Электродвигатели синхронные однофазные

Электродвигатели синхронные однофазные: устройство, принцип действия, характеристики и применение

Однофазные синхронные электродвигатели представляют собой класс электрических машин, ротор которых вращается с постоянной скоростью, строго равной синхронной частоте вращения магнитного поля статора, при питании от однофазной сети переменного тока. Их ключевая особенность — абсолютная стабильность скорости, не зависящая от механической нагрузки на валу вплоть до перегрузочной способности. Данные двигатели не являются самозапускающимися и требуют специальных схем или устройств для пуска и втягивания в синхронизм.

Принцип действия и классификация

Принцип работы основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора с постоянным магнитным полем ротора. Поскольку питание однофазное, изначально создается не вращающееся, а пульсирующее магнитное поле. Для его преобразования во вращающееся применяются методы сдвига фаз, обычно с помощью дополнительной (пусковой или постоянно включенной) обмотки, подключаемой через фазосдвигающий элемент — конденсатор, индуктивность или активное сопротивление.

После разгона асинхронным или иным способом до скорости, близкой к синхронной, постоянные магниты или электромагниты ротора «защелкиваются» с полем статора, и двигатель начинает работать в синхронном режиме. Классификация осуществляется по нескольким ключевым признакам:

• По типу ротора:
  • С постоянными магнитами (PMSM — Permanent Magnet Synchronous Motor).
  • С явнополюсным ротором (с обмоткой возбуждения от внешнего источника или от сети через выпрямитель).
  • Гистерезисные.
  • Реактивные (с явновыраженными полюсами и без обмотки возбуждения).
• По способу пуска:
  • С асинхронным пуском (имеют короткозамкнутую пусковую клетку на роторе).
  • С пуском от вспомогательного двигателя или вручную.
  • С частотным пуском (управляемые от инвертора).
• По схеме включения обмоток:
  • С конденсаторным пуском (конденсатор отключается после разгона).
  • С конденсаторным рабочим режимом (конденсатор постоянно в цепи).
  • С пусковым и рабочим конденсаторами.

Конструктивные особенности

Конструкция двигателя включает следующие основные узлы:

• Статор: Сердечник из электротехнической стали с двумя обмотками — основной (рабочей) и вспомогательной (пусковой или фазосдвигающей). Обмотки пространственно сдвинуты на 90 электрических градусов.
• Ротор: В зависимости от типа.
  • У двигателей с постоянными магнитами (ПМ) ротор содержит высокоэнергетические магниты (ферритовые, неодим-железо-бор, самарий-кобальт).
  • У двигателей с асинхронным пуском ротор имеет короткозамкнутую клетку (пусковую) и явнополюсную конструкцию с постоянными магнитами или обмоткой возбуждения.
  • Гистерезисный ротор выполнен из магнитотвердого материала с широкой петлей гистерезиса.
• Фазосдвигающий элемент: Как правило, это бумажный, пленочный или электролитический конденсатор, реже — катушка индуктивности. Подбирается для создания кругового или эллиптического вращающегося поля.
• Пусковое устройство: Центробежный выключатель, реле тока или напряжения, электронный ключ, отключающий пусковую обмотку или конденсатор после разгона.

Основные характеристики и параметры

Технические параметры определяют область применения и выбор двигателя.

Таблица 1. Основные параметры однофазных синхронных двигателей

Параметр	Обозначение / Единица измерения	Типичный диапазон / значение	Комментарий
Номинальная мощность	Pн, Вт	От 1 до 500 Вт	Мощность на валу в синхронном режиме. Большие мощности редки из-за экономической нецелесообразности.
Номинальное напряжение	Uн, В	220 В, 230 В, 110 В	Напряжение однофазной сети переменного тока частотой 50/60 Гц.
Синхронная частота вращения	nс, об/мин	3000 (2 полюса), 1500 (4 полюса), 1000 (6 полюсов), 750 (8 полюсов) при 50 Гц	Рассчитывается как nс = 60*f / p, где f — частота сети, p — число пар полюсов.
Пусковой момент	Mп, Н*м или % от Mн	0.3 – 2.0 Mн	Зависит от конструкции пусковой клетки и схемы фазосдвигающей цепи.
Момент входа в синхронизм	Mвх, Н*м	0.5 – 1.5 Mн	Максимальный момент нагрузки, при котором двигатель втянется в синхронизм с предварительным разгоном.
Номинальный КПД	η, %	30% – 70%	Как правило, ниже, чем у трехфазных и асинхронных двигателей аналогичной мощности.
cos φ	—	0.6 – 0.9	Зависит от типа и настройки фазосдвигающего конденсатора.
Емкость рабочего конденсатора	Cраб, мкФ	1 – 20 мкФ	Неполярный, обычно пленочный.
Емкость пускового конденсатора	Cпуск, мкФ	20 – 100 мкФ и более	Часто электролитический, рассчитан на кратковременную работу.

Схемы подключения и управления

Наиболее распространены две схемы:

• Схема с пусковым конденсатором и центробежным выключателем: Вспомогательная обмотка через конденсатор большой емкости подключается только на время пуска. После разгона до 75-80% синхронной скорости центробежный выключатель размыкает цепь. Дальнейшая работа происходит на основной обмотке. Недостаток — низкий cos φ и перегрузочная способность в рабочем режиме.
• Схема с рабочим конденсатором: Вспомогательная обмотка и конденсатор меньшей, но оптимально подобранной емкости, включены постоянно. Это обеспечивает лучшие энергетические показатели и более круговое поле. Пусковой момент при этом снижен.
• Комбинированная схема: Использует два конденсатора — пусковой (большой емкости, отключаемый) и рабочий (меньшей емкости, постоянно включенный). Является оптимальной по сочетанию пусковых и рабочих характеристик.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Абсолютно постоянная скорость вращения, независящая от колебаний нагрузки и напряжения сети.
• Высокая точность позиционирования (для двигателей с ПМ).
• Возможность коррекции коэффициента мощности сети при соответствующем design.
• Простота конструкции и надежность (особенно у двигателей с ПМ).
• Прямое питание от бытовой однофазной сети.

Недостатки:

• Сложность пуска, необходимость специальных пусковых устройств.
• Относительно низкие пусковой момент и перегрузочная способность.
• Чувствительность к колебаниям нагрузки: при превышении максимального синхронizing момента двигатель выпадает из синхронизма и останавливается.
• Более низкий КПД и cos φ по сравнению с трехфазными аналогами.
• Сложность плавного регулирования скорости без применения частотных преобразователей.

Области применения

Однофазные синхронные двигатели применяются там, где критична стабильность скорости или углового положения:

• Таймеры и программные устройства: Время-задающие механизмы стиральных машин, микроволновых печей, реле времени.
• Измерительные приборы: Электрические счетчики (активной и реактивной энергии), самопишущие приборы, лентопротяжные механизмы.
• Офисная и бытовая техника: Приводы копировальных аппаратов, сканеров, вентиляторы с точным поддержанием оборотов.
• Медицинская техника: Приводы насосов, вентиляторов, где важна стабильность.
• Автоматика и телемеханика: Синхронные следящие системы, исполнительные механизмы.
• Бытовая вентиляция: Вытяжные вентиляторы с постоянным расходом воздуха.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Почему однофазный синхронный двигатель не запускается самостоятельно?

Однофазная обмотка создает пульсирующее, а не вращающееся магнитное поле. Это поле можно представить как сумму двух полей, вращающихся в противоположные стороны. Результирующий пусковой момент равен нулю. Для создания начального вращающего момента необходима вторая обмотка со сдвигом по фазе тока, что и реализуется с помощью конденсатора или иного элемента.

2. Как правильно подобрать конденсатор для однофазного синхронного двигателя?

Емкость конденсатора рассчитывается исходя из условий создания кругового вращающегося поля при номинальной нагрузке или обеспечения требуемого пускового момента. Для рабочего конденсатора ориентировочная формула: C_раб ≈ (2800 I_ном) / U_сети (для треугольника обмоток) или C_раб ≈ (4800 I_ном) / U_сети (для звезды), где ток I_ном берется для вспомогательной обмотки. Точные значения указаны в паспорте двигателя. Напряжение конденсатора должно быть не менее 1.5

• U_сети.

3. Что произойдет, если двигатель выпадет из синхронизма?

Если момент нагрузки превысит максимальный синхронизирующий момент, ротор начнет колебаться относительно синхронного положения, после чего произойдет асинхронный ход с резким снижением скорости, повышенным нагревом и, как правило, последующей остановкой. Для двигателей с пусковой клеткой возможна работа в асинхронном режиме с нестабильной скоростью. Необходимо немедленно снизить нагрузку или отключить двигатель.

4. В чем ключевое отличие гистерезисного однофазного синхронного двигателя?

Ротор из магнитотвердого материала намагничивается полем статора. За счет явления гистерезиса магнитный поток в роторе отстает от намагничивающей силы, что создает постоянный вращающий момент как при пуске, так и в синхронном режиме. Главное преимущество — самозапуск и плавный вход в синхронизм с любой точки. Недостатки — низкий КПД и cos φ, малая удельная мощность.

5. Можно ли регулировать скорость однофазного синхронного двигателя?

Классические двигатели, питаемые напрямую от сети, имеют фиксированную синхронную скорость, определяемую частотой сети и числом пар полюсов. Плавное регулирование скорости возможно только с использованием частотного преобразователя (инвертора), специально предназначенного для управления однофазными двигателями (часто с организацией векторного управления). Изменение напряжения приводит лишь к снижению момента и выпадению из синхронизма.

6. Как диагностировать неисправности в однофазном синхронном двигателе?

Основные неисправности и методы проверки:

• Нет пуска, гудение: Проверить целостность пусковой обмотки, конденсатора (емкость, КЗ, обрыв), центробежный выключатель.
• Двигатель не входит в синхронизм: Проверить нагрузку (возможно, завышена). Проверить емкость рабочего конденсатора (слишком мала). Возможен дефект ротора (демпферной клетки или магнитов).
• Перегрев: Проверить соответствие напряжения сети, емкость конденсатора (неверный подбор приводит к перетоку по обмоткам), механическую нагрузку, условия охлаждения.
• Неравномерный ход или вибрация: Проверить балансировку ротора, состояние подшипников, целостность постоянных магнитов (для ПМ-двигателей).

Заключение

Однофазные синхронные электродвигатели занимают устойчивую нишу в приводах устройств, требующих стабильной синхронной скорости от однофазной сети. Несмотря на относительно сложную теорию пуска и ограниченные мощностные характеристики, их применение экономически и технически оправдано в приборостроении, бытовой автоматике, системах точного времени. Современные тенденции связаны с широким внедрением роторов на основе редкоземельных постоянных магнитов, что повышает КПД и удельную мощность, а также с интеграцией электронных систем управления пуском и защитой, повышающих надежность и расширяющих функциональные возможности этих электрических машин.