Электродвигатели однофазные с пусковой обмоткой

Электродвигатели однофазные с пусковой обмоткой: устройство, принцип действия, характеристики и применение

Однофазные асинхронные электродвигатели с пусковой обмоткой представляют собой класс электрических машин, предназначенных для работы от стандартной бытовой или промышленной однофазной сети переменного тока 220 В. Основная конструктивная особенность и принцип работы данных двигателей обусловлены необходимостью создания вращающегося магнитного поля при питании от одной фазы. В отличие от трёхфазных двигателей, где поле создаётся пространственным и временным сдвигом токов в трёх обмотках, в однофазном двигателе для пуска требуется дополнительная (пусковая) обмотка, смещённая относительно основной (рабочей) обмотки и подключаемая через фазосдвигающий элемент.

Устройство и основные компоненты

Конструктивно однофазный асинхронный двигатель с пусковой обмоткой состоит из следующих ключевых элементов:

• Статор: Состоит из шихтованного магнитопровода, набранного из изолированных листов электротехнической стали для снижения вихревых токов. В пазах статора уложены две обмотки:
  • Рабочая (основная) обмотка (U1-U2): Занимает около 2/3 пазов статора. Выполняется проводом большего сечения, имеет меньшее активное сопротивление и большее индуктивное сопротивление. Предназначена для непрерывной работы в течение всего времени эксплуатации двигателя.
  • Пусковая обмотка (Z1-Z2): Занимает около 1/3 пазов статора. Располагается со сдвигом на 90 электрических градусов относительно рабочей обмотки. Выполняется проводом меньшего сечения, имеет большее активное сопротивление и меньшее индуктивное сопротивление. Предназначена только для работы в момент пуска двигателя.
• Ротор: Как правило, короткозамкнутый типа «беличья клетка». Состоит из вала, шихтованного сердечника и алюминиевой или медной обоймы с залитыми в пазы стержнями, замкнутыми накоротко торцевыми кольцами.
• Пусковое устройство: Обеспечивает сдвиг фаз тока в пусковой обмотке относительно рабочей. Может быть трех типов:
  • Пусковое реле: Наиболее распространенный тип. Реле тока (срабатывает по величине пускового тока) или реле напряжения (срабатывает по ЭДС вращения) автоматически отключает пусковую обмотку после разгона ротора.
  • Пусковой конденсатор: Конденсатор, включенный последовательно с пусковой обмоткой, создает необходимый фазовый сдвиг. После разгона также отключается центробежным выключателем или реле. Создает больший пусковой момент по сравнению с резистивным пуском.
  • Центробежный выключатель: Устанавливается на валу ротора. Его контакты, замкнутые в состоянии покоя, размыкаются при достижении ротором примерно 70-80% номинальной скорости, отключая пусковую цепь.
• Корпус, подшипниковые щиты, вентилятор охлаждения.

Принцип действия и теория двух вращающихся полей

При подключении только рабочей обмотки к однофазной сети создается пульсирующее магнитное поле, которое можно разложить на два поля равной амплитуды, вращающихся в противоположные направления с синхронной скоростью. В неподвижном роторе эти поля создают равные, но противоположно направленные моменты, поэтому результирующий пусковой момент равен нулю. Для обеспечения пуска необходимо «вывести» двигатель из режима симметрии. Это достигается введением пусковой обмотки.

При подаче напряжения через фазосдвигающий элемент (активное сопротивление или ёмкость) ток в пусковой обмотке I_п сдвигается по фазе относительно тока в рабочей обмотке I_р. В результате пространственного (90 эл. град.) и временного (на угол φ) сдвига токов создается эллиптическое вращающееся магнитное поле. Это поле индуцирует токи в короткозамкнутом роторе, взаимодействие которых с полем статора создает пусковой момент M_п, превышающий момент статического сопротивления нагрузки. После разгона ротора до подсинхронной скорости центробежный выключатель или реле отключает пусковую обмотку. Дальнейшая работа происходит за счет основного поля, создаваемого только рабочей обмоткой, так как вращающийся ротор обладает асимметрией сопротивлений для прямого и обратного полей, что обеспечивает ненулевой результирующий момент.

Схемы подключения и фазосдвигающие элементы

Существует две основные схемы организации пуска:

• С резистивным фазосдвигом: Пусковая обмотка проектируется с более высоким активным сопротивлением (бифилярная намотка или провод меньшего сечения). Сдвиг фаз достигается за счет разницы соотношений R/XL в обмотках. Пусковой момент небольшой (0.5 — 0.7 от номинального). Схема проста и дешева. Обозначение двигателей — АВЕ, АВР.
• С конденсаторным фазосдвигом: Последовательно с пусковой обмоткой включается конденсатор (С_п). Ёмкость рассчитывается для получения сдвига, близкого к 90°, в момент пуска. Это обеспечивает максимальный пусковой момент (до 2-3 от номинального). После отключения обмотки конденсатор также обесточивается. Обозначение двигателей — АВС, АВК.

Сравнение характеристик пусковых устройств

Тип пускового устройства	Фазосдвигающий элемент	Пусковой момент (отн. ед.)	Пусковой ток	Надежность	Типовое применение
Центробежный выключатель + резистивный сдвиг	Собственное сопротивление обмотки	0.5 — 0.7 Mн	Высокий	Средняя (износ контактов)	Вентиляторы, небольшие насосы, компрессоры бытовой техники
Пусковое реле (токовое)	Собственное сопротивление обмотки	0.5 — 0.7 Mн	Высокий	Высокая	Холодильные компрессоры
Центробежный выключатель + конденсатор	Электролитический конденсатор Cп	1.5 — 3.0 Mн	Умеренный	Средняя (деградация конденсатора)	Насосы, компрессоры, станки с тяжелым пуском

Основные характеристики и параметры

• Мощность: Обычно от 0.06 до 3 кВт. Ограничена возможностями однофазной сети и условиями пуска.
• Синхронная частота вращения: Зависит от числа пар полюсов (2p): 3000 об/мин (2p=2), 1500 об/мин (2p=4), 1000 об/мин (2p=6) при частоте сети 50 Гц.
• КПД: Ниже, чем у трёхфазных двигателей аналогичной мощности, обычно в диапазоне 50-75% для машин до 1 кВт. Снижение связано с потерями в пусковой цепи и наличием обратного поля.
• Коэффициент мощности (cos φ): Также относительно низкий (0.6-0.8), особенно на холостом ходу и при недогрузке.
• Скольжение: При номинальной нагрузке составляет 3-8%.
• Кратность пускового момента: M_п/M_н = 0.5-3.0 в зависимости от схемы пуска.
• Кратность пускового тока: I_п/I_н = 3-7.

Области применения и особенности эксплуатации

Двигатели нашли широкое применение в областях, где отсутствует трёхфазная сеть или нецелесообразна её прокладка:

• Бытовая техника и оборудование: стиральные машины (активаторного типа), холодильные компрессоры, вентиляторы вытяжные, небольшие станки (сверлильные, заточные).
• Промышленное оборудование: насосы водоснабжения и отопления, вентиляционные установки малой мощности, компрессоры, дозаторы, конвейеры с легкими условиями пуска.
• Сельскохозяйственная техника: кормораздатчики, доильные аппараты, вентиляторы.

Важное эксплуатационное ограничение: Пусковую обмотку и конденсатор (если он есть) нельзя оставлять под напряжением в течение длительной работы. Это приведет к перегреву и разрушению пусковой обмотки из-за высокого тока и меньшего сечения провода, а также к взрыву электролитического пускового конденсатора.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Возможность работы от ubiquitous однофазной сети 220 В.
• Простота конструкции ротора.
• Относительно низкая стоимость.
• Надежность в работе при правильной эксплуатации.

Недостатки:

• Отсутствие самозапуска без пусковой цепи.
• Более низкие энергетические показатели (КПД, cos φ) по сравнению с трёхфазными двигателями.
• Ограниченная мощность на валу.
• Наличие изнашиваемых элементов в пусковой цепи (контакты, конденсатор).
• Пусковая характеристика сильно зависит от исправности фазосдвигающего элемента.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Как определить рабочую и пусковую обмотки, если маркировка стерта?

Используйте мультиметр в режиме измерения сопротивления. Сопротивление рабочей обмотки (между выводами U1-U2) всегда будет меньше (обычно 10-50 Ом для двигателей мощностью до 1 кВт), чем сопротивление пусковой обмотки (Z1-Z2) (30-100 Ом и более). Сопротивление между выводами разных обмоток будет равно сумме сопротивлений (или близко к ней).

2. Можно ли включить однофазный двигатель с пусковой обмоткой без пускового устройства?

Нет, в этом случае двигатель не запустится самостоятельно. При ручном проворачивании вала он может разогнаться и работать, но это нештатный и небезопасный режим. Для постоянной работы необходимо исправное пусковое устройство.

3. Что будет, если перепутать выводы пусковой обмотки?

Направление вращения изменится на противоположное. Для реверсирования однофазного двигателя с пусковой обмоткой необходимо поменять местами начало и конец либо рабочей, либо пусковой обмотки (но не обеих сразу). На практике это делается переключением концов пусковой обмотки относительно рабочей.

4. Почему двигатель гудит, но не запускается, даже если вручную раскрутить вал?

Наиболее вероятные причины: обрыв или межвитковое замыкание в рабочей обмотке, сильный износ подшипников (ротор задевает за статор), механическая перегрузка. Если при раскрутке вручную двигатель запускается и работает, то проблема в пусковой цепи: неисправен конденсатор, центробежный выключатель, пусковое реле или есть обрыв в пусковой обмотке.

5. Как подобрать пусковой конденсатор по ёмкости?

Ёмкость выбирается исходя из мощности двигателя и схемы подключения. Для пусковых конденсаторов (работающих только в момент пуска) используют эмпирическую формулу: C_п (мкФ) ≈ (0.7 — 0.8)

• P (Вт) для напряжения 220 В. Например, для двигателя 1 кВт (1000 Вт) потребуется конденсатор ~70-80 мкФ. Важно использовать специальные электролитические конденсаторы для пуска двигателей, рассчитанные на переменное напряжение (~250-450V AC).

6. Чем отличается двигатель с пусковой обмоткой от конденсаторного двигателя (с рабочим конденсатором)?

В двигателе с пусковой обмоткой и конденсатором конденсатор работает только несколько секунд в момент пуска. В конденсаторном двигателе конденсатор (другого типа, обычно бумажный) включен постоянно последовательно со второй обмоткой, которая является не пусковой, а вспомогательной рабочей. Такие двигатели имеют лучшие энергетические показатели и применяются для длительных режимов работы (насосы, вентиляторы).

7. Как проверить исправность центробежного выключателя?

При отключенном питании снять задний кожух двигателя, обеспечив доступ к контактам выключателя на валу. В состоянии покоя контакты должны быть замкнуты (проверяется тестером). При нажатии на подвижную часть механизма (имитация разгона) они должны размыкаться с характерным щелчком. Основные неисправности: окисление/подгорание контактов, залипание или поломка грузиков.

Заключение

Однофазные асинхронные электродвигатели с пусковой обмоткой остаются критически важным элементом в системах, где источником энергии служит однофазная сеть. Понимание их устройства, основанного на создании эллиптического вращающегося поля за счет двух обмоток со сдвигом, принципа действия пусковых устройств и эксплуатационных ограничений, позволяет специалистам правильно выбирать, подключать, эксплуатировать и оперативно диагностировать неисправности данного типа электропривода. Несмотря на относительно низкие энергетические показатели, простота, надежность и адаптивность к бытовой сети обеспечивают им стабильно высокую востребованность в широком спектре применений.