Электродвигатели переменного тока однофазные

Электродвигатели переменного тока однофазные: устройство, принцип действия, типы и применение

Однофазные асинхронные электродвигатели представляют собой класс электрических машин, питаемых от однофазной сети переменного тока. В отличие от трёхфазных двигателей, они не обладают собственным пусковым моментом при подключении к сети, что обусловлено природой однофазного тока. Их основная сфера применения – маломощные установки, бытовая техника, промышленное оборудование небольшой мощности, где трёхфазная сеть недоступна или нецелесообразна. Конструктивная мощность таких двигателей, как правило, не превышает 3-4 кВт, что связано с повышенным потреблением тока и худшими энергетическими показателями по сравнению с трёхфазными аналогами.

Принцип действия и проблема пуска

Статор однофазного двигателя содержит одну рабочую обмотку (главную). При подаче на неё синусоидального напряжения создаётся не вращающееся, а пульсирующее магнитное поле. Это поле можно представить как сумму двух полей, вращающихся в противоположные стороны с одинаковой частотой и амплитудой. В неподвижном состоянии ротора эти поля создают равные по величине, но противоположно направленные моменты, сумма которых равна нулю. Следовательно, для возникновения пускового момента необходимо искусственно сместить магнитное поле, создав условия для преобладания одного направления вращения. Это достигается введением второй обмотки – пусковой, смещённой в пространстве относительно рабочей на 90 электрических градусов. Для создания фазового сдвига тока в пусковой обмотке относительно рабочей применяют фазосдвигающие элементы: активные резисторы, катушки индуктивности или, что наиболее распространено, конденсаторы.

Основные типы однофазных асинхронных двигателей

1. Двигатели с пусковым конденсатором (Capacitor Start Induction Run Motors)

В данных двигателях конденсаторная цепь (пусковая обмотка и конденсатор) включена только на период пуска. После разгона двигателя до 70-80% номинальной скорости центробежный выключатель или реле времени отключает пусковую обмотку от сети. Работа продолжается только на рабочей обмотке. Такая схема обеспечивает высокий пусковой момент (до 300% от номинального) при относительно умеренном пусковом токе.

• Преимущества: Высокий пусковой момент, простая конструкция.
• Недостатки: Наличие механического коммутирующего устройства (центробежного выключателя), снижение рабочих характеристик после отключения пусковой обмотки.
• Применение: Компрессоры, насосы, подъёмные механизмы, прочее оборудование с тяжелым пуском.

2. Двигатели с рабочим конденсатором (Permanent Split Capacitor Motors)

В двигателях этого типа конденсатор и вспомогательная обмотка постоянно включены в сеть во время работы. Конденсатор подбирается для обеспечения оптимальных рабочих характеристик, а не максимального пускового момента. Пусковой момент у таких двигателей невысок (обычно 30-80% от номинального), но КПД и коэффициент мощности в рабочем режиме лучше, чем у двигателей с пусковым конденсатором.

• Преимущества: Отсутствие центробежного выключателя, повышенная надёжность, хорошие рабочие характеристики, низкий уровень шума.
• Недостатки: Низкий пусковой момент.
• Применение: Вентиляторы, воздуходувки, циркуляционные насосы, конвейеры с легким пуском.

3. Двигатели с пусковым и рабочим конденсатором (Capacitor Start Capacitor Run Motors)

Комбинированная схема, использующая две параллельные ёмкостные ветви. На период пуска подключается батарея конденсаторов большой емкости (C_пуск), обеспечивающая высокий пусковой момент. После разгона часть конденсаторов (пусковая) отключается, и двигатель продолжает работу с рабочим конденсатором (C_раб) меньшей ёмкости, оптимизированным для режима номинальной нагрузки. Это позволяет сочетать преимущества двух предыдущих типов.

• Преимущества: Высокий пусковой момент, хорошие рабочие характеристики (КПД, cos φ).
• Недостатки: Более сложная и дорогая конструкция, наличие коммутирующей аппаратуры.
• Применение: Оборудование, требующее высокого пускового момента и работающее в продолжительном режиме (деревообрабатывающие станки, мощные компрессоры).

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

Конструкция статора таких двигателей явнополюсная. На каждой полюсной наконечнике имеется короткозамкнутый виток (медное кольцо) – экранирующая катушка. Благодаря электромагнитной индукции в этом витке создаётся магнитный поток, сдвинутый по фазе относительно основного потока полюса. Это создаёт условия для возникновения слабого вращающегося поля и, как следствие, небольшого пускового момента. Двигатели этого типа нереверсивны (направление вращения определяется конструктивно расположением экранирующей части) и имеют низкий КПД (15-30%).

• Преимущества: Крайне простая и дешёвая конструкция, отсутствие дополнительных пусковых устройств, высокая надёжность.
• Недостатки: Очень низкий КПД и cos φ, малый пусковой момент, нереверсивность.
• Применение: Маломощные устройства: вентиляторы обдува, проигрыватели, малогабаритные насосы, сушилки.

Конструктивные особенности и маркировка

Основные узлы однофазного двигателя: статор с двумя обмотками (главной и вспомогательной), ротор короткозамкнутый (обычно типа «беличья клетка»), корпус, подшипниковые щиты. Обмотки имеют разное активное сопротивление и индуктивность. Пусковая обмотка, как правило, выполнена проводом меньшего сечения с большим активным сопротивлением. Маркировка выводов обмоток стандартизирована (например, по ГОСТ):

• Начало и конец рабочей (главной) обмотки: С1-С2 или U1-U2.
• Начало и конец пусковой (вспомогательной) обмотки: В1-В2 или Z1-Z2.

Для изменения направления вращения необходимо поменять местами выводы либо рабочей, либо пусковой обмотки (но не обеих сразу).

Сравнительная таблица типов однофазных двигателей

Тип двигателя	Пусковой момент	КПД	Коэффициент мощности (cos φ)	Пусковой ток	Надёжность	Стоимость
С пусковым конденсатором	Высокий (2.0-3.0 Tном)	Средний (50-65%)	Средний (0.7-0.8)	Средний	Средняя (есть выключатель)	Средняя
С рабочим конденсатором (PSC)	Низкий (0.3-0.8 Tном)	Высокий (60-75%)	Хороший (0.9-1.0)	Низкий	Высокая	Низкая
С двумя конденсаторами	Очень высокий (2.5-3.5 Tном)	Высокий (65-80%)	Хороший (0.9-1.0)	Высокий	Средняя	Высокая
С экранированными полюсами	Очень низкий (0.3-0.5 Tном)	Очень низкий (15-30%)	Низкий (0.5-0.6)	Низкий	Очень высокая	Очень низкая

Критерии выбора и особенности эксплуатации

При подборе однофазного электродвигателя необходимо учитывать следующие параметры:

• Мощность и режим работы (S1-S10): Номинальная мощность на валу должна соответствовать нагрузке с учетом пусковых перегрузок.
• Напряжение и частота сети: Стандартно 220 В, 50 Гц (или 230 В / 60 Гц в некоторых регионах).
• Пусковые характеристики: Величина статического момента сопротивления механизма определяет необходимый тип двигателя (PSC для вентилятора, Capacitor Start для компрессора).
• Частота вращения: Зависит от числа пар полюсов (3000 об/мин для 2p=2, 1500 об/мин для 2p=4 и т.д.).
• Класс защиты (IP) и способ охлаждения: Для влажных помещений – IP54 и выше, для чистых сухих – IP23.
• Класс изоляции: Определяет допустимый перегрев (классы B, F, H).

Особое внимание при эксплуатации уделяется конденсаторам. Пусковые конденсаторы, как правило, электролитические, рассчитаны на кратковременную работу. Их выход из строя – наиболее частая причина отказа двигателей с пусковым конденсатором. Рабочие конденсаторы – бумажные, металлопленочные, рассчитаны на постоянное включение. Неправильный подбор емкости (как в меньшую, так и в большую сторону) приводит к перегреву обмоток, снижению момента и КПД.

Схемы подключения и реверс

Базовая схема подключения двигателя с пусковым конденсатором включает в себя автоматический выключатель для защиты, магнитный пускатель (или выключатель) и центробежный выключатель в цепи пусковой обмотки. Для двигателей типа PSC схема проще, так как отсутствует цепь отключения. Реверс осуществляется переключением полярности одной из обмоток. В двигателях с экранированными полюсами реверс в стандартном исполнении невозможен.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

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

Наиболее вероятные причины: неисправность пускового конденсатора (обрыв или потеря ёмкости), обрыв в цепи пусковой обмотки или центробежного выключателя, заклинивание ротора механизма. Двигатель создаёт пульсирующее поле, но пусковой момент отсутствует.

2. Как подобрать конденсатор для замены в однофазном двигателе?

Ёмкость рабочего конденсатора (C_раб) приближённо рассчитывается по формуле: C_раб (мкФ) = 66 P_ном (кВт) для сети 220В/50Гц. Ёмкость пускового конденсатора (C_пуск) обычно в 2-3 раза больше C_раб. Напряжение конденсатора должно быть не менее 1.15 U_сети для рабочего и не менее 300-400В для пускового электролитического. Точные значения указаны на шильдике двигателя или в его паспорте.

3. Можно ли получить реверсивное вращение от любого однофазного двигателя?

Нет. Двигатели с экранированными полюсами – нереверсивны. Двигатели с конденсаторным пуском (все три типа) – реверсивны. Для изменения направления вращения необходимо перекоммутировать концы либо рабочей, либо пусковой обмотки.

4. Чем опасна длительная работа двигателя с пусковым конденсатором в режиме пуска (при неотключенной пусковой обмотке)?

Пусковая обмотка рассчитана на кратковременный режим работы (секунды). Длительное включение приводит к её быстрому перегреву из-за высокого активного сопротивления и последующему межвитковому замыканию или обрыву. Центробежный выключатель требует регулярной проверки.

5. Почему однофазные двигатели имеют худшие энергетические показатели по сравнению с трёхфазными той же мощности?

Это связано с наличием обратно вращающегося магнитного поля, которое создаёт тормозной момент и дополнительные потери в роторе и статоре. Кроме того, магнитное поле в однофазном двигателе эллиптическое, а не круговое, как в трёхфазном, что снижает эффективность преобразования энергии.

6. Как проверить исправность обмоток однофазного двигателя?

Необходимо с помощью мультиметра в режиме омметра проверить сопротивление обеих обмоток. Сопротивление пусковой обмотки (В1-В2) всегда больше, чем сопротивление рабочей (С1-С2). Далее необходимо проверить отсутствие короткого замыкания обмоток на корпус (мегаомметром на 500В). Сопротивление изоляции должно быть не менее 1 МОм.

7. Каковы основные тенденции в развитии однофазных двигателей?

Основной тренд – активное вытеснение классических конденсаторных двигателей в ряде применений частотно-регулируемыми приводами (ЧРП) на базе бесколлекторных двигателей постоянного тока (BLDC) или синхронных двигателей с постоянными магнитами (PMSM). Однако для простых, надёжных и дешёвых решений традиционные асинхронные однофазные двигатели остаются оптимальным выбором. Совершенствуются материалы изоляции, подшипниковых узлов, применяются более стойкие диэлектрики в конденсаторах.