Однофазный двигатель с конденсатором: Важные аспекты, которые следует учесть

Ранее мы уже рассматривали трёхфазные асинхронные электродвигатели,

Сегодня мы рассмотрим моторы, предназначенные для работы в сетях с одной фазой. Эти двигатели применяются в различных устройствах, таких как компрессоры холодильников и кондиционеров, насосы для отопления или извлечения воды из колодцев и скважин, системы вентиляции и вытяжки, а также используются в качестве настольных и напольных вентиляторов.

Различают однофазные и двухфазные электродвигатели, последние ещё называют конденсаторными, но оба варианта подключаются к однофазной сети, а разница в названиях объясняется устройством и режимом работы дополнительной обмотки.

Принцип действия

Как известно, в трёхфазном двигателе вращающееся магнитное поле статора, пересекая проводники короткозамкнутой обмотки ротора, наводит в них ЭДС. Под воздействием ЭДС в обмотке ротора возникает ток, порождающий магнитное поле. В результате взаимодействия тока и поля ротора с вращающимся полем статора возникают электромагнитные силы, под действием которых ротор начинает вращаться в след за полем статора.

Вращающееся магнитное поле создаётся трёхфазным током, протекающим в катушках статора, которые расположены под углом 120 градусов друг относительно друга. Если упростить сказанное, и заменить ротор постоянным магнитом, то следующая анимация иллюстрирует почему и как поле статора вращается.

Анимация найдена в сервисе «Яндекс Картинки»

Но как тогда работает однофазный электродвигатель? При включении сеть однофазной обмотки статора создаётся не вращающийся, а пульсирующий магнитный поток, амплитуда которого изменяется от какого-то значения +Фmax до -Фmax, а его ось остаётся неподвижной в пространстве.

Чтобы разобраться в принципе действия разложим поток Фmax на два вращающихся в противоположные стороны потока Фпр и Фобр, амплитуда каждого из них равен половине Фmax, и при этом вращается с частотой равной: nпр=nобр=n1=f1×60/p.

Представим, что прежде, чем подать на обмотку двигателя напряжение мы раскрутили рукой ротор против часовой стрелки, и условимся, что поток Фпр вращается в ту же сторону, что и ротор, и назовём его прямым. Тогда поток Фобр назовём обратным и будем считать вращающимся в противоположную сторону.

Частота вращения ротора n2 меньше, чем частота вращения поля статора n1, тогда скольжение ротора относительно прямого потока Фпр равно: Sпр=(n1-n2)/n1=S.

Так как обратный поток Фобр вращается в противоположную сторону, то частота вращения ротора n2 относительно него будет отрицательной, а скольжение ротора относительно обратного потока будет равно:

Прямой поток, пересекая обмотку ротора, наводит в ней ЭДС E2пр, а обратный — Е2обр, которые создают в обмотке ротора токи I2пр и I2обр соответственно.

Так как частота тока в роторе зависит от скольжения (f2=s×f1), а скольжение относительно прямого меньше, чем скольжение относительно обратного потока (Sпр<Sобр), то мы можем посчитать частоту токов в роторе, но сначала численные величины скольжений. Пусть частота n1=1500 об/мин, n2=1450 об/мин, при частоте питающего тока f1=50 Гц.

Sпр=(1500-1450)/1500=0,33; Sобр=(1500+1450)/1500=1,96

То частоты токов в роторе:

f2пр=0.33×50=1,65 Гц; f2обр=1.96×50=98 Гц

Индуктивное сопротивление обмотки ротора для обратного тока намного больше, чем её активное сопротивление. Из-за чего этот ток носит чисто индуктивный характер и оказывает размагничивающее действие на обратное поле Фобр, в результате чего создаваемый им момент Мобр становится очень слабым.

Поэтому ротор вращается под действием момента Мпр, создаваемого прямым полем, и в том же направлении.

М=Мпр-Мобр

Когда нагрузка на двигатель меньше номинальной, у него небольшое скольжение S, и вращающий момент создаётся преимущественно прямым потоком. Но когда вал двигателя стоит на месте (заклинен или еще не запустился) — его прямое и обратное скольжения равны Sпр=Sобр=1, соответственно прямой Мпр и обратный Мобр моменты равны. Так как момент на валу равен М=Мпр-Мобр, то пусковой момент однофазного двигателя равен 0.

Поэтому ротор однофазного двигателя не может начать вращаться самостоятельно после подачи напряжения и его нужно толкнуть. В какую сторону вы толкнёте ротор – туда он и будет вращаться. Но на практике есть ряд технических решений, которые позволяют создать этот первоначальный толчок, который задаст направление вращения, с помощью вращающегося поля например:

1. Пусковая обмотка, которая подключается во время пуска и отключается после разгона двигателя до частоты вращения близкой к номинальной. Ток в ней сдвигается по фазе относительно основной обмотки.
2. Вторая обмотка, ток в которой сдвигается по фазе с помощью конденсатора.
3. Короткозамкнутый виток на сердечнике полюса статора, который разделяет и смещает во времени магнитный поток (двигатели с расщеплёнными полюсами).

Однофазный двигатель с пусковой обмоткой

Так в первом случае у двигателя различают пусковую и рабочую обмотки. Обмотки обычно располагаются на статоре так, чтобы их оси были смещены друг относительно друга на 90°.

Если просто подать ток на две таких обмотки, то вал двигателя не начнёт вращаться — нужно сдвинуть ток по фазе в пусковой обмотке относительно тока в рабочей также на угол в 90°. Сделать это можно несколькими способами, подключив пусковую обмотку через конденсатор, резистор или дополнительную индуктивность.

То есть во время пуска двигатель работает как двухфазный, а во время работы — как однофазный.

Но для получения вращающегося поля с помощью двух обмоток на статоре, сдвинутых на 90°, нужно выполнить два условия:

1. Магнитодвижущая сила рабочей (A) и пусковой (B) обмотки должны быть сдвинуты в пространстве друг относительно друга на 90°
2. Токи в обмотках должны быть сдвинуты по фазе друг относительно друга на 90°.

При нарушении этих условий поле будет эллиптическим и содержать обратную составляющую, из-за чего снизится пусковой момент двигателя и вырастет пусковой ток. Это может произойти при межвитковом замыкании в одной из обмоток, повышении активного сопротивления (например, из-за плохого контакта), повреждении фазосдвигающего элемента ФЭ (конденсатора, индуктивности или резистора).

Из иллюстрации выше видно, что получить фазовый сдвиг между токами в рабочей и пусковой обмотке равный 90° можно получить только с помощью использовании ёмкости, использование активного сопротивления и индуктивности дают меньший угол. Соответственно наилучшими пусковые характеристики будут при подключении пусковой обмотки через конденсатор. Но его ёмкость подбирается индивидуально для каждого двигателя, например, для двигателя мощностью в 200 ватт нужна ёмкость около 30 мкф с рабочим напряжением в диапазоне от 300 до 500 вольт.

Двигатели с активным сопротивлением в качестве фазосдвигающего элемента также получили широкое распространение, но никаких внешних дополнительных резисторов не используется. Повышенное активное сопротивление достигается за счёт того, что пусковая обмотка выполняется проводом меньшего сечения, чем у пусковой. Недостаток у такой конструкции в том, что пусковой момент меньше номинального.

При использовании конденсатора в качестве фазосдвигающего элемента пусковой момент выше номинального:

Mп=(1,6…2,0)Мном

Конденсаторный асинхронный двигатель

Следующий вариант – это однофазные конденсаторные двигатели или как их ещё называют двухфазные двигатели. На статоре такого двигателя есть две обмотки, занимающие одинаковое количество пазов и сдвинутые относительно друг друга на те же 90 электрических градусов.

Одна обмотка называется главной и подключается непосредственно к однофазной сети. Вторая обмотка — вспомогательная, она подключается в ту же сеть, но через рабочий конденсатор Сраб.

Главное отличие от предыдущего случая в том, что вспомогательная обмотка после разгона двигателя не отключается, а остаётся подключённой и в процессе работы. Для получения кругового вращающегося поля ёмкость конденсатора Cраб должна быть (результат расчётов в микрофарадах)

а также отношение напряжений на главной Ua и вспомогательной Uв обмотках должно удовлетворять следующим условиям:

где фа – угол сдвига фаз тока и напряжения в главной обмотке (Uа и Iа), k=Wвkв/Wаkа – коэффициент трансформации, соотношение эффективных витков вспомогательной (В) и главной (А) обмоток, kа и kв – обмоточные коэффициенты обмоток статора.

Но рассчитанная ёмкость позволяет получить круговое вращающееся поля только при определённом режиме работы двигателя (при какой-то постоянной нагрузке), при изменении нагрузке изменятся ток Ia и угол сдвига фаз Фа. Поэтому в идеальном случае ёмкость Cраб подбирают для номинальной нагрузки двигателя.

У конденсаторного однофазного электродвигателя относительно высокий КПД и коэффициент мощности (в пределах 0,80 – 0,85), но момент пуска не превышает и половины от номинального момента (Мп⩽0,5Мном). При этом вращающееся магнитное поле обеспечивается при работе двигателя, но при пуске конденсаторного двигателя поле статора эллиптическое.

Чтобы увеличить пусковой момент в цепь добавляют ещё один конденсатор, пусковой (Cп). Аналогично предыдущему случаю он включается во время пуска и отключается после разгона двигателя до частоты вращения близкой к номинальной. Если не отключить пусковой конденсатор, то при небольшом скольжении в цепи двигателя может возникнуть резонанс напряжений, из-за чего напряжение на обмотке и конденсаторе станет в 2-3 раза больше, чем напряжение сети.

ВАЖНО! Номинальное напряжение конденсатора должно быть больше амплитудного значения напряжения сети. Но на специальных пусковых и рабочих конденсаторах для электродвигателей указывается действующее напряжение, которое они выдерживают.

Разновидности

Как отмечалось выше, такие двигатели встречаются в основном в насосах, компрессорах кондиционеров и холодильников и в вентиляции. Обычно мощность таких двигателей не превышает 5 кВт, очень редко доходит до 11 кВт. И на практике встречаются такие варианты обозначений:

1. RSIR— двигатель с реостатным пуском (у него высокое сопротивление пусковой обмотки) и низким пусковым моментом. Обмотка такого двигателя отключается с помощью электромагнитного реле или с помощью PTC. PTC– это термистор с положительным коэффициентом сопротивления — при нагреве сопротивление сильно увеличивается, снижая ток пусковой обмотки практически до нуля.
2. RSCRили CTP —аналогичен RSIR с твердотельным пусковым устройством типа PTC, но в схему добавляется постоянно подключённый конденсатор для повышения КПД и cosФ.
3. CSIR — двигатель с пусковым конденсатором и высоким пусковым моментом.
4. PSC— конденсаторный двигатель, к которому подключается только рабочий конденсатор без пускового.
5. CSCR или CSR — двигатель с пусковым и рабочим конденсатором, высоким пусковым моментом.

Все эти варианты мы разобрали выше по тексту, поэтому ещё раз останавливаться на этом не будем.

Двигатель с экранированными полюсами

Отдельно стоит упомянуть о двигателе с экранированными полюсами. Это ещё один вид асинхронного двигателя, который работает при однофазном питании. Главная его особенность в том, что вспомогательной обмотки как таковой нет, вернее, она представляет собой один или несколько короткозамкнутых витков, которые установлены на части статора, разделяя его на две части.

На полюсах статора такого двигателя намотана катушка возбуждения, и у каждого из этих полюсов есть паз, который делит сердечник на две неравные части, в этом пазу уложена короткозамкнутая обмотка вокруг меньшей части полюса. Такое разделение сердечника и называется расщеплённым полюсом.

Ротор такого двигателя, как и во всех других случаях короткозамкнутый (беличья клетка).

Основной поток статора Ф делится на 2 части, первая часть Ф1 проходит по большей части (неэкранированной) магнитопровода, вторая часть потока по меньшей экранированной части магнитопровода и наводит в короткозамкнутой обмотке ЭДС, которое порождает электрический ток, а согласно правилу Ленца:

«Индукционный ток всегда имеет такое направление, что он ослабляет действие причины, возбуждающей этот ток.»

То есть индуцированный в короткозамкнутом кольце ток создаёт свой магнитный поток Фк, который направлен встречно потоку Ф2. Итоговый поток экранированного полюса равен Фэ=Ф2-Фк, кроме этого, поток Фэ сдвигается и по фазе во времени.

Работа двигателя с экранированным полюсом. Иллюстрация найдена на сервисе «Яндекс Картинки».

Так как поток ФЭ сдвинут относительно основного магнитного потока двигателя в пространстве и во времени относительно Ф1 формируется не пульсирующее, а вращающееся эллиптическое поле.

Пусковой и рабочий момент и энергоэффективность двигателей с расщеплёнными полюсами намного ниже, чем у конденсаторных. Пусковой момент лежит в пределах 20-50% от номинального (Мп=0,2…0,5×Мном), а низкий КПД связан с потерями в короткозамкнутом витке.

Поэтому такие двигатели всегда производятся небольшой мощности — до 300 ватт, а чаще десятки ватт. Используются в кухонных вытяжках, маломощных вентиляторах и других подобных устройствах.

Двигатель с расщеплёнными полюсами – это нереверсивное устройство, то есть нельзя изменить направление вращения. Они допускают частые пуски и остановки, не перегреваясь при этом, а также могут долго находиться в заторможенном состоянии (когда напряжение подано, а вал заклинен) и не сгореть при этом.

Тогда как у конденсаторных двигателей изменять направление вращение можно, но они не могут длительно находиться в заклиненном состоянии, и не выдерживают частые пуски и внезапные остановки.

На этом предлагаю закончить разговор об однофазных двигателях, спасибо за внимание и делитесь своим опытом работы с ними в комментариях.

Как увеличить мощность трехфазного двигателя?

Несколько способов увеличения мощности трехфазного двигателя:

1. Изменение напряжения питания: при увеличении напряжения на 10% мощность увеличится на 20-30%.

2. Использование конденсатора: установка конденсатора на статоре может увеличить мощность двигателя до 50%. Однако не стоит забывать, что увеличение мощности может привести к перегрузке двигателя и снижению его срока службы.

3. Изменение частоты питания: увеличение частоты питания на 10% приводит к увеличению мощности на 20-30%.

4. Изменение конструкции двигателя: можно заменить ротор и статор на более мощные, однако это требует замены всего двигателя.

Важно отметить, что любые манипуляции с двигателем должны выполняться специалистами с соответствующей квалификацией, чтобы избежать возможных поломок и аварийных ситуаций.