Однофазные асинхронные электродвигатели с пусковой обмоткой: устройство, принцип действия и применение

Однофазные асинхронные двигатели с пусковой обмоткой представляют собой класс электрических машин, предназначенных для работы от стандартной бытовой или промышленной однофазной сети переменного тока. Основная особенность данной конструкции — наличие двух обмоток на статоре: основной (рабочей) и вспомогательной (пусковой), что позволяет создать вращающееся магнитное поле, необходимое для самостоятельного пуска ротора. Без такой конструкции однофазный двигатель не может запуститься самостоятельно, так как поле от единственной обмотки является пульсирующим и не создает начального пускового момента.

Конструкция и основные компоненты

Конструктивно двигатель состоит из следующих ключевых элементов:

• Статор. Собирается из листов электротехнической стали для снижения потерь на вихревые токи. В его пазах уложены две обмотки, пространственно смещенные относительно друг друга на 90 электрических градусов.
• Рабочая (главная) обмотка. Выполняется проводом большего сечения, имеет относительно низкое активное сопротивление и высокую индуктивность. Рассчитана на длительную работу под нагрузкой.
• Пусковая (вспомогательная) обмотка. Выполняется проводом меньшего сечения, имеет более высокое активное сопротивление и меньшую индуктивность по сравнению с рабочей обмоткой. Предназначена исключительно для работы в момент пуска.
• Ротор. Короткозамкнутый, типа «беличья клетка». Состоит из вала, набранного из листов стали сердечника и алюминиевых или медных стержней, замкнутых накоротко концевыми кольцами.
• Пусковое устройство. Обеспечивает подключение пусковой обмотки на время запуска. Наиболее распространены два типа: центробежный выключатель и пусковое реле (токовое или реле напряжения).
• Конденсатор (в некоторых моделях). Может использоваться для увеличения пускового момента. В классических двигателях с пусковой обмоткой (не конденсаторных) часто отсутствует или имеет небольшую емкость.

Принцип действия и схема пуска

При подаче однофазного напряжения на рабочую обмотку создается пульсирующее магнитное поле, которое можно разложить на два вращающихся в противоположные стороны поля с одинаковой амплитудой и скоростью. Результирующий пусковой момент равен нулю. Для создания начального момента необходимо искусственно сместить фазу тока в одной из обмоток. Это достигается за счет разности параметров обмоток (активное сопротивление пусковой обмотки выше) и, в некоторых случаях, включения последовательно с ней конденсатора.

В момент включения двигателя пусковое устройство (например, центробежный выключатель, разомкнутый в состоянии покоя) замыкает цепь пусковой обмотки. По двум обмоткам, ток в которых сдвинут по фазе, начинает протекать ток. В результате возникает эллиптическое вращающееся магнитное поле, которое наводит ЭДС в стержнях ротора, создавая пусковой момент. После разгона ротора до скорости, близкой к номинальной (обычно 70-80% от синхронной), центробежный механизм размыкает контакты, отключая пусковую обмотку от сети. Дальнейшая работа продолжается только на рабочей обмотке. Двигатель работает в однофазном режиме, но благодаря инерции вращения ротора.

Схемы подключения и характеристики

Наиболее распространенная схема подключения — с центробежным выключателем. Фазосдвигающий элемент (конденсатор или активное сопротивление) встроен в конструкцию обмоток. Схема управления предельно проста: питание подается параллельно на обе обмотки через замкнутые контакты центробежного выключателя.

Сравнительные характеристики типов однофазных асинхронных двигателей

Параметр	Двигатель с пусковой обмоткой и центробежным выключателем	Конденсаторный двигатель с пусковым конденсатором	Конденсаторный двигатель с рабочим конденсатором
Пусковой момент	Средний (1.2 — 2.0 Tном)	Высокий (2.0 — 3.5 Tном)	Низкий (0.3 — 0.8 Tном)
КПД в рабочем режиме	Средний	Средний	Высокий
Коэффициент мощности (cos φ)	Низкий (0.6 — 0.75)	Средний	Высокий (0.8 — 0.95)
Сложность и стоимость	Низкая	Средняя	Средняя
Типовое применение	Вентиляторы, нагнетатели, маломощные насосы, небольшие станки	Компрессоры, холодильники, кондиционеры, насосы с тяжелым пуском	Вентиляционные установки, насосы с легкими условиями пуска

Области применения и эксплуатационные ограничения

Двигатели данного типа находят широкое применение в оборудовании, где требуется мощность от 0.1 до 2.2 кВт и нет жестких требований к высокому пусковому моменту и плавности регулирования скорости. Типичные области использования:

• Бытовые вентиляторы и вытяжные установки.
• Циркуляционные и дренажные насосы.
• Станки малой мощности (сверлильные, заточные).
• Компрессоры бытовых холодильников и кондиционеров старых моделей.
• Оборудование для автоматических ворот.

К основным эксплуатационным ограничениям относятся: невозможность плавной регулировки скорости без потери момента, сравнительно низкий КПД и cos φ, ограниченный ресурс механического пускового устройства (центробежного выключателя), чувствительность к частым пускам и повышенному скольжению.

Типовые неисправности и диагностика

• Двигатель не запускается, гудит. Наиболее вероятная причина — обрыв в цепи пусковой обмотки или неисправность пускового устройства (залипли контакты, сломался центробежный механизм). Требуется проверка целостности пусковой обмотки и сопротивления ее изоляции, осмотр и очистка контактов центробежного выключателя.
• Двигатель запускается, но не набирает номинальную скорость, перегревается. Возможен обрыв в рабочей обмотке, межвитковое замыкание или механическая перегрузка. Необходимо измерить ток потребления и сравнить с номинальным, проверить сопротивление обмоток.
• Двигатель запускается и сразу отключается тепловой защитой. Причины: заклинивание ротора, повышенное напряжение, неисправность подшипников, приводящая к увеличению тока.
• Посторонний шум или вибрация при работе. Могут указывать на износ подшипников, нарушение центровки, ослабление крепления двигателя или попадание постороннего предмета в воздушный зазор.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем отличается двигатель с пусковой обмоткой от конденсаторного двигателя?

В двигателе с пусковой обмоткой фазовый сдвиг достигается в основном за счет разницы в активном сопротивлении обмоток, а пусковая обмотка отключается после разгона. В конденсаторном двигателе фазовый сдвиг создается преимущественно конденсатором, который может быть пусковым (отключаемым) или рабочим (постоянно включенным). Конденсаторные двигатели, как правило, имеют лучшие пусковые и рабочие характеристики.

Что будет, если не отключить пусковую обмотку после запуска?

Пусковая обмотка рассчитана на кратковременный режим работы. При длительном включении она быстро перегреется из-за высокого активного сопротивления и меньшего сечения провода, что приведет к разрушению изоляции и межвитковому замыканию. Это распространенная причина выхода двигателя из строя.

Как определить рабочую и пусковую обмотки, если маркировка стерта?

С помощью омметра. Обмотка с большим сопротивлением (обычно в 1.5-2 раза выше) — пусковая. Обмотка с меньшим сопротивлением — рабочая. Сопротивление изоляции между любыми обмотками и корпусом должно быть не менее 1 МОм.

Можно ли реверсировать однофазный асинхронный двигатель с пусковой обмоткой?

Да. Для изменения направления вращения необходимо поменять местами концы пусковой обмотки относительно схемы подключения. Это реализуется через соответствующую перекоммутацию на клеммной колодке или в реле.

Почему двигатель сильно греется даже без нагрузки?

Возможные причины: повышенное напряжение сети, межвитковое замыкание в одной из обмоток, неправильная сборка магнитопровода статора (перекос), повышенное трение в подшипниках или задевание ротора за статор. Также причиной может быть неотключившаяся пусковая обмотка.

Каков типичный ресурс таких двигателей и что чаще всего выходит из строя?

При нормальных условиях эксплуатации ресурс составляет 10-15 лет. Наиболее уязвимые элементы: механический центробежный выключатель (износ контактов или пружины), подшипники качения, изоляция обмоток (особенно при перегреве). Пусковая обмотка выходит из строя при частых пусках или затяжном пуске под нагрузкой.