Электродвигатели бытовые однофазные

Электродвигатели бытовые однофазные: конструкция, принцип действия, классификация и применение

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.

Принцип действия и проблема пуска

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 и типы однофазных двигателей

Классификация осуществляется по способу создания пускового момента и условиям работы пусковой обмотки.

1. Двигатели с пусковой обмоткой и пусковым сопротивлением (бифилярные)

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.

2. Конденсаторные электродвигатели

Наиболее распространенный и эффективный тип. Сдвиг фаз (близкий к 90°) создается включением конденсатора последовательно с пусковой обмоткой. Разделяют три основных подвида:

• С пусковым конденсатором (Capacitor Start Induction Run — CSIR). Конденсатор (электролитический, большой емкости) работает только в момент пуска, отключаясь центробежным выключателем после достижения 70-80% номинальной скорости. Имеют высокий пусковой момент (до 300% от номинального). Применяются в компрессорах, мощных насосах, станках.
• С рабочим конденсатором (Permanent Split Capacitor — PSC). Конденсатор (обычно пленочный, меньшей емкости) постоянно включен в цепь вспомогательной обмотки. Центробежный выключатель отсутствует. Пусковой момент умеренный (50-100% от номинального), но КПД и коэффициент мощности в рабочем режиме выше, чем у двигателей с пусковым конденсатором. Работают тише. Широко применяются в вентиляторах, воздуходувках, циркуляционных насосах.
• С пусковым и рабочим конденсаторами (Capacitor Start Capacitor Run — CSCR). Комбинированная схема. В момент пуска включены оба конденсатора (параллельно), создавая максимальный момент. После разгона пусковой конденсатор отключается, а рабочий остается в цепи. Это оптимальный вариант для механизмов с тяжелым пуском и длительной работой под нагрузкой (поршневые насосы, деревообрабатывающее оборудование).

3. Двигатели с экранированными полюсами (Shaded-Pole)

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.

Конструктивные особенности и основные компоненты

• Статор. Набирается из листов электротехнической стали для снижения потерь на вихревые токи. Имеет двухфазную (две обмотки, смещенные на 90 электрических градусов) или явнополюсную (для двигателей с экранированными полюсами) обмотку.
• Ротор. Практически всегда короткозамкнутый типа «беличья клетка». Изготавливается литьем под давлением из алюминиевого сплава в пазы сердечника, набранного из листовой стали.
• Пусковое устройство. Для двигателей с пусковой обмоткой (CSIR, CSCR) обязательным элементом является центробежный выключатель, установленный на валу ротора. При достижении заданной скорости его контакты размыкаются, отключая пусковую цепь.
• Конденсаторы.
  • Пусковые (Start): Электролитические, неполярные. Рассчитаны на кратковременную работу (не более 3 секунд за пуск). Имеют большую удельную емкость.
  • Рабочие (Run): Пленочные, металлобумажные. Рассчитаны на постоянную работу в цепи. Обладают меньшей емкостью, но высоким рабочим напряжением и низкими потерями.
• Подшипниковые узлы. Используются шариковые или скольжения (втулочные) подшипники. Смазка закладывается на весь срок службы или предусмотрены масленки.

Основные параметры и характеристики

При выборе двигателя для бытового применения учитывают следующие ключевые параметры:

Таблица 1. Основные параметры бытовых однофазных двигателей

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.

Схемы подключения и управление

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).

Области применения в бытовой технике и оборудовании

• Системы вентиляции и кондиционирования: Вытяжные и приточные вентиляторы (PSC), компрессоры кондиционеров и холодильников (CSIR, CSCR).
• Насосное оборудование: Циркуляционные насосы систем отопления (PSC), погружные и поверхностные насосы для воды (CSIR, CSCR), дренажные насосы.
• Стиральные машины: Привод барабана (современные инверторные двигатели — это чаще трехфазные с инвертором, но классические — конденсаторные).
• Станки и инструмент: Настольные сверлильные, токарные, деревообрабатывающие станки, компрессоры (CSIR, CSCR).
• Прочая техника: Вытяжки, кухонные комбайны, мясорубки, приводы ворот (CSIR, PSC), маломощные вентиляторы (экранированные полюса).

Преимущества и недостатки по сравнению с трехфазными двигателями

Преимущества:

• Возможность работы от стандартной однофазной сети 220 В.
• Простота конструкции (относительно двигателей с фазным ротором).
• Надежность и долговечность при правильной эксплуатации.

Недостатки:

• Более низкий КПД и коэффициент мощности при одинаковой мощности с трехфазным аналогом.
• Более сложная схема пуска, наличие дополнительных элементов (конденсаторы, выключатели).
• Ограничение по максимальной мощности (как правило, до 3-4 кВт в бытовом исполнении из-за высоких пусковых токов и нагрузки на сеть).
• Пусковой ток может в 5-9 раз превышать номинальный.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Как определить тип однофазного двигателя по клеммной колодке?

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).

Как подобрать конденсатор для замены?

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.

Почему двигатель гудит, но не вращается, или запускается только при раскрутке вала рукой?

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.

Как изменить направление вращения (реверс) однофазного конденсаторного двигателя?

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.

Чем опасна длительная работа двигателя с пусковым конденсатором в цепи (при залипании центробежного выключателя)?

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.

Почему двигатель сильно греется даже без нагрузки?

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.

Каковы основные критерии выбора двигателя для бытового применения?

• Мощность и скорость: Соответствие характеристик механизма.
• Тип двигателя: CSIR/CSCR для тяжелого пуска, PSC для длительной работы с переменной нагрузкой (вентиляторы).
• Монтажные размеры и крепление: Фланец или лапы, диаметр вала.
• Степень защиты IP: Соответствие условиям окружающей среды (влажность, пыль).
• Класс изоляции: Для нагревостойкости (класс F предпочтительнее).