Однофазний асинхронний двигун проти трифазного: відмінності

Основні відмінності у конструкції та живленні

Порівняння однофазних та трифазних систем у конструкції двигунів

Однофазні двигуни використовують одну змінну синусоїдну хвилю, що призводить до простішої конструкції з одним статорним обмотуванням. Трифазні двигуни використовують три накладені змінні синусоїдні хвилі, зсунуті одна відносно одної на 120°, що потребує складних багатокотушкових конструкцій статора. Така конструкція дозволяє трифазним системам забезпечувати постійну подачу потужності, тоді як однофазні двигуни під час роботи відчувають природні пульсації крутного моменту.

Відмінності у живленні однофазних та трифазних двигунів

Більшість однофазних двигунів підключаються до звичайного побутового електроживлення на 120 або 240 вольт і потребують лише два проводи, які ми називаємо фазним і нейтральним. Промислові трифазні двигуни працюють інакше. Їм потрібні джерела живлення більшої потужності — від 208 до 480 вольт, зазвичай підключаються через три фазні проводи, а іноді й нейтральний провід. Саме завдяки цьому трифазне балансування забезпечує більш плавну роботу усього обладнання. Через це збалансоване розподілення навантаження електромонтажники можуть використовувати менші перерізи проводів для трифазних установок, ніж для аналогічних однофазних систем, що дозволяє знизити витрати на матеріали приблизно на чверть у багатьох випадках.

Напруга та конфігурації підключення в однофазних і трифазних двигунах

Ця різниця в підключенні впливає на вартість монтажу — промислові трифазні системи потребують на 40% більше матеріалів, але забезпечують на 173% більшу постійну потужність.

Генерація обертового магнітного поля в трифазних двигунах за допомогою зсуву фаз на 120°

Трифазний АЦД вони самі створюють обертове магнітне поле завдяки зсунутим фазам обмоткам. Електричний зсув фаз на 120° забезпечує послідовну активацію полюсів статора, що створює плавний обертальний момент без сторонньої допомоги. Це природне обертання поля дозволяє трифазним двигунам досягати до 98% ефективності в промислових приводах.

Генерація обертового магнітного поля в однофазних двигунах з використанням конденсаторів

Однофазні двигуни потребують пускових ланцюгів з підтримкою конденсатора, щоб створити штучне розщеплення фаз. Конденсатор ємністю 300–500 мкФ зсуває струм в допоміжних обмотках на 90°, забезпечуючи початковий обертальний момент. Цей метод збільшує втрати енергії на 15–20% порівняно з трифазними системами, але залишається економічно вигідним для малопотужних застосувань потужністю до 5 к.с.

Пускові механізми та здатність самозапуску

Чому трифазний асинхронний двигун самозапускається, а однофазному потрібна допомога

Трифазні асинхронні двигуни природним чином створюють це обертове магнітне поле, тому що вони працюють з трьома різними змінними струмами, кожен з яких відокремлений приблизно на 120 градусів. Спосіб, як ці фази симетрично вирівнюються, надає їм миттєвий обертовий момент від самого початку, тому вони насправді можуть починати працювати самостійно, без додаткової допомоги. Однофазні двигуни розповідають іншу історію. Вони мають лише один змінний струм, що проходить через них, що створює пульсуюче магнітне поле. І що думаєте? Це означає відсутність пускового моменту зовсім. Тож виробникам доводиться додавати додаткові компоненти, такі як конденсатори чи системи з екранованими полюсами, щоб просто запустити обертання.

Роль конденсаторів у забезпеченні пускового моменту для однофазних двигунів

Спосіб, за допомогою якого конденсатори вирішують проблему запуску однофазних двигунів, насправді досить витончений. Вони фактично створюють так званий штучний зсув фаз між різними частинами обмотки. Коли пусковий конденсатор вмикається, він створює фазову різницю приблизно в 90 градусів, що обманює двигун, і він «вважає», що існують дві фази замість однієї, що допомагає створити необхідне обертання. Більшість систем вимикає ці конденсатори, як тільки двигун досягає приблизно трьох чвертей повної швидкості, завдяки тим маленьким відцентровим вимикачам всередині. Згідно з деякими дослідженнями останніх років, такий підхід може підвищити пусковий момент від подвоєного до потроєного нормального рівня. Саме тому ми бачимо цю технологію всюди в побутових приладах, таких як холодильники й повітряні компресори, де потрібно швидко щось розкручувати, навіть якщо відразу приєднано щось важке.

Порівняльний пусковий момент в однофазних та трифазних системах

Ключовий висновок : Трифазні системи забезпечують на 30–60% вищий пусковий момент за рахунок власних характеристик, що зменшує механічне навантаження під час запуску. Це робить їх ідеальними для важких промислових навантажень, тим часом як однофазні системи з конденсаторами поступаються ефективності, але компактніші для менш навантажених умов.

Ефективність, продуктивність та плавність роботи

Енергоефективність та втрати в міді в однофазних та трифазних асинхронних двигунів

Трифазні двигуни змінного струму зазвичай мають ефективність використання енергії на 8–15 відсотків вищу, ніж однофазні двигуни. Це в основному пов'язано з тим, що потужність рівномірно розподіляється між трьома обмотками, замість того, щоб концентруватися в одному місці. За даними дослідження, опублікованого в журналі «Електротехніка» минулого року, такий збалансований підхід насправді зменшує втрати в міді на 30%. З іншого боку, однофазні двигуни мають проблеми зі спотворенням магнітних полів, оскільки всі завдання виконує лише одна обмотка. Оскільки ці двигуни працюють безперервно, вони втрачають більше енергії через опір, ніж є оптимальним. Виробники активно працюють над удосконаленням конструкцій трифазних двигунів, щоб краще організувати розташування провідників всередині них. Ці поліпшення допомагають зменшити втрати енергії, особливо коли двигун працює на максимальній потужності тривалий час.

Шум, вібрація та навантаження

Фазове розділення на 120° у трифазних системах створює більш плавне обертове магнітне поле, що зменшує амплітуду вібрацій на 40–60% порівняно з однофазними двигунами. Ця власна збалансованість дозволяє трифазним установкам витримувати великі промислові навантаження без проблем резонансу, тоді як однофазні моделі часто потребують амортизаційних кріплень для застосувань з високою вібрацією, таких як компресори.

Розмір, потужність та стабільність тривалої роботи

Трифазні асинхронні двигуни забезпечують у 2–3 рази більшу потужність на одиницю ваги, що робить їх придатними для компактних машин і 24/7 операцій. Однофазні двигуни домінують у застосуваннях потужністю до 5 к.с. через простішу конфігурацію обмоток, але вони мають на 12–18% більший підйом температури під час тривалого використання, що обмежує їхні цикли роботи в комерційних умовах.

Застосування в побутових та промислових умовах

Типові випадки використання однофазного асинхронного двигуна в побутових приладах

Однофазний змінний двигун використовується в багатьох побутових пристроях, які ми використовуємо щодня. Візьміть, наприклад, холодильники — вони зазвичай працюють при споживанні менше 50 Вт. Пральні машини потребують приблизно від 300 до 500 Вт, тоді як кондиціонери можуть споживати від 1000 до 3000 Вт, залежно від розміру. Ці двигуни чудово підходять для побутового використання, адже підходять до звичайних розеток (120 або 240 вольт) і не є надто великими для більшості приміщень. Вони особливо добре підходять для приладів, які не працюють постійно, і можуть виконувати завдання з потужністю до приблизно п'яти кінських сил без проблем. Найкращим прикладом того, наскільки тихо можуть працювати ці двигуни, є стельові вентилятори. Більшість моделей споживає приблизно 70 Вт, обертаючи лопасті для циркуляції повітря в приміщеннях площею близько 200 квадратних футів.

Перевага трифазного двигуна змінного струму в промислових машинах

Приблизно 86 відсотків усіх промислових машин працюють на трифазних двигунах змінного струму, тому що ці двигуни можуть витримувати значні навантаження, починаючи з приблизно 10 кінських сил, і підтримувати ефективність до 97%. Ці двигуни працюють у фоновому режимі, живлячи усе, від стрічкових конвеєрів, які переміщують вантажі в два тонни по цехах, до великих компресорів потужністю 50 кінських сил, які використовуються в комерційних системах опалення, вентиляції та кондиціонування повітря. Навіть прецизійні верстати з числовим програмним керуванням залежать від них для стабільного крутного моменту під час обробки. Те, що робить ці двигуни настільки цінними, — це те, як вони рівномірно розподіляють енергію протягом усього циклу роботи. Цей збалансований підхід зменшує втрати в міді під час безперервної роботи на стандартному рівні 480 вольт, що призводить до зниження експлуатаційних витрат з часом для виробників, які покладаються на надійну роботу двигунів день за днем.

Вибір правильного двигуна залежно від умов експлуатації та вимог до навантаження

Для побутових установок вибирають однофазні двигуни для простоти підключення «все в одному», тоді як на фабриках використовують трифазні системи для пресів для штампування металу (500А) та водяних насосів, що перекачують понад 1000 галонів на хвилину. Підприємства, що використовують трифазні двигуни, економлять у середньому 18 000 доларів щороку на енергетичних витратах порівняно з однофазними аналогами.

Вартість, технічне обслуговування та довготривала надійність

Початкова вартість та потреба в технічному обслуговуванні однофазних та трифазних двигунів

Однофазні двигуни, як правило, коштують приблизно на 30–40 % менше, ніж трифазні, що пояснює їхню популярність у побутових пристроях, які не потребують великої потужності — наприклад, усе, що нижче 2 кінських сил. Але тут є підводні камені. Ці двигуни суттєво залежать від пускових конденсаторів, а це означає, що згодом доведеться виконувати більше робіт з обслуговування. Більшість власників будинків змушені замінювати ці компоненти між трьома і п’ятьма роками експлуатації, витрачаючи щоразу від п’ятдесяти до ста двадцяти доларів. Трифазні двигуни повністю усувають цю проблему з конденсаторами. Дослідження, спрямовані на порівняння ефективності різних типів двигунів, показали, що протягом десяти років власники трифазних систем замінюють компоненти приблизно на 60 % рідше.

Порівняння довгострокових експлуатаційних витрат та надійності

Трифазні двигуни змінного струму насправді економлять близько 15–25 відсотків енергії під час постійної роботи, що означає, що додаткові кошти, витрачені спочатку, зазвичай окупаються протягом двох–трьох років, якщо ці двигуни працюють постійно. Спосіб, за допомогою якого вони передають потужність, набагато збалансованіший, тому вібрація, що зношує деталі з часом, значно менша. Це також робить їх набагато довговічнішими — приблизно між 25 тисячами і 30 тисячами годин порівняно з приблизно 15–20 тисячами годин, які зазвичай мають однофазні двигуни. Підприємства, яким дуже потрібно, щоб їхнє обладнання працювало без зупинки, відзначають ще одну важливу перевагу. Підприємства повідомляють, що кількість раптових поломок при використанні трифазних систем скорочується приблизно на 40 відсотків під час переміщення матеріалів з дня в день. Така надійність приносить реальну економію в часі та грошах для керівників виробництва, які займаються виконанням виробничих графіків.