Электродвигатели асинхронные однофазные 220 В

Электродвигатели асинхронные однофазные 220 В: устройство, принцип действия, характеристики и применение

Однофазные асинхронные электродвигатели на напряжение 220 В представляют собой класс электрических машин, в которых ротор вращается за счет взаимодействия с вращающимся магнитным полем статора, создаваемым одной фазой питающей сети. Основное их назначение – привод механизмов малой и средней мощности в условиях, где доступна только бытовая или однофазная промышленная сеть. Конструктивная простота, надежность и отсутствие необходимости в трехфазном питании обусловили их широчайшее распространение в насосном оборудовании, вентиляционных установках, станках, бытовой технике и системах автоматизации.

Принцип действия и проблема пуска

Фундаментальное отличие однофазного двигателя от трехфазного заключается в характере создаваемого магнитного поля. При подаче переменного напряжения на одну обмотку статора возникает не вращающееся, а пульсирующее магнитное поле. Такое поле можно представить как сумму двух полей, вращающихся в противоположные стороны с одинаковой скоростью. В неподвижном состоянии ротора моменты, создаваемые этими полями, равны и компенсируют друг друга, поэтому собственный пусковой момент у однофазного двигателя равен нулю.

Для создания начального пускового момента необходимо искусственно сместить фазу тока в части обмоток статора, имитируя двухфазную систему. Это реализуется с помощью пусковых устройств. После разгона ротора до скорости, близкой к номинальной, обратно вращающееся поле ослабевает, и двигатель продолжает работу в однофазном режиме.

Конструктивные типы и схемы включения

Классификация однофазных асинхронных двигателей 220 В проводится по способу создания пускового момента и конструкции пусковой цепи.

1. Двигатели с пусковой обмоткой и конденсаторным пуском (Capacitor Start Induction Run Motors)

На статоре расположены две обмотки: основная (рабочая) и пусковая, пространственный сдвиг между которыми составляет 90 электрических градусов. В цепь пусковой обмотки последовательно включены конденсатор и центробежный выключатель. Конденсатор обеспечивает сдвиг фаз тока, необходимый для создания вращающегося поля и высокого пускового момента. После разгона ротора центробежный выключатель размыкает цепь пусковой обмотки, и двигатель работает только на основной обмотке.

• Преимущества: Высокий пусковой момент (до 300-350% от номинального).
• Недостатки: Бросок тока при пуске, наличие механического изнашиваемого элемента (центробежного выключателя).
• Применение: Компрессоры, мощные насосы, подъемные механизмы – оборудование с тяжелым пуском.

2. Конденсаторные двигатели (Capacitor Start and Capacitor Run Motors)

Имеют две обмотки, обе из которых постоянно включены в сеть через два конденсатора: пусковой (C_p) и рабочий (C_r). Пусковой конденсатор, часто электролитический, отключается после разгона. Рабочий конденсатор, обычно бумажный или пленочный, остается в цепи постоянно, что улучшает рабочие характеристики, повышает КПД и cos φ.

• Преимущества: Высокий пусковой момент, хорошие рабочие характеристики, повышенный КПД.
• Недостатки: Более сложная и дорогая конструкция.
• Применение: Циркуляционные насосы, вентиляторы, деревообрабатывающие станки.

3. Двигатели с постоянно включенным конденсатором (Permanent Split Capacitor, PSC)

В цепи вспомогательной обмотки постоянно включен рабочий конденсатор. Пусковой момент у таких двигателей невысок, но конструкция максимально проста и надежна, так как отсутствует центробежный выключатель.

• Преимущества: Простота, надежность, низкий уровень шума, хорошие рабочие характеристики.
• Недостатки: Низкий пусковой момент (обычно 30-80% от номинального).
• Применение: Вентиляторы, вытяжки, маломощные насосы, приводы с легкими условиями пуска.

4. Двигатели с экранированными полюсами (Shaded-Pole Motors)

Создание вращающегося поля достигается за счет конструктивной асимметрии магнитопровода полюса. На части каждого полюса размещается короткозамкнутый виток (медное кольцо) – экран. Магнитный поток в экранированной части отстает по фазе, что создает бегущее поле от неэкранированной к экранированной части полюса. Пусковой момент крайне мал.

• Преимущества: Крайняя простота, дешевизна, высокая надежность.
• Недостатки: Очень низкий КПД (15-30%), низкий cos φ, малый пусковой и рабочий момент.
• Применение: Маломощные устройства: кулеры, вентиляторы обдува, проигрыватели.

Основные технические характеристики и параметры

При выборе и эксплуатации двигателя руководствуются следующими ключевыми параметрами:

Параметр	Обозначение / Единица измерения	Описание и типовые значения
Номинальная мощность	Pн, кВт	Полезная механическая мощность на валу. Диапазон для однофазных двигателей 220В: от 0.06 до 3-4 кВт. Наиболее распространены двигатели 0.18, 0.25, 0.37, 0.55, 0.75, 1.1, 1.5, 2.2 кВт.
Номинальное напряжение и частота сети	Uн, В / f, Гц	220 В ±10%, 50 Гц (реже 60 Гц).
Номинальная частота вращения	nн, об/мин	Зависит от числа пар полюсов (p): 3000 (p=1), 1500 (p=2), 1000 (p=3), 750 (p=4). Скольжение составляет 2-8%.
Номинальный ток	Iн, А	Потребляемый из сети ток при номинальной нагрузке. Пример: для двигателя 1.5 кВт/1500 об/мин Iн ≈ 8-9 А.
Коэффициент полезного действия	η, %	Зависит от мощности и типа. У двигателей с конденсаторным пуском 50-75%, у PSC – 40-60%, у двигателей с экранированными полюсами – 15-30%.
Коэффициент мощности	cos φ	Также сильно варьируется: 0.7-0.9 для конденсаторных, 0.3-0.5 для двигателей с экранированными полюсами.
Пусковой момент	Mп / Mн	Отношение пускового момента к номинальному. Крайне важен для выбора. У двигателей с пусковым конденсатором 2.0-3.5; у PSC – 0.3-0.8.
Максимальный момент	Mmax / Mн	Отношение критического (опрокидывающего) момента к номинальному. Обычно 1.8-2.5.
Способ охлаждения	IC	Наиболее распространен IC 0141 – самовентиляция с наружным обдувом крыльчаткой на валу.
Класс изоляции	—	Определяет допустимую температуру нагрева. Стандартно – класс F (155°C) или B (130°C).
Степень защиты	IP	IP54 – защита от брызг и пыли (для влажных помещений), IP23 – защита от капель (для сухих помещений), IP44 – стандартная защита.

Расчет и подбор рабочего и пускового конденсаторов

Емкость конденсаторов – критически важный параметр для конденсаторных двигателей. Неправильный подбор приводит к перегреву обмоток, снижению момента и КПД.

Для двигателей с постоянно включенным конденсатором (PSC):

Емкость рабочего конденсатора C_раб (мкФ) можно приближенно определить по эмпирическим формулам:

• C_раб ≈ (1200 P_н) / U_сети (для напряжения 220 В: C_раб ≈ 5.5 P_н [кВт])
• Или более точно: C_раб = 66 P_н [кВт] для соединения «звезда» и C_раб = 110 P_н [кВт] для «треугольника».

Для двигателей с конденсаторным пуском:

Емкость пускового конденсатора C_п должна быть в 2-3 раза больше рабочего: C_п = (2..3)

• C_раб.

Важно: Для пускового конденсатора применяются неполярные электролитические конденсаторы, рассчитанные на переменное напряжение ~450 В. Для рабочего конденсатора используются только бумажные, пленочные или металлопленочные конденсаторы на напряжение не менее 400-450 В переменного тока. Использование электролитических конденсаторов в рабочей цепи недопустимо из-за их быстрого выхода из строя при длительной работе на переменном токе.

Схемы управления и реверс

Управление однофазным двигателем включает в себя пуск, останов и, часто, реверс (изменение направления вращения).

Реверс осуществляется переключением концов пусковой обмотки относительно основной. Это реализуется с помощью перекидного пакетного выключателя, реверсивного пускателя или тумблера. Важно, что реверс возможен только в момент остановки или на очень низкой скорости вращения ротора. Изменить направление вращения «на ходу» простым переключением обмоток невозможно – двигатель продолжит вращаться в прежнем направлении.

Типовая схема управления с реверсом включает в себя автоматический выключатель (защита от КЗ), магнитный пускатель с тепловым реле (защита от перегрузки), кнопки «Пуск», «Стоп» и переключатель для реверса, коммутирующий цепь пусковой обмотки.

Преимущества и недостатки по сравнению с трехфазными двигателями

Преимущества:

• Возможность работы от бытовой однофазной сети 220 В.
• Простота конструкции (для основных типов) и, как следствие, относительно низкая стоимость.
• Высокая надежность при отсутствии скользящих контактов (кроме моделей с центробежным выключателем).

Недостатки:

• Более низкие энергетические показатели: КПД и cos φ на 10-30% ниже, чем у трехфазных двигателей аналогичной мощности.
• Более сложная схема пуска и необходимость использования конденсаторов.
• Отсутствие самозапуска при пропадании и восстановлении напряжения (для большинства схем).
• Ограничение по максимальной мощности (как правило, до 3-4 кВт) из-за высоких пусковых токов и нагрузки на однофазную сеть.
• Пульсирующий момент на валу, что может вызывать повышенный шум и вибрации.

Области применения

• Насосное оборудование: Скважинные, циркуляционные, дренажные, повысительные насосы.
• Вентиляция и кондиционирование: Вытяжные и приточные установки, вентиляторы крышные и канальные, кондиционеры.
• Станкостроение: Приводы сверлильных, токарных, заточных, деревообрабатывающих станков малой мощности.
• Бытовая техника: Стиральные машины (привод активатора или насоса), холодильники (компрессоры старых моделей), вытяжные зонты.
• Компрессорная техника: Поршневые компрессоры для пневмоинструмента, холодильных установок.
• Системы автоматики: Приводы заслонок, вентилей, конвейеров малой мощности.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Почему однофазный двигатель гудит, но не вращается при пуске?

Наиболее вероятные причины: неисправность пусковой цепи (обрыв пусковой обмотки, нерабочий конденсатор, залипший центробежный выключатель) или механическая перегрузка. Двигатель создает пульсирующее поле, но пусковой момент отсутствует.

2. Как определить обмотки (основную и пусковую) у трехвыводного двигателя?

С помощью омметра. Сопротивление между выводами будет иметь три значения: наибольшее – между концами пусковой и рабочей обмоток (их сумма), среднее – сопротивление пусковой обмотки (оно всегда больше), наименьшее – сопротивление рабочей обмотки. Общий вывод – тот, от которого идут два других сопротивления.

3. Можно ли подключить однофазный двигатель 220 В через частотный преобразователь?

Стандартные трехфазные ЧП не предназначены для управления однофазными конденсаторными двигателями. Существуют специализированные однофазные ЧП, но их применение ограничено и экономически не всегда оправдано. Чаще для регулирования скорости используют тиристорные регуляторы напряжения, но это приводит к значительному снижению момента на низких скоростях и перегреву.

4. Что будет, если поставить конденсатор большей или меньшей емкости, чем рекомендовано?

Большая емкость: Увеличение пускового момента, но рост тока в пусковой обмотке, риск ее перегрева. В рабочем режиме – перекос фазных токов, перегрев и снижение КПД.
Меньшая емкость: Снижение пускового момента, двигатель может не запуститься под нагрузкой. В рабочем режиме – также ухудшение характеристик и перегрев из-за неоптимального фазового сдвига.

5. Почему конденсаторный двигатель сильно греется в работе?

Основные причины: неправильно подобранная емкость рабочего конденсатора, повышенная механическая нагрузка, ухудшение условий охлаждения (загрязнение вентиляционных каналов), межвитковое замыкание в обмотках, низкое или высокое напряжение в сети.

6. Как запустить трехфазный двигатель от 220 В?

Это частный случай использования однофазной сети. Двигатель подключается по схеме «треугольник» с рабочим и пусковым конденсаторами. Мощность двигателя при таком включении используется лишь на 60-70% от номинальной, пусковые характеристики ухудшаются. Расчет емкостей ведется по формулам, аналогичным для однофазных двигателей (C_раб ≈ 70 мкФ на 1 кВт мощности).

7. В чем разница между двигателями 220/230 В и 220/380 В?

Двигатель 220/230 В – чисто однофазный, рассчитан на работу от сети 220 В. Маркировка 220/380 В указывает на возможность подключения трехфазного двигателя в две разные конфигурации: «треугольник» на 220 В или «звезда» на 380 В. Для работы от однофазной сети 220 В такой двигатель требует подключения через конденсаторы по схеме «треугольник».

Заключение

Однофазные асинхронные двигатели 220 В, несмотря на свои конструктивные и энергетические ограничения, остаются незаменимым решением для широкого спектра задач. Понимание принципов их работы, особенностей различных типов (с пусковым конденсатором, PSC, с экранированными полюсами), умение правильно рассчитать и подобрать элементы пусковой цепи, а также знание типовых неисправностей являются ключевыми для эффективного и безопасного применения данного оборудования. При выборе двигателя необходимо тщательно анализировать требования механизма к пусковому моменту, режиму работы и условиям эксплуатации, отдавая предпочтение конденсаторным типам для ответственных приводов и двигателям с экранированными полюсами для непритязательных маломощных устройств с непрерывным режимом работы.