Однофазный асинхронный двигатель, схема подключения и запуска
Работа асинхронных электрических двигателей основывается на создании вращающегося магнитного поля, приводящего в движение вал. Ключевым моментом является пространственное и временное смещение обмоток статора по отношению друг к другу. В однофазных асинхронных электродвигателях для создания необходимого сдвига по фазе используется последовательное включение в цепь фазозамещающего элемента, такого как, например, конденсатор.
Содержание:
- Отличие от трехфазных двигателей
- Как это работает
- Основные схемы подключения
- Другие способы
- Подбор конденсатора
Отличие от трехфазных двигателей
Использование асинхронных электродвигателей в чистом виде при стандартном подключении возможно только в трехфазных сетях с напряжением в 380 вольт, которые используются, как правило, в промышленности, производственных цехах и других помещениях с мощным оборудованием и большим энергопотреблением. В конструкции таких машин питающие фазы создают на каждой обмотке магнитные поля со смещением по времени и расположению (120˚ относительно друг друга), в результате чего возникает результирующее магнитное поле. Его вращение приводит в движение ротор.
Однако нередко возникает необходимость подключения асинхронного двигателя в однофазную бытовую сеть с напряжением в 220 вольт (например в стиральных машинах). Если для подключения асинхронного двигателя будет использована не трехфазная сеть, а бытовая однофазная (то есть запитать через одну обмотку), он не заработает. Причиной тому переменный синусоидальный ток, протекающий через цепь. Он создает на обмотке пульсирующее поле, которое никак не может вращаться и, соответственно, двигать ротор. Для того, чтобы включить однофазный асинхронный двигатель необходимо:
- добавить на статор еще одну обмотку, расположив ее под 90˚ углом от той, к которой подключена фаза.
- для фазового смещения включить в цепь дополнительной обмотки фазосдвигающий элемент, которым чаще всего служит конденсатор.
Редко для сдвига по фазе создается бифилярная катушка. Для этого несколько витков пусковой обмотки мотаются в обратную сторону. Это лишь один из вариантов бифиляров, которые имеют несколько другую сферу применения, поэтому, чтобы изучить их принцип действия, следует обратиться к отдельной статье.
После подключения двух обмоток такой двигатель с конструкционной точки зрения является двухфазным, однако его принято называть однофазным из-за того что в качестве рабочей выступает лишь одна из них.
Как это работает
Пуск двигателя с двумя расположенными подобным образом обмотками приведет к созданию токов на короткозамкнутом роторе и кругового магнитного поля в пространстве двигателя. В результате их взаимодействия между собой ротор приводится в движение. Контроль показателей пускового тока в таких двигателях осуществляется частотным преобразователем.
Несмотря на то, что функцию фаз определяет схема присоединения двигателя к сети, дополнительную обмотку нередко называют пусковой. Это обусловлено особенностью, на которой основывается действие однофазных асинхронных машин – крутящийся вал, имеющий вращающее магнитное поле, находясь во взаимодействии с пульсирующим магнитным полем может работать от одной рабочей фазы. Проще говоря, при некоторых условиях, не подсоединяя вторую фазу через конденсатор, мы могли бы запустить двигатель, раскрутив ротор вручную и поместив в статор. В реальных условиях для этого необходимо запустить двигатель с помощью пусковой обмотки (для смещения по фазе), а потом разорвать цепь, идущую через конденсатор. Несмотря на то, что поле на рабочей фазе пульсирующее, оно движется относительно ротора и, следовательно, наводит электродвижущую силу, свой магнитный поток и силу тока.
Основные схемы подключения
В качестве фазозамещающего элемента для подключения однофазного асинхронного двигателя можно использовать разные электромеханические элементы (катушка индуктивности, активный резистор и др.), однако конденсатор обеспечивает наилучший пусковой эффект, благодаря чему и применяется для этого чаще всего.
Различают три основные способа запуска однофазного асинхронного двигателя через:
- рабочий;
- пусковой;
- рабочий и пусковой конденсатор.
В большинстве случаев применяется схема с пусковым конденсатором. Это связано с тем, что она используется как пускатель и работает только во время включения двигателя. Дальнейшее вращение ротора обеспечивается за счет пульсирующего магнитного поля рабочей фазы, как уже было описано в предыдущем абзаце. Для замыкания цепи пусковой цепи зачастую используют реле или кнопку.
Поскольку обмотка пусковой фазы используется кратковременно, она не рассчитана на большие нагрузки, и изготавливается из более тонкой проволоки. Для предотвращения выхода её из строя в конструкцию двигателей включают термореле (размыкает цепь после нагрева до установленной температуры) или центробежный выключатель (отключает пусковую обмотку после разгона вала двигателя).
Таким путем достигаются отличные пусковые характеристики. Однако данная схема обладает одним существенным недостатком – магнитное поле внутри двигателя, подключенного к однофазной сети, имеет не круговую, а эллиптическую форму. Это увеличивает потери при преобразовании электрической энергии в механическую и, как следствие, снижает КПД.
Схема с рабочим конденсатором не предусматривает отключение дополнительной обмотки после запуска и разгона двигателя. В данном случае конденсатор позволяет компенсировать потери энергии, что приводит к закономерному увеличению КПД. Однако в пользу эффективности проходится жертвовать пусковыми характеристиками.
Для работы схемы необходимо подбирать элемент с определенной ёмкостью, рассчитанной с учетом тока нагрузки. Неподходящий по емкости конденсатор приведет к тому, что вращающееся магнитное поле будет принимать эллиптическую форму.
Своеобразной «золотой серединой» является схема подключения с использованием обоих конденсаторов – и пускового, и рабочего. При подключении двигателя таким способом его пусковые и рабочие характеристики принимают средние значения относительно описанных выше схем.
На практике для приборов, требующих создания сильного пускового момента используется первая схема с соответствующим конденсатором, а в обратной ситуации – вторая, с рабочим.
Другие способы
При рассмотрении методов подключения однофазных асинхронных двигателей нельзя обойти внимание два способа, конструктивно отличающихся от схем для подключения через конденсатор.
С экранированными полюсами и расщепленной фазой
В конструкции такого двигателя используется короткозамкнутая дополнительная обмотка, а на статоре присутствуют два полюса. Аксиальный паз делит каждый из них на две несимметричные половины, на меньшей из которых располагается короткозамкнутый виток.
После включения двигателя в электрическую сеть пульсирующий магнитный поток разделяется на 2 части. Одна из них движется через экранированную часть полюса. В результате получается два разнонаправленных потока с отличной от основного поля скоростью вращения. Благодаря индуктивности появляется электродвижущая сила и сдвиг магнитных потоков по фазе и времени.
Витки короткозамкнутой обмотки приводят к существенным потерям энергии, что и является главным недостатком схемы, однако она относительно часто используется в климатических и нагревательных приборах с вентилятором.
С асимметричным магнитопроводом статора
Особенностью двигателей с данной конструкцией заключается в несимметричной форме сердечника, из-за чего появляются явно выраженные полюса. Для работы схемы необходим короткозамкнутый ротор и обмотка в виде беличьей клетки. Характерным отличием этой конструкции является отсутствие необходимости в фазовом смещении. Улучшенный пуск двигателя осуществляется благодаря оснащению его магнитными шунтами.
Среди недостатков этих моделей асинхронных электродвигателей выделяют низкий КПД, слабый пусковой момент, отсутствие реверса и сложность обслуживания магнитных шунтов. Но, несмотря на это, они имеют широкое применение в производстве бытовой техники.
Подбор конденсатора
Перед тем как подключить однофазный электродвигатель, необходимо произвести расчет необходимой ёмкости конденсатора. Это можно сделать самостоятельно или воспользоваться онлайн-калькуляторами. Как правило, для рабочего конденсатора на 1 кВт мощности должно приходиться примерно 0,7-0,8 мкФ емкости, и около 1,7-2 мкФ – для пускового. Стоит отметить, что напряжение последнего должно составлять не менее 400 В. Эта необходимость обусловлена возникновением 300-600 вольтного всплеска напряжения при старте и останове двигателя.
Ввиду своих функциональных особенностей однофазные электродвигатели находят широкое применение в бытовой технике: пылесосах, холодильниках, газонокосилках и других приборов, для работы которых достаточно частоты вращения двигателя до 3000 об/мин. Большей скорости, при подключении к стандартной сети с частотой тока в 50 Гц, невозможно. Для развития большей скорости используют коллекторные однофазные двигатели.
