Однофазные асинхронные электродвигатели представляют собой класс электрических машин переменного тока, питание которых осуществляется от стандартной бытовой сети 220 В, 50 Гц. Их ключевая особенность — наличие одной рабочей (основной) обмотки на статоре. Основная проблема, решаемая в конструкции таких двигателей — отсутствие вращающегося магнитного поля при подаче напряжения на одну обмотку, что делает невозможным самостоятельный пуск. Для создания начального пускового момента применяются различные схемные и конструктивные решения, которые и определяют тип двигателя.
При подаче переменного синусоидального тока на единственную обмотку статора создается пульсирующее, а не вращающееся, магнитное поле. Это поле можно разложить на два поля, вращающихся в противоположные стороны с одинаковой амплитудой и скоростью. В состоянии покоя их моменты уравновешены, и результирующий пусковой момент равен нулю. Для запуска необходимо «сдвинуть» ротор в одном из направлений, искусственно создав эллиптическое или близкое к круговому вращающееся поле. Это достигается за счет введения второй обмотки (пусковой или вспомогательной), смещенной в пространстве относительно основной, с током, сдвинутым по фазе. Сдвиг фаз тока обеспечивается включением в цепь пусковой обмотки фазосдвигающего элемента: конденсатора, индуктивности или активного сопротивления.
Классификация осуществляется по способу создания пускового момента и условиям работы пусковой обмотки.
Пусковая обмотка имеет повышенное активное сопротивление (более тонкий провод или изготавливается из сплава с высоким удельным сопротивлением, например, нихрома) и/или включается последовательно с резистором. Индуктивное сопротивление основной обмотки велико, а активное — мало. В пусковой обмотке — наоборот. Это создает сдвиг фаз между токами обмоток примерно на 30°. Пусковой момент небольшой, пусковые токи высокие. После разгона центробежный выключатель (центробежный регулятор) полностью отключает пусковую обмотку. Двигатель работает только на рабочей обмотке. Основные недостатки: низкий пусковой момент, чувствительность к изменению нагрузки при пуске. Применяются редко в современной технике.
Наиболее распространенный и эффективный тип. Сдвиг фаз (близкий к 90°) создается включением конденсатора последовательно с пусковой обмоткой. Разделяют три основных подвида:
Конструктивно наиболее простой и дешевый тип. На явно выраженных полюсах статора размещается короткозамкнутый виток из меди или латуни — экранирующая катушка. Переменный магнитный поток в части полюса, охваченной витком, отстает по фазе от потока в основной части. Это создает бегущее поле в направлении от неэкранированной к экранированной части полюса. Пусковой момент крайне низок, КПД не превышает 15-30%. Реверс возможен только конструктивно (перевернув статор). Применяются в маломощных устройствах, не требующих большого момента: малогабаритные вентиляторы, кулеры, проигрыватели.
При выборе двигателя для бытового применения учитывают следующие ключевые параметры:
| Параметр | Обозначение/Единица измерения | Пояснение и типовые значения для бытового сегмента |
|---|---|---|
| Номинальная мощность | Pн, кВт (л.с.) | Полезная механическая мощность на валу. Диапазон: от 0.06 кВт (вентиляторы) до 3-4 кВт (насосы, станки). |
| Номинальное напряжение и частота | Uн, В / f, Гц | 220-230 В, 50 Гц (в некоторых моделях 60 Гц или универсальные 50/60 Гц). |
| Номинальная скорость | n, об/мин | Зависит от числа пар полюсов (p): 3000 об/мин (p=1), 1500 об/мин (p=2), 1000 об/мин (p=3). Наиболее распространены 1500 и 3000 об/мин. |
| Коэффициент полезного действия (КПД) | η, % | Зависит от типа и мощности. PSC: 50-70%, CSIR/CSCR: 60-75%, Двигатели с экранированными полюсами: 15-30%. |
| Коэффициент мощности (cos φ) | cos φ | Обычно низкий: 0.6-0.9. Выше у двигателей с рабочим конденсатором (PSC, CSCR). |
| Пусковой момент | Mп, % от Mн | CSIR/CSCR: 200-350%. PSC: 50-100%. Двигатели с экранированными полюсами: 30-80%. |
| Максимальный (критический) момент | Mmax, % от Mн | Обычно 200-300%. Характеризует перегрузочную способность. |
| Способ охлаждения | IC | В бытовых двигателях — самовентилируемые (IC 411). На валу установлена крыльчатка. |
| Класс изоляции | — | Определяет максимально допустимую температуру обмоток. Наиболее распространен класс B (130°C) или F (155°C). |
| Степень защиты IP | IPXX | Для внутреннего размещения: IP54, IP55. Для сухих помещений: IP23, IP44. |
Типовая схема подключения однофазного конденсаторного двигателя (CSIR) включает в себя: клеммную колодку, пусковой конденсатор, центробежный выключатель. На колодке обычно присутствуют 3 или более клемм: общий вывод (L), выводы рабочей (U1, U2) и пусковой (Z1, Z2) обмоток. Реверс осуществляется переключением концов пусковой или рабочей обмотки. Для двигателей типа PSC реверс часто организуется переключением конденсатора с одной обмотки на другую. Управление скоростью в базовом исполнении сложно, так как скорость асинхронного двигателя жестко привязана к частоте сети. Для плавного регулирования используются частотные преобразователи, специально разработанные для однофазных двигателей, или схемы на симисторах с обратной связью по скорости (для двигателей PSC в вентиляторах).
Преимущества:
Недостатки:
Если на колодке 3 клеммы, это, скорее всего, двигатель с пусковой обмоткой и центробежным выключателем (CSIR). Сопротивление между клеммами: между двумя любыми — сумма сопротивлений двух обмоток, при этом пусковая обмотка имеет большее активное сопротивление, чем рабочая. Если клемм 4 и присутствует конденсатор, это может быть PSC или CSCR. Наличие двух конденсаторов указывает на CSCR. Если клемм 4, но конденсатора нет, а сопротивления двух обмоток равны — это, вероятно, двигатель с расщепленными фазами (бифилярный).
Для пускового конденсатора ключевые параметры: емкость (мкФ) и рабочее напряжение (~V). Емкость должна соответствовать указанной на шильдике двигателя или старого конденсатора. Допустимо небольшое отклонение (+/-10%). Напряжение — не менее указанного, лучше с запасом (450 В, 500 В). Тип — только пусковые (Start). Для рабочего конденсатора требования строже: емкость должна точно соответствовать номиналу, напряжение — не ниже указанного. Тип — только рабочие (Run). Установка пускового конденсатора вместо рабочего недопустима из-за риска взрыва при длительной работе.
Это явный признак неисправности пусковой цепи. Возможные причины: неисправность (обрыв или потеря емкости) пускового конденсатора; залипли или окислились контакты центробежного выключателя; обрыв пусковой обмотки. Раскрутка вала вручную помогает сдвинуть ротор, после чего двигатель, работая на одной рабочей обмотке, продолжает вращение, но с пониженным моментом и перегревом.
Необходимо поменять местами концы либо пусковой, либо рабочей обмотки. На практике на клеммной колодке это делается перестановкой перемычки. Важно: реверс возможен только в состоянии покоя двигателя. Для двигателей с экранированными полюсами реверс в стандартном исполнении невозможен.
Пусковой конденсатор не рассчитан на длительную работу. Он быстро перегреется, давление электролита внутри возрастет, что приведет к вздутию корпуса и возможному взрыву с разбросом электролита. Кроме того, пусковая обмотка, рассчитанная на кратковременный режим, будет перегреваться, что может вызвать межвитковое замыкание и выход двигателя из строя.
Причины перегрева: неправильно подобранный конденсатор (емкость не соответствует номиналу); повышенное напряжение сети; задевание ротором статора (износ подшипников); межвитковое замыкание в одной из обмоток; работа двигателя в режиме, отличном от номинального (например, PSC под тяжелой нагрузкой). Перегрев снижает ресурс изоляции и ведет к преждевременному старению двигателя.