Инженерное понимание — Моторные системы
Тихие компромиссы
однофазных двигателей
Каждая конструкция двигателя — это компромисс между простотой и производительностью. Однофазные асинхронные двигатели выигрывают в доступности, но компромиссы, на которые они идут, чтобы запуститься без пульсаций вращающегося поля, заключаются в крутящем моменте, эффективности, размере и долгосрочной надежности.
Прямой ответ
Основной недостаток А. однофазный асинхронный двигатель По сравнению с трехфазным асинхронным двигателем является конструктивным: он не может самостоятельно генерировать вращающееся магнитное поле. Все остальные недостатки — уменьшенный пусковой момент, более низкий КПД, повышенная вибрация, жесткий потолок выходной мощности — связаны с тем, что инженеры вспомогательного оборудования должны добавить только для запуска двигателя.
На практике однофазные двигатели обычно рассчитаны на нагрузку менее 5 л.с. (3,7 кВт). КПД при полной нагрузке обычно на 5–15 процентных пунктов ниже чем эквивалентная трехфазная конструкция, а пусковой момент может составлять всего 100–175% крутящего момента при полной нагрузке по сравнению со 150–300% для трехфазных двигателей.
Однофазный двигатель не перестает конкурировать с трехфазным двигателем — он никогда не участвует в одной и той же гонке. Его вращающееся поле заимствовано, а не встроено.
Пусковой момент и проблема вспомогательной обмотки
Трехфазный источник питания создает вращающееся поле в момент подачи питания, поскольку три его обмотки расположены на расстоянии 120 электрических градусов друг от друга. Однофазный источник питания не может сделать это в одиночку — его поле просто пульсирует вдоль одной оси, оставляя ротор с нулевым пусковым моментом в состоянии покоя. Чтобы компенсировать это, производители добавляют вторую обмотку, конденсатор или затененные полюса, чтобы имитировать второе поле, достаточное для начала движения.
- Двухфазные двигатели — пусковой момент около 100–175 % полной нагрузки, но высокий пусковой ток и склонность к перегреву при длительном пуске.
- Двигатели с конденсаторным пуском — более сильный пусковой момент, до 300–400% от полной нагрузки, за счет центробежного переключателя, который является частой точкой отказа.
- Двигатели с экранированными полюсами — самый простой и дешевый, но пусковой момент часто падает до 25–50% от полной нагрузки, подходит только для вентиляторов или насосов малой мощности.
Трехфазным двигателям ничего этого не нужно. Их поле присуще геометрии обмотки, что обеспечивает им постоянный пусковой момент без конденсатора, пусковой обмотки или переключения, которые со временем изнашиваются.
Эффективность и коэффициент мощности, бок о бок
Поскольку магнитное поле пульсирует, а не вращается плавно, генерирование крутящего момента происходит неравномерно в каждом электрическом цикле — и эта неравномерность в сочетании с резистивными потерями в пусковой обмотке напрямую проявляется в показателях эффективности.
| Тип двигателя | Мощность | Эффективность | Мощность Factor |
|---|---|---|---|
| Однофазная индукция | 1 ОЗ | 60–68% | 0,55–0,75 |
| Трехфазная индукция | 1 ОЗ | 75–82% | 0,80–0,90 |
| Однофазная индукция | 3 л.с. | 70–75% | 0,65–0,80 |
| Трехфазная индукция | 3 л.с. | 85–88% | 0,85–0,92 |
Меньший коэффициент мощности означает однофазный двигатель потребляет больше реактивного тока при той же активной мощности, что увеличивает потери в линии, а в коммерческих условиях счета выставляются по коэффициенту мощности, что увеличивает затраты, даже если подключенная нагрузка идентична.
Вибрация, шум и пульсация крутящего момента
Пульсирующее поле создает крутящий момент, который колеблется дважды за электрический цикл — с частотой 60 Гц и пульсацией с частотой 120 Гц, которая проявляется в виде слышимого шума и механической вибрации. Трехфазные двигатели с плавно вращающимся полем удерживают крутящий момент практически одинаковым на протяжении всего цикла.
В прецизионном оборудовании — приводах подачи с ЧПУ, робототехнике, лабораторных приборах — обычно не используются однофазные двигатели, поскольку пульсация крутящего момента может привести к измеримой ошибке позиционирования.
A однофазный мотор-редуктор используемые в легком погрузочно-разгрузочном оборудовании, часто требуют резинового изолированного крепления или дополнительных распорок для контроля вибрации, передаваемой на приводной механизм.
Почему однофазные двигатели не масштабируются
При мощности выше примерно 5 л.с. компоненты, необходимые для решения проблемы пульсации поля — более крупные конденсаторы, более тяжелые пусковые обмотки, более надежные переключатели — становятся непропорционально большими, дорогими и ненадежными по сравнению с подаваемой мощностью. Коммунальные предприятия также ограничивают однофазное питание при определенных нагрузках, поскольку большие однофазные двигатели вызывают мерцание напряжения в жилых сетях во время запуска.
однофазный двигатель
У трехфазных двигателей такого потолка нет. Их пусковой крутящий момент обусловлен геометрией обмотки, а не вспомогательным компонентом, поэтому конструкция эффективно масштабируется от долей мощности до нескольких тысяч — именно поэтому почти все крупные промышленные насосы, компрессоры и приводы конвейеров работают от трехфазной энергии.
Размер, вес и стоимость за лошадиную силу
При той же номинальной мощности однофазный двигатель обычно больше и тяжелее — дополнительная медь для пусковой обмотки, плюс место для корпуса конденсатора или узла переключателя, ни одно из которых не способствует созданию крутящего момента, когда двигатель набирает скорость.
| Атрибут | Однофазный (2 л.с.) | Трехфазный (2 л.с.) |
|---|---|---|
| Размер кадра | НЕМА 145Т–182Т | НЕМА 145Т |
| Вес | 30–40 фунтов | 22–28 фунтов |
| Относительная стоимость | Базовый уровень | Часто на 10–20% ниже |
Ирония в том, что трехфазные двигатели, несмотря на то, что они проще и легче, зачастую дешевле за лошадиную силу чем однофазные двигатели той же мощности — более высокие объемы производства и меньшее количество необходимых компонентов позволяют снизить стоимость.
Надежность: запуск компонентов как слабое звено
Каждая деталь, добавленная для решения проблемы пускового момента, становится потенциальной точкой отказа. Пусковые конденсаторы разрушаются при нагревании, а ослабленный конденсатор является одной из наиболее распространенных причин, по которым однофазный двигатель гудит, но никогда не запускается. Центробежные переключатели залипают; Кольца с заштрихованными полюсами трескаются при термоциклировании.
Отказ конденсатора является причиной значительной доли обращений в сервисное обслуживание однофазных двигателей. Трехфазные двигатели, полностью лишенные этих компонентов, выходят из строя в первую очередь из-за износа подшипников или нарушения изоляции — проблемы, общие для обоих типов, но не усугубляемые дополнительным пусковым оборудованием.
Где однофазный мотор-редуктор все еще имеет смысл
Несмотря на эти недостатки, однофазный мотор-редуктор остается практичным выбором в маломощных приложениях с малым рабочим циклом, где трехфазное питание недоступно — жилые мастерские, небольшое торговое оборудование, легкие упаковочные линии, работающие от обычной однофазной сети.
Если на объекте уже имеется трехфазное питание, трехфазный асинхронный двигатель почти всегда является лучшим инженерным выбором мощностью примерно 1 л.с. Если доступно только однофазное питание и нагрузка умеренная, конструкция с конденсаторным пуском или конденсаторным питанием остается разумным и экономически эффективным решением.
Редукторы, прикрепленные к небольшому однофазному двигателю, добавляют свои особенности: поскольку двигатель уже запускается с пониженным крутящим моментом, передаточное отношение должно выбираться тщательно, чтобы обеспечить достаточный пусковой момент для нагрузок с высоким трением, таких как приводы шнеков или тяжело нагруженные конвейерные ролики. Занижение этого запаса является распространенной ошибкой, когда однофазный мотор-редуктор предназначен для нагрузки, изначально рассчитанной на трехфазную трансмиссию.
В заключение
Однофазные асинхронные двигатели обменивают производительность на доступность. Меньший пусковой момент, снижение эффективности, меньший коэффициент мощности, дополнительная вибрация, практический потолок мощности около 5 л.с., большие размеры рамы и дополнительные точки механических неисправностей — это цена, которую приходится платить за работу от обычной однофазной сети. Когда доступно трехфазное питание и нагрузка превышает доли лошадиных сил, это остается более эффективным, плавным и надежным выбором. Если это не так, хорошо выбранный однофазный двигатель консервативного размера с надежным пусковым механизмом по-прежнему остается наиболее практичным путем вперед.
++86 13524608688
