Понимание однофазных индукционных двигателей: типы, работа и повышение эффективности

Понимание однофазных индукционных двигателей

Однофазные индукционные двигатели повсеместны в бытовых и легких промышленных применениях, но их работа существенно отличается от трехфазных аналогов. Эта статья объясняет, почему однофазный двигатель не может саморазогнаться, описывает различные стратегии вспомогательных обмоток для надежной работы и обсуждает современные методы коррекции косинуса фи для повышения эффективности.

Почему трехфазный двигатель не работает от однофазного питания

Когда трехфазный двигатель подключается к однофазному питанию, его можно вручную разогнать в любом направлении, и он разогнается до полной скорости за несколько секунд. Однако он достигнет только около 2/3 номинальной мощности, потому что одна из трех обмоток фактически не используется. Двигатель создает пульсирующее магнитное поле, а не вращающееся, поэтому саморазгоняющегося крутящего момента не возникает.

Работа одиночной катушки и необходимость вспомогательной обмотки

Одиночная катушка однофазного индукционного двигателя генерирует невращающееся, пульсирующее магнитное поле. Производятся два встречно-вращающихся фазора, совпадающие только на 0° и 180° электрических, в результате чего нет пускового крутящего момента. Если ротор вручную раскрутить до скорости чуть ниже синхронной, максимальный крутящий момент возникает при примерно 10% скольжения относительно прямого вращающегося фазора. После запуска двигателя вспомогательная обмотка становится опциональной.

Однофазные индукционные двигатели обычно имеют медную или алюминиевую белковую клетку ротора внутри стальной ламинированной оболочки, аналогично многофазным двигателям.

Двигатель с постоянно включенным конденсатором (PSC)

Добавление второй обмотки на 90° электрически и питание ее током со сдвигом 90° по фазе фактически создает двухфазный двигатель от однофазного питания. Эта конфигурация известна как двигатель с постоянно включенным конденсатором (PSC).

PSC двигатели выдают более высокий пусковой крутящий момент и более плавные рабочие характеристики до 1/4 л.с. (200 Вт). Конденсатор держится малым, чтобы минимизировать потери, и может быть переключен для смены направления вращения.

Конденсаторный пусковой индукционный двигатель

В более крупных двигателях большой конденсатор ставится последовательно с вспомогательной обмоткой, которая отключается центробежным выключателем при достижении рабочей скорости. Эта схема дает высокий пусковой крутящий момент, делая ее идеальной для тяжелых нагрузок, таких как компрессоры кондиционеров.

Конденсаторный рабочий индукционный двигатель

Вариация конденсаторного пуска использует большой пусковой конденсатор и меньший рабочий конденсатор. Меньший конденсатор снижает рабочие потери, сохраняя почти вращающееся магнитное поле.

Пусковые конденсаторы часто электролитические и должны использоваться только периодически из-за высоких потерь. Рабочие конденсаторы — полимерные или керамические, чтобы держать потери низкими при непрерывной работе.

Сопротивление-раскол-фазный двигатель

Когда второстепенная обмотка с меньшим числом витков и более высоким сопротивлением ставится на 90° электрически, она создает 30° фазовый сдвиг при пуске. Вспомогательная обмотка отключается центробежным выключателем на ¾ синхронной скорости. Эта простая, безконденсаторная конструкция подходит для двигателей до 1/3 л.с. (250 Вт).

Коррекция косинуса фи для однофазных двигателей

Фрэнк Нола из NASA ввел корректор косинуса фи в 1970-х для решения проблемы низкого косинуса фи слабо загруженных индукционных двигателей. Ощущая косинус фи и снижая приложенное напряжение, устройство восстанавливает более высокий косинус фи и снижает потери в сердечнике.

Хотя трехфазные двигатели уже предлагают превосходный КПД, однофазные могут достичь в 2–4 раза лучшей производительности при работе близко к полной нагрузке. Для двигателей, часто простаивающих или работающих на малых нагрузках (≤ 25% полной нагрузки), контроллер косинуса фи может дать заметную экономию энергии, особенно в оборудовании, таком как конвейеры или тяжелые насосы.

Ключевые выводы

• Однофазные двигатели требуют вспомогательную обмотку и фазово-смещенный ток для пуска.
• Двигатели с постоянно включенным конденсатором используют конденсатор и при пуске, и в работе.
• Конденсаторные пусковые двигатели дают высокий пусковой крутящий момент, но используют конденсатор только при пуске.
• Конденсаторные рабочие двигатели используют большой пусковой и меньший рабочий конденсатор.
• Сопротивление-раскол-фазные двигатели создают фазовый сдвиг через различное сопротивление, давая умеренный пусковой крутящий момент без конденсатора.

Связанные ресурсы

• Рабочий лист по теории двигателей переменного тока