обмотки статора однофазного асинхронного двигателя, он производит поток Ф м . В соответствии с теорией двойного поля вращения (double field revolving theory ) этот поток может быть разложен на два потока встречно направленных друг к другу величины Ф м /2 и движущихся синхронно со скоростью N. Назовем эти два компонента Ф f (front) и Ф b (back). Результирующий поток от этих двух потоков в любой момент времени даёт значение магнитного потока статора.
В момент запуска двигателя эти два компонента потока направлены точно друг против друга. Они равны по величине и уравновешивают друг друга и, следовательно, эффективность крутящего момента, который испытывает ротор, равна нулю. Именно поэтому не происходит самозапуска однофазного асинхронного двигателя.
Способы создания самозапускающихся однофазных асинхронных двигателей
Из выше написанного можно легко сделать вывод, что однофазные асинхронные двигатели не самозапускаются потому как производимый статором переменный поток состоит из двух компонентов, которые компенсируют друг друга и, следовательно, нет эффективного крутящего момента.
Решение этой проблемы состоит в том, чтобы создать именно вращающийся магнитный поток, а не пульсирующий. Тогда двигатель станет самозапускающимся. Для этого надо сделать так, чтобы одна из компонент имела перевес относительно другой компоненты потока в ту или другую сторону. Изначально две компоненты потока находятся в противофазе относительно друг друга, то есть, сдвинуты на 180 градусов. Это можно сделать, добавив дополнительную компоненту потока, которую после пуска можно убрать и двигатель продолжит работать самостоятельно.
В зависимости от способов осуществления самозапуска однофазного асинхронного двигателя существует четыре вида двигателя:
- С раздельными обмотками (Split phase induction motor).
- С пусковым конденсатором (Capacitor start inductor motor).
- С пусковым конденсатором и рабочей обмоткой (Capacitor start capacitor run induction motor).
- Со смещенным полюсом (Shaded pole induction motor).
Сравнение однофазного и трёхфазного электродвигателей
- Однофазные асинхронные электродвигатели просты в конструкции, надежны и экономичны в работе, обслуживании и эксплуатации в сравнении с трёхфазными асинхронными двигателями.
- Коэффициент мощности однофазных асинхронных двигателей ниже в сравнении с трёхфазными асинхронными двигателями такой же мощности.
- Однофазные асинхронные двигатели таких же габаритов, что и трёхфазные асинхронные двигатели выдают около 50% мощности.
- Низкое значение пускового момента для однофазных асинхронных двигателей.
- Эффективность (КПД) однофазных асинхронных двигателей меньше в сравнении с эффективностью трёхфазных асинхронных двигателей.
Все теги раздела Электротехника .
26. СХЕМЫ ОБМОТОК ОДНОФАЗНЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
В однофазных двигателях с пусковой обмоткой главная обмотка обычно занимает 2 / 3 , а вспомогательная - 1 / 3 общего числа пазов статора. В этих двигателях число пазов на полюс для каждой фазы определяется по формулам:
где q A - число пазов на полюс главной фазы; q В - число пазов на полюс вспомогательной фазы; z A = 2 / 3 - число пазов, занимаемых главной фазой; z B = 1 / 3 - число пазов, занимаемых вспомогательной фазой; z - общее число пазов; 2р - число полюсов.
В однофазных конденсаторных двигателях пазы статора обычно делят поровну между обеими фазами, т. е. z A =z B , и число пазов на полюс определяется по формуле
Шаг по пазам для однофазных обмоток определяется так же, как и для трехфазных. Двухслойные обмотки выполняются с укорочением обычно на 1 / 3 полюсного деления с равными шагами для главной и вспомогательной обмоток. Шаг двухслойной обмотки
Соединение катушечных групп и образование параллельных ветвей в однофазных обмотках производится по тем же правилам, что и для трехфазных обмоток.
При построении схем двигателей с повышенным сопротивлением пусковой фазы надо учитывать наличие в ней бифилярной обмотки.
Для удобства ремонта пусковую обмотку обычно располагают поверх главной (ближе к клину).
Примерный порядок составления схемы однофазной обмотки двигателя с пусковым элементом. Последовательность составления схемы однослойной обмотки разберем на примере
2р = 4, z = 24.
Сначала находят число пазов, занимаемых главной фазой,
Число пазов на полюс главной фазы
Число пазов на полюс вспомогательной фазы в два раза меньше, чем главной, т. е.
Далее на чертеже надо представить последовательность чередования пазов главной и вспомогательной фаз (рис. 60, а) и проставить направление тока в главной фазе, исходя из правил: под соседними полюсами направление тока меняется на противоположное (рис. 60, б ). Чтобы на схеме не оказалась разрезанной катушка главной фазы при выполнении наиболее распространенного типа обмотки вразвалку, первую катушечную группу разбивают на две половины (пазы 1,2 и 23,24).
В соответствии с проставленным направлением тока соединяют пазовые части катушек, в результате этого образуются катушечные группы или полугруппы. При этом возможны различные варианты. При диаметральном шаге
одинаковом для всех катушек, получается простая шаблонная обмотка (рис. 60, в ), число катушечных групп которой равно числу пар полюсов р. Но такая обмотка почти не применяется ввиду больших размеров лобовых частей. Если разделить каждую катушечную группу на две полугруппы, получим шаблонную обмотку вразвалку (рис. 60, г) с меньшим шагом и меньшей длиной витка. Однако из-за большой компактности лобовых частей чаще применяется концентрическая обмотка вразвалку (рис. 60,5). При больших значениях q A используется также концентрическая обмотка, у которой катушечная группа подразделяется на три полугруппы (см. рис. 68). По виду лобовых частей эта обмотка напоминает трехплоскостную трехфазную концентрическую.
Начало фазы может быть в принципе выбрано из любого паза, исходя из удобства выполнения обмотки. Начиная обход всех пазов из первого паза и следя за направлением тока, соединяем катушечные группы (полугруппы) между собой (рис. 60, е) и няходим ко-
Рис. 60. Построение схемы однослойной обмотки однофазного двигателя с пусковым элементом: а - последовательность чередования пазов главной и вспомогательной фаз. б - направление тока в пазовых частях катушек главной фазы, в - простая шаблонная обмотка, г - шаблонная обмотка вразвалку, д - концентрическая обмотка вразвалку, е - схема главной и вспомогательной фаз концентрической обмотки вразвалку
нец фазы, обойдя все пазы рабочей обмотки. Соединение полугрупп производится по правилу: конец полугруппы соединяется с концом соседней полугруппы той же фазы, начало - с началом, т. е. так же, как и в трехфазной однослойной обмотке вразвалку, где катушечная группа разделена на две полугруппы.
Рис. 61. Однослойные обмотки вразвалку однофазных двигателей при 2р=2, z=12: а - шаблонная, б - концентрическая
Рис. 62. Однослойная (шаблонная вразвалку) обмотка однофазного двигателя при 2р=4, z=36
Схему вспомогательной фазы выполняют по тем же правилам, только она имеет обычно меньшее число катушек в группе (полугруппе). Шаг ее может быть таким же, как у главной фазы или иным.
Типичные схемы однослойных обмоток двигателей с пусковыми элементами приведены на рис. 61,62.
Схему двухслойной обмотки двигателя с пусковым элементом можно составить в такой последовательности. Сначала определяют шаг
обмотки, число пазов на полюс для главной и вспомогательной фаз q A и q B . В соответствии с шагом обмотки и числом катушек в группе, равным q A , вычерчивается первая катушечная группа главной фазы (рис. 63,64), рядом с ней катушечная группа вспомогательной фазы, затем опять катушечная группа главной фазы и т. д. Шаги по пазам для обеих фаз берутся одинаковыми. Проставляется направление тока в верхних сторонах катушек главной фазы (под соседними полюсами меняется на противоположное, как и в одно-
Рис. 63. Двухслойная обмотка однофазного двигателя при 2р=2, z=18, q A = 6, q B = 3, y A =y B =6(1-7)
Рис. 64. Двухслойная обмотка однофазного двигателя при 2р=4, z=24, q A =4, q B =2, у А =у B =4(1-5)
слойной обмотке). Последовательное соединение катушечных групп в фазе также выполняется по правилу: конец с концом, начало с началом, при этом не будет нарушена полярность полюсов. Соединения во вспомогательной фазе производятся аналогичным образом.
Примерный порядок составления схемы однофазной однослойной обмотки двигателя с повышенным сопротивлением вспомогательной фазы. Схема главной фазы у двигателя с повышенным сопротивле-
Рис. 65. Выполнение катушки с бифилярной обмоткой: а - катушка, разделенная на две секции, б - катушка с бифилярной обмоткой, в - обозначение катушки с бифилярной обмоткой на схеме; 1 - основная секция, 2 - бифилярная секция, H и K - начало и конец катушки
нием вспомогательной фазы такая же, как и у двигателей с пусковыми элементами.
При составлении схемы вспомогательной фазы надо учитывать, что в каждой катушке часть ее витков намотана встречно. Это уменьшает число эффективных проводников в пазу. Встречно намотанные витки нейтрализуют действие такого же количества витков, намотанных в основном направлении, образуя бифилярную обмотку, поэтому для нахождения числа эффективных витков в катушке (эффективных проводников в пазу) надо из общего числа вычесть удвоенное число встречно намотанных витков. Если, например, в пазу лежит катушка, в которой всего 81 виток, из них встречно намотаны 22, то число эффективных проводников в пазу будет: 81-2x22=37.
Для определения числа встречно намотанных витков при известных общем числе проводников в пазу и числе эффективных проводников в пазу надо произвести обратное действие, т. е. из общего числа вычесть число эффективных проводников и полученный результат разделить на два. При общем числе проводников 81 и числе эффективных - 37 число встречно намотанных витков должно быть:
Катушку с бифилярной обмоткой можно получить, если уложить в одни и те же пазы две секции катушки, одна из которых поворачивается на 180° вокруг параллельной пазам оси. Правая и левая стороны повернутой секции при этом меняются местами (рис. 65). В пазах, где расположена катушка с бифилярной обмоткой, ток
Рис. 66. Однослойная концентрическая вразвалку обмотка при 2р=4, z=24 однофазного двигателя с повышенным сопротивлением вспомогательной обмотки: а - катушка с бифилярной обмоткой изображена в виде двух секций, б - то же, в виде целой катушки
Рис. 67. Однослойная концентрическая вразвалку обмотка при 2р=2, z=18 однофазного двигателя с повышенным сопротивлением вспомогательной фазы: а - при намотке против часовой стрелки, б - при намотке по часовой стрелке
Рис. 68. Однослойная концентрическая с разбивкой катушечной группы на три части обмотка при 2р=2, z=24 однофазного двигателя с повышенным сопротивлением вспомогательной фазы
Рис. 69. Однослойная концентрическая с разбивкой катушечной группы на три части обмотка при 2р=2, z=24 однофазного двигателя с повышенным сопротивлением вспомогательной фазы и соединением главной фазы в две параллельные ветви
проходит по одной секции в едином направлении, по другой - в противоположном. Полярность полюсов определяется направлением тока в катушке с большим числом витков, поэтому секцию с большим числом витков условно называют основной, а с меньшим - бифилярной.
На рис. 66,а представлена схема с бифилярной обмоткой во вспомогательной фазе, бифилярная секция условно показана внутри основной. Обычно катушки с бифилярной обмоткой на схемах изоб-
Рис. 70. Однослойная концентрическая обмотка вразвалку однофазного конденсаторного двигателя при 2р=2, z=18
ражаются в виде целой катушки с петлей, в которой изменяется направление тока (рис. 65, в и рис. 66, б).
Катушки и катушечные группы с бифилярной обмоткой должны быть соединены таким образом, чтобы полярность под соседними полюсами вспомогательной фазы чередовалась; полярность же полюсов определяется направлением тока в основных секциях.
Типичные схемы обмоток двигателей с повышенным сопротивлением вспомогательной фазы приведены на рис. 67-69.
Всякая обмотка может быть намотана либо по часовой стрелке, либо против нее, если смотреть на статор со стороны схемы. Это определяется навыками обмотчика и принятой технологией изготовления. Пример схемы при двух различных направлениях намотки приведен на рис. 67.
Примерный порядок составления схемы обмотки конденсаторного двигателя. Схемы однофазных конденсаторных двигателей строятся так же, как и схемы однофазных с пусковыми элементами, только при этом надо учитывать, что числа пазов на полюс главной и вспомогательной фаз одинаковы и поэтому схемы обеих фаз также получаются одинаковыми.
Типичные схемы однофазных конденсаторных двигателей приведены на рис. 70-76.
Рис. 71. Однослойная концентрическая обмотка вразвалку однофазного конденсаторного двигателя при 2р=2, z=24
Рис. 72. Однослойная концентрическая обмотка вразвалку однофазного конденсаторного двигателя при 2р=2, z=24 и соединения каждой из фаз в две параллельные ветви
Рис. 73. Однослойная концентрическая обмотка с «расчесанными» катушками однофазного конденсаторного двигателя при 2р=4, z=24
Рис. 74. Двухслойная обмотка однофазного конденсаторного двигателя при 2р=4, z=24, q А =q B =3, y A =y B =5(1-6)
В ряде случаев для конденсаторных двигателей характерна наличие в обеих фазах «расчесанных» катушек с половинным числом витков. На схеме рис. 73 показаны четыре такие катушки.
Обмотка, представленная на рис. 75, 76, из-за дробного числа пазов на полюс имеет признаки шаблонной вразвалку и двухслойной обмоток и поэтому названа комбинированной.
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.