Трёхфазный двигатель может работать от однофазного источника питания. Однако в этом случае он не запускается самостоятельно. Его можно запустить вручную, прокрутив в любом направлении, придав скорость за несколько секунд. Двигатель будет развивать только ⅔ номинальной мощности 3-φ, потому что одна обмотка не используется.
Рис. 1. Двигатель 3-φ работает от мощности 1-φ, при этом отсутствует самозапуск.
Одиночная катушка однофазного двигателя
Одиночная катушка однофазного асинхронного двигателя создаёт не вращающееся магнитное поле, а пульсирующее поле, достигающее максимальной напряжённости при электрическом напряжении 0° и 180°.
Рис. 2. Однофазный статор создаёт невращающееся пульсирующее магнитное поле.
Если на это посмотреть с другой стороны, то одиночная катушка, возбуждаемая однофазным током, создаёт два вектора магнитного поля, вращающихся в противоположных направлениях, совпадающих дважды за оборот при 0° (рисунок 2.a) и 180° (рисунок 2.д). Когда векторы поворачиваются на 90° и -90°, они полностью обнуляют друг друга (рисунок 2.в).
При 45° и -45° (рисунки 2.б и 2.г) они частично складываются по оси «X» и вычитаются по оси «Y». Сумма этих двух векторов – это вектор, неподвижный в пространстве, но чередующийся во времени. Поэтому пусковой крутящий момент не создаётся.
Однако, если ротор вращается вперёд со скоростью немного меньшей, чем синхронная скорость, он будет развивать максимальный крутящий момент при 10% скольжении относительно вектора прямого вращения. Меньший крутящий момент будет развиваться выше или ниже, чем 10% скольжения.
Ротор будет испытывать скольжение на 20% – 10% относительно вектора магнитного поля, вращающегося в противоположных направлениях. Небольшой крутящий момент (см. кривую зависимости крутящего момента от скольжения), за исключением двойной частотной пульсации, вырабатывается вектором, вращающимся в противоположном направлении. Таким образом, однофазная катушка будет развивать крутящий момент после запуска ротора.
Если ротор запускается в обратном направлении, он будет развивать такой же большой крутящий момент, поскольку он приближается к скорости вращающегося в обратном направлении вектора.
Однофазные асинхронные двигатели имеют медную или алюминиевую короткозамкнутую «беличью клетку», встроенную в цилиндр из стальных пластин, что типично для многофазных асинхронных двигателей.
Двигатель с постоянным разделением ёмкости
Один из способов решить проблему с однофазным двигателем – построить двухфазный двигатель, получающий двухфазное питание от однофазного. Для этого требуется двигатель с двумя электрическими обмотками, разнесенными на 90°, с питанием от двух фаз тока, смещённых во времени на 90°. Это называется конденсаторным двигателем с постоянным разделением ёмкости.
Рис. 3. Асинхронный двигатель с постоянным разделением ёмкости.
Работу этого типа двигателя осложняет увеличение величины тока и сдвиг во времени назад, когда набор скорости двигателя сопровождается пульсациями крутящего момента. Проблема решается, если уменьшить ёмкость конденсатора (а вместе с ней и импеданс), минимизируя потери.
Тогда потери будут меньше, чем у двигателя с экранированными полюсами. Эта конфигурация двигателя хорошо работает до ¼ лошадиных сил (200 Вт), хотя обычно применяется к двигателям меньшего размера. Направление работы двигателя легко изменить, включив конденсатор последовательно с другой обмоткой. Этот тип двигателя можно адаптировать для использования в качестве серводвигателя, описанного в другом месте этой главы.
Рис. 4. Однофазный асинхронный двигатель со встроенными катушками статора.
Однофазные асинхронные двигатели могут иметь катушки, встроенные в статор для двигателей большего размера. Тем не менее, меньшие размеры предполагают меньшую сложность при создании концентрированных обмоток с выступающими полюсами.
Асинхронный двигатель с конденсаторным пуском
На рисунке ниже конденсатор большего размера может использоваться для запуска однофазного асинхронного двигателя через вспомогательную обмотку, если он отключается центробежным переключателем, когда двигатель набирает обороты. Кроме того, во вспомогательной обмотке может быть намного больше витков из более тяжёлого провода, чем в двигателе с разделённой фазой сопротивления, с целью уменьшения чрезмерного повышения температуры.
В результате для таких тяжёлых нагрузок, как компрессоры кондиционеров, доступен больший пусковой крутящий момент. Эта конфигурация двигателя работает настолько хорошо, что используется в достаточно мощных устройствах (на несколько киловатт).
Рис. 5. Асинхронный двигатель с конденсаторным пуском.
Конденсаторный асинхронный двигатель
Разновидностью такого двигателя с конденсаторным пуском (рисунок ниже) – это двигатель, в котором для запуска используется относительно большой конденсатор для достижения высокого пускового момента, но после запуска в цепи остаётся только конденсатор меньшей ёмкости, с целью улучшить рабочие характеристики двигателя, не потребляя чрезмерного тока. Дополнительная сложность конденсаторного двигателя оправдана, если речь о двигателях большого размера.
Рис. 6. Конденсаторный асинхронный двигатель.
Пусковой конденсатор двигателя – это обычно неполярный электролитический конденсатор с двойным анодом, который может представлять собой два последовательно соединённых поляризованных электролитических конденсатора, с взаимным расположением (+) к (+) или (-) к (-). У подобных электролитических конденсаторов переменного тока настолько высокие потери, что их можно использовать только в прерывистом режиме (1 секунда во включённом состоянии, 60 секунд в выключенном), например, только при запуске двигателя.
Конденсатор для долговременной работы двигателя должен иметь не электролитическую конструкцию. Это может быть полимерный конденсатор с более низкими потерями.
Асинхронный двигатель с разделённым фазным сопротивлением
Если во вспомогательной обмотке гораздо меньше витков, а провод меньшего размера расположен под углом 90° к основной обмотке, то этого хватит для запуска однофазного асинхронного двигателя. При более низкой индуктивности и более высоком сопротивлении ток будет испытывать меньший фазовый сдвиг, чем основная обмотка.
Может быть получена разность фаз около 30°. Эта катушка создаёт умеренный пусковой крутящий момент, который отключается центробежным переключателем на ¾ синхронной скорости. Эта простая (без конденсатора) конструкция хорошо подходит для двигателей мощностью до ⅓ лошадиных сил (250 Вт), управляющих легко запускаемыми нагрузками.
Рис. 7. Асинхронный двигатель с разделённым фазным сопротивлением.
Этот двигатель имеет больший пусковой крутящий момент, чем двигатель с экранированными полюсами (о них в следующем разделе), но не такой большой, как двухфазный двигатель, построенный из тех же частей. Плотность тока во вспомогательной обмотке во время пуска настолько высока, что последующий быстрый рост температуры исключает частый перезапуск или медленные пусковые нагрузки.
Корректор коэффициента мощности Нола
Фрэнк Нола (инженер НАСА) предложил корректор коэффициента мощности (ККМ) для повышения эффективности асинхронных двигателей переменного тока в середине 1970-х годов. Он основан на предположении, что асинхронные двигатели неэффективны при нагрузке ниже полной. Эта неэффективность коррелирует с низким коэффициентом мощности.
Коэффициент мощности меньше единицы возникает из-за тока намагничивания, необходимого для статора. Этот фиксированный ток составляет большую долю от общего тока двигателя при уменьшении нагрузки на двигатель. При небольшой нагрузке полный ток намагничивания не требуется. Его можно уменьшить, уменьшив подаваемое напряжение, улучшив коэффициент мощности и КПД. Корректор коэффициента мощности определяет коэффициент мощности и снижает напряжение двигателя, тем самым восстанавливая более высокий коэффициент мощности и уменьшая потери. Поскольку однофазные двигатели примерно в 2–4 раза менее эффективны, чем трёхфазные двигатели, существует потенциальная экономия энергии для двигателей 1-φ. Для полностью нагруженного двигателя экономии нет, так как требуется весь ток намагничивания статора.
Напряжение нельзя уменьшить. Но можно сэкономить, если двигатель нагрузить чуть менее чем полностью. Двигатель с номинальным напряжением 117 В переменного тока рассчитан на работу при напряжении от 127 В переменного тока до 104 В переменного тока. Это означает, что он не полностью загружен при работе при напряжении более 104 В переменного тока, например, при работе холодильника на 117 В переменного тока.
Корректор коэффициента мощности может безопасно снизить сетевое напряжение до 104–110 В переменного тока. Чем выше начальное напряжение в сети, тем больше потенциальная экономия. Конечно, если энергокомпания подаст напряжение ближе к 110 В переменного тока, двигатель будет работать более эффективно без каких-либо дополнительных устройств.
Если при 25% (или менее) тока полной нагрузки однофазный асинхронный двигатель не работает, такой мотор является кандидатом на использование корректора коэффициента мощности. Однако он должен работать большое количество часов в год. И чем больше времени он простаивает, как в пилораме, штамповочном прессе или конвейере, тем выше вероятность окупаемости корректора только через несколько лет эксплуатации. За него должно быть втрое легче платить по сравнению с более эффективным 3-φ-двигателем. Стоимость ККМ не окупается для двигателя, работающего всего несколько часов в день.
Итог
Однофазные асинхронные двигатели не могут запускаться самостоятельно без вспомогательной обмотки статора, приводимой в действие противофазным током около 90°. После запуска вспомогательная обмотка необязательна для дальнейшей работы двигателя.
Вспомогательная обмотка двигателя с постоянной разделённой ёмкостью имеет пусковой конденсатор, используемый во время пуска и основной конденсатор, для последующей работы.
Конденсаторный асинхронный двигатель имеет конденсатор, подключаемый последовательно с вспомогательной обмоткой во время запуска.
Рабочий конденсатор двигателя, как правило, имеет последовательно подключённый больший неполяризованный электролитический конденсатор со вспомогательной обмоткой для запуска. Рабочий конденсатор имеет меньшие параметры, чем пусковой.
Вспомогательная обмотка резистивного электродвигателя с разделённой фазой развивает разность фаз по сравнению с основной обмоткой во время пуска из-за разницы в сопротивлении.
