Электродвигатель 220В: Как подключить и проверить

Содержание страницы

1. Классификация однофазных электродвигателей
2. Конструкция и устройство однофазного электродвигателя
3. Однофазные асинхронные электродвигатели: Теория и практика
4. Конденсаторные двигатели (Постоянное включение)
5. Двигатели с экранированными полюсами (Shaded Pole)
6. Универсальные коллекторные двигатели (UKD)
7. Шаговые двигатели (Stepper Motors)
8. Сравнительная таблица типов двигателей
9. Интересные факты
10. FAQ: Техническая диагностика и эксплуатация
Заключение

Cовременный дом и офис буквально напичканы электромоторами. Стиральная машина, дрель, кухонная вытяжка, насос в скважине, вентилятор процессора и даже привод лотка DVD — всё это работает благодаря бытовым электродвигателям. В старых учебниках и ГОСТах их принято называть «электрическими машинами малой мощности» (до 1 кВт), но на практике мы знаем их как надежные рабочие устройства, подключаемые к однофазной сети 220В.

Потребность в таких машинах возникла в конце XIX века с началом массовой электрификации жилого сектора. Если заводы получали трехфазное питание (система Доливо-Добровольского), то в дома проводилась (и проводится до сих пор) только одна фаза и ноль. Это породило грандиозную инженерную проблему: как заставить двигатель вращаться от пульсирующего тока, который не создает вращающегося магнитного поля?

различные виды однофазных электродвигателей

1. Классификация однофазных электродвигателей

Сегодня этот класс машин является самым массовым по количеству выпускаемых единиц в мире. Их принято делить на группы в зависимости от способа создания вращающего момента:

Однофазные асинхронные двигатели (с пусковой обмоткой) — классика холодильной техники.
Конденсаторные двигатели — наиболее распространенные моторы для вентиляции и насосов.
Двигатели с экранированными полюсами (Shaded Pole) — простейшие моторы для маломощных вентиляторов.
Коллекторные (универсальные) машины — высокооборотные двигатели для электроинструмента.
Шаговые двигатели — цифровые приводы для точного позиционирования.

2. Конструкция и устройство однофазного электродвигателя

С технической точки зрения однофазный асинхронный двигатель представляет собой классическую электрическую машину, состоящую из двух ключевых функциональных узлов:

Статор — статичная, неподвижная часть. Представляет собой корпус, внутри которого размещены основные электромагнитные элементы.
Ротор — подвижная часть, которая вращается под действием сил электромагнитного поля, создаваемого статором.

Механическая связь между этими деталями и центровка ротора обеспечиваются за счет подшипников качения. Их внутренние кольца плотно насажены на специально проточенные шейки вала ротора, а внешние кольца запрессованы в защитные боковые крышки (подшипниковые щиты), которые жестко крепятся к корпусу статора болтами.

Рис. 1. Устройство электродвигателя в разрезе: статор, ротор и подшипниковые узлы.

Устройство ротора

Конструкция ротора в однофазных моделях унифицирована с трехфазными двигателями. Основу составляет стальной вал, на котором напрессован магнитопровод — цилиндрический пакет, набранный из листов электротехнической стали (шихтованные пластины). Использование набора пластин вместо цельного куска металла необходимо для снижения потерь на вихревые токи.

На внешней поверхности магнитопровода выполнены продольные пазы. В них залиты или вставлены стержни из алюминия (реже меди), которые по торцам замкнуты кольцами. Эта конструкция называется «беличьей клеткой».

Принцип взаимодействия: В короткозамкнутой обмотке ротора протекают электрические токи, индуцируемые вращающимся магнитным полем статора. Магнитопровод ротора обеспечивает концентрацию и эффективное замыкание магнитного потока.
При пересечении проводников короткозамкнутой обмотки (например, у “беличьей клетки”) этим полем в них индуцируется ЭДС (подробно о электромагнитной индукции), а затем и электрический ток, поскольку цепь замкнута. Возникающие токи создают собственное магнитное поле, взаимодействующее с полем статора и формирующее вращающий момент.

Рис. 2. Ротор с короткозамкнутой обмоткой («беличья клетка»).

Примечание: В специфических конструкциях двигателей малой мощности ротор может быть выполнен в виде сплошного цилиндра из ферромагнитного или немагнитного материала (в гистерезисных или вихревых двигателях), но в быту это встречается редко.

Устройство статора

Статор является главным генерирующим элементом машины. Конструктивно он состоит из трех частей:

Корпус (обычно литой алюминиевый или чугунный);
Магнитопровод (сердечник с пазами внутри);
Обмотка (медный провод, уложенный в пазы).

Основное назначение статора — генерация неподвижного (пульсирующего) или вращающегося электромагнитного поля. Электрическая часть обычно состоит из двух независимых контуров:

1. Рабочая обмотка (основная).
2. Пусковая обмотка (вспомогательная).

В простейших моделях (например, вентиляторах старого образца), рассчитанных на ручной запуск, может присутствовать только одна рабочая обмотка, однако в современной технике это практически не применяется.

Рис. 3. Статор с рабочей и пусковой обмотками.

3. Однофазные асинхронные электродвигатели: Теория и практика

Физика процесса: Почему он не крутится сам?

Однофазные асинхронные двигатели питаются от стандартной сети 220В. Статор таких двигателей может иметь однофазную, двухфазную или распределенную обмотку. Рассмотрим базовый случай: на статоре находится только одна рабочая обмотка (Рис. 4, а).

Переменный ток, протекая по обмотке, создает магнитное поле, вектор индукции которого не вращается в пространстве, а лишь пульсирует во времени (меняет амплитуду от \( +\Phi_{max} \) до \( -\Phi_{max} \)).

Теория двух вращающихся полей (Метод Леблана): Пульсирующее магнитное поле амплитудой \( \Phi_m \) можно математически представить как сумму двух векторов, вращающихся в противоположные стороны с одинаковой синхронной частотой \( n_{sync} \): \[ n_{sync} = \frac{60 \cdot f}{p} \] где \( f \) — частота сети (50 Гц), а \( p \) — число пар полюсов. Амплитуда каждого из этих полей равна половине исходного: \[ \Phi_{pr} = \Phi_{obr} = \frac{1}{2}\Phi_m \]

Рис. 4. Однофазный двигатель: а — конструктивная схема; б — векторная диаграмма разложения пульсирующего поля на прямое (вращающее) и обратное (тормозное).

Прямое поле создает вращающий момент \( M_{pr} \), а обратное — тормозной момент \( M_{obr} \). При неподвижном роторе (скольжение \( s = 1 \)) эти моменты равны по модулю и направлены встречно. Результирующий пусковой момент равен нулю. Двигатель гудит, греется, но стоит.

Однако, если ротор искусственно раскрутить в любую сторону, скольжение относительно «попутного» поля уменьшается, а относительно «встречного» — увеличивается. Баланс сил нарушается, и двигатель продолжает вращение самостоятельно.

Технические решения для пуска

Вручную раскручивать моторы неудобно, поэтому применяют пусковую обмотку. Обычно распределение пазов статора следующее: 2/3 занимает мощная рабочая обмотка, 1/3 — вспомогательная пусковая.

Пусковая обмотка смещена в пространстве на 90 электрических градусов. Чтобы создать вращающееся поле, нужно сдвинуть и фазу тока в ней. Это делается двумя способами:

Конденсатор (C): Дает мощный пусковой момент и сдвиг фаз близкий к 90°.
Резистор (R): Более дешевый вариант, но с меньшим моментом.

1. Пуск через сопротивление (Split-Phase)

Рис. 5. Схема пуска двигателя через сопротивление с пусковой обмоткой и отключающим устройством (кнопка ПНВС).

Пусковую обмотку мотают тонким проводом с большим активным сопротивлением \( R \). Из-за разницы \( R/L \) (отношения сопротивления к индуктивности) в рабочей и пусковой обмотках возникает небольшой фазовый сдвиг (около 30°). Момент слабый, но для вентиляторов хватает.

2. Конденсаторный пуск (Capacitor Start)

В цепь пусковой обмотки включают конденсатор \( C \). Это позволяет получить сдвиг фаз, близкий к идеальным 90°. Пусковой момент получается очень мощным (в 2-3 раза больше номинального).

Рис. 6. Схема конденсаторного пуска двигателя с пусковой обмоткой и отключающим устройством.

Важно: Пусковая обмотка в таких схемах не рассчитана на длительную работу. После разгона до 75-80% скорости она должна быть отключена. Для этого используют:

Центробежный выключатель (механический, стоит на валу внутри мотора на Рис.7).
Пускозащитное реле (токовое или тепловое, как в холодильниках).
Электронный таймер.

Рис. 7. Центробежный выключатель механический, стоит на валу внутри однофазного электродвигателя.

Ручная реализация пуска с отключением пусковой обмотки: кнопка ПНВС

Если в современных приборах отключением пусковой обмотки занимается автоматическое реле, то в самодельных станках (наждаки, циркулярки) и старой советской технике часто используется гениальное по своей простоте устройство ручного управления — пост ПНВС (Пускатель Нажимной Всепогодный).

Рис. 8. Схема кнопки ПНВС для пуска однофазного электродвигателя с пусковой обмоткой.

Как работает схема с ПНВС?
Это устройство решает главную проблему запуска: как подать питание на пусковой конденсатор только на момент разгона и тут же его отключить, не используя сложную автоматику.Внутри кнопки расположены три контактные группы:

Крайние контакты (Фаза и Ноль): Работают в режиме фиксации. При нажатии кнопки «Пуск» они замыкаются и остаются в этом положении, подавая питание на рабочую обмотку.
Средний контакт (Пусковой): Подпружинен и не имеет фиксации. Он замкнут только пока вы удерживаете палец на кнопке. Как только вы отпускаете кнопку, шток возвращается назад, размыкая цепь пускового конденсатора, в то время как крайние контакты продолжают питать двигатель.

Остановка производится нажатием на соседнюю красную клавишу «Стоп», которая механически сбрасывает фиксацию крайних контактов.

Схема подключения с двумя конденсаторами

Ниже приведена практическая схема подключения электродвигателя с использованием пускового поста ПНВС. Это универсальный вариант, позволяющий получить максимальный крутящий момент.

Рис. 9. Схема пуска с использованием кнопки ПНВС, рабочего (Ср) и пускового (Сп) конденсаторов.

Разбор элементов схемы:

Кнопка ПНВС: Центральный контакт замыкается только на время удержания кнопки «Пуск». Именно через него запитывается пусковая цепь. Крайние контакты остаются замкнутыми для питания рабочей обмотки.
Ср (Рабочий конденсатор): Включен в цепь постоянно. Он обеспечивает сдвиг фаз в рабочем режиме, увеличивая мощность двигателя и снижая гул.
Сп (Пусковой конденсатор): Подключается параллельно рабочему, но только на 2-3 секунды старта. Его емкость обычно в 2-3 раза больше рабочей, что дает мощный толчок ротору.
Rп (Разрядный резистор): Важный элемент безопасности! После размыкания кнопки пусковой конденсатор остается заряженным. Резистор (обычно 200–500 кОм) нужен, чтобы плавно разрядить конденсатор после пуска и предотвратить удар током при обслуживании или пробой контактов кнопки при следующем пуске.

4. Конденсаторные двигатели (Постоянное включение)

Конденсаторными называют асинхронные двигатели, у которых вспомогательная обмотка не отключается, а работает постоянно через конденсатор. Их еще называют PSC-моторы (Permanent Split Capacitor).

Конструкция и преимущества

В отличие от чисто «пусковых» схем, здесь обе обмотки часто занимают по 50% пазов статора (Рис. 10). Емкость конденсатора подбирается так, чтобы при номинальной нагрузке двигатель создавал круговое (а не эллиптическое) вращающееся поле.

Рис. 10. Схема конденсаторного двигателя с постоянно включенной рабочей емкостью.

Плюсы такого решения:

- Отсутствие пусковых механизмов (контактов, реле), которые могут пригореть.
- Высокий коэффициент мощности \( \cos \varphi \).

Тихая работа (из-за отсутствия пульсаций момента).

Типы конденсаторных схем (Российская и международная классификация):

1. Двигатель с рабочим конденсатором (PSC — Permanent Split Capacitor):
В этой схеме конденсатор включен в цепь постоянно. Это классический «конденсаторный двигатель».
Особенности: Тихая работа, высокий КПД, но пусковой момент всего 50-70% от номинала.
Где стоит: Бытовые вентиляторы, вытяжки, циркуляционные насосы отопления.

2. Двигатель с пусковым конденсатором (CSIR — Capacitor Start Induction Run):Конденсатор работает только в момент пуска (2-3 секунды), после чего отключается реле или центробежным выключателем. После разгона двигатель работает как обычный асинхронный с пульсирующим полем.
Особенности: Очень мощный рывок на старте (300-400%), но более «грубая» работа и низкий КПД.
Где стоит: Бетономешалки, старые холодильники, поршневые компрессоры, мойки высокого давления.

3. Двигатель с двумя конденсаторами (CSCR — Capacitor Start Capacitor Run):
Гибридная схема: есть и пусковой (большой емкости, отключается), и рабочий (малой емкости, работает всегда) конденсаторы.
Особенности: Лучшее техническое решение. Сочетает мощный старт CSIR и плавную экономичную работу PSC.
Где стоит: Профессиональные станки, мощные компрессоры, пилорамы, оборудование, которое запускается под нагрузкой.

5. Двигатели с экранированными полюсами (Shaded Pole)

Это самые дешевые и простые электродвигатели из существующих. Вы, вероятно, не слышали это название, но у вас дома их не менее пяти штук: вентилятор в микроволновке, сливной насос в стиральной машине, вентилятор в духовке, фен.

Устройство

У них нет конденсатора и нет вспомогательной обмотки в привычном понимании. Статор имеет явновыраженные полюса. На части каждого полюса (обычно 1/3) надет короткозамкнутый медный виток (экран).

Рис. 11. Устройство и принцип действия однофазного электродвигателя с экранированными полюсам.

Принцип действия: Согласно закону Ленца, в короткозамкнутом витке наводится ток, который препятствует изменению магнитного потока. В результате магнитный поток в «экранированной» части полюса отстает по фазе от потока в основной части. Это создает эффект «перебегания» магнитного поля от неэкранированной части к экранированной, увлекая за собой ротор.

Характеристики: Очень низкий КПД (20-40%), но исключительная надежность — там просто нечему ломаться.

6. Универсальные коллекторные двигатели (UKD)

Для электроинструмента и пылесосов асинхронные двигатели не подходят — они слишком медленные (макс. 3000 об/мин) и тяжелые. Здесь применяют коллекторные машины переменного тока.

Почему «Универсальные»?

Они могут работать как от переменного (AC), так и от постоянного (DC) тока. Конструктивно это двигатель последовательного возбуждения: ток идет через статор и ротор последовательно.

Рис. 12. Электрическая схема и устройство универсального коллекторного двигателя.

Особенности при работе на переменном токе:

Шихтовка статора: Весь магнитопровод (и статор, и ротор) набирается из тонких листов электротехнической стали для борьбы с вихревыми токами Фуко. В обычных DC-моторах статор может быть массивным.
Реактивный момент: Поскольку полярность меняется 100 раз в секунду (при 50 Гц), направление момента \( M \sim I \cdot \Phi \) сохраняется (минус на минус дает плюс).
Высокие обороты: Двигатель не привязан к частоте сети 50 Гц. Он может развивать 10 000, 20 000 и даже 30 000 об/мин.

Регулирование оборотов: Осуществляется очень просто — изменением напряжения. Обычно используют симисторные регуляторы (кнопка в дрели) с фазово-импульсным управлением.

7. Шаговые двигатели (Stepper Motors)

Шаговые двигатели — это преобразователи электрических импульсов в дискретное механическое перемещение. В отличие от всех предыдущих типов, они не вращаются непрерывно, а делают «шаги».

Как это работает?

Ротор современного шагового двигателя часто содержит постоянные магниты (гибридный тип) или зубчатое железо. На статоре расположены обмотки (фазы).

а) Фаза А → Ротор ориентируется на север. б) Фазы А+B → Ротор встает между полюсами.

Рис. 13. Шаговый двигатель и диаграмма его коммутации.

Управление и характеристики Для работы двигателя необходим внешний контроллер (драйвер), который подает прямоугольные импульсы тока на обмотки в строгой последовательности (например, 1-2-3-4). Ротор поворачивается вслед за полем на фиксированный угол.

Скорость вращения определяется частотой следования импульсов.
Угол поворота строго зависит от количества поданных импульсов. Стандартный шаг гибридного двигателя составляет 1.8° (200 шагов на оборот).
Ток удержания: Уникальная особенность шаговых двигателей. Если остановить подачу импульсов, но продолжить подавать постоянный ток в обмотки, вал двигателя фиксируется в текущем положении, работая как электромагнитный тормоз.

8. Сравнительная таблица типов двигателей

Характеристика	Асинхронный (1-фазный)	Конденсаторный (PSC)	Коллекторный (Универсальный)	С экранированными полюсами	Шаговый
Тип тока	AC 220В	AC 220В	AC/DC	AC 220В	Импульсный DC
Скорость (об/мин)	Фиксирована (~2800)	Фиксирована (~2800)	Высокая (до 30000)	Фиксирована (~2700)	От 0 до ~1000
Пусковой момент	Средний	Низкий/Средний	Очень высокий	Очень низкий	Максимальный
Шумность	Низкая (гул)	Очень низкая	Очень высокая (визг)	Низкая	Средняя (гул/писк)
Ресурс (без ТО)	10-20 лет	10-20 лет	50-500 часов (щетки)	Вечный (только втулки)	Зависит от подшипников
Применение	Насосы, станки	Вентиляция, кондиционеры	Дрели, пылесосы, миксеры	СВЧ-печи, фены	ЧПУ, 3D-принтеры

9. Интересные факты

1. ЭФФЕКТ «РАЗНОСА»: Если включить мощный коллекторный двигатель последовательного возбуждения без нагрузки (без ремня или крыльчатки), он может уйти в «разнос» — обороты будут расти до тех пор, пока центробежная сила не разорвет обмотки якоря. В бытовых пылесосах роль ограничителя играет крыльчатка вентилятора.
2. СЕКРЕТ ТИШИНЫ: В дорогих холодильниках используют инверторные двигатели. Это по сути трехфазные моторы, которые питаются от электронной платы, преобразующей бытовые 220В в три фазы нужной частоты.
3. САМЫЙ МАССОВЫЙ МОТОР: Двигатель виброзвонка в вашем телефоне — это тоже микродвигатель постоянного тока с эксцентриком на валу.
4. ШАГ ЗА ШАГОМ: Если вы принудительно прокрутите вал шагового двигателя рукой, он будет работать как генератор, вырабатывая импульсы напряжения, которые могут сжечь драйвер управления.
5. ТОНКАЯ РАБОТА: Зазор между статором и ротором в асинхронных микродвигателях составляет всего 0.2–0.3 мм. Любой износ подшипников приводит к задеванию ротора за статор (клин).
6. РЕСУРС ЩЕТОК: Угольные щетки в электроинструменте — это расходный материал. Профессиональный инструмент имеет функцию «отстрела» щеток при их полном износе, чтобы пружина не процарапала коллектор.
7. КПД НЕ ГЛАВНОЕ: КПД двигателя с экранированными полюсами (в вашей микроволновке) может быть всего 20%. Остальные 80% энергии уходят в тепло. Но из-за малой мощности (10-20 Вт) этим пренебрегают ради дешевизны конструкции.

10. FAQ: Техническая диагностика и эксплуатация

Каковы причины отсутствия пускового момента (двигатель гудит, но не вращается) в однофазных машинах?

Диагностика неисправности: Данный симптом указывает на отсутствие вращающегося магнитного поля при наличии пульсирующего. Основные причины:

1. Обрыв фазосдвигающей цепи: Выход из строя пускового/рабочего конденсатора (потеря емкости) или неисправность центробежного выключателя/пускового реле.

2. Механическое заклинивание: Разрушение подшипников или перекос подшипниковых щитов, препятствующий вращению ротора (проверяется проворачиванием вала вручную при обесточенной сети).

3. Межвитковое замыкание: Локальный перегрев обмотки статора.

Какие факторы вызывают повышенную искровую коммутацию («Круговой огонь») в коллекторных машинах?

Появление «кругового огня» свидетельствует о нарушении процесса коммутации (класс коммутации выше 1.5–2 по ГОСТ). Причины:

— Механические: Критический износ щеток, потеря упругости нажимных пружин, эллипсность коллектора или биение вала.

— Электрические: Межвитковое замыкание в секциях якоря или пробой изоляции между ламелями коллектора. Сопровождается запахом озона и почернением пластин.

Допустимо ли применение тиристорных регуляторов (фазо-импульсное управление) для асинхронных двигателей?

Технически недопустимо. Фазо-импульсные регуляторы (диммеры) изменяют действующее значение напряжения, но не частоту. Для асинхронной машины вращающий момент пропорционален квадрату напряжения (\( M \sim U^2 \)). Снижение напряжения приводит к критическому падению момента, росту скольжения \( s \) и резкому увеличению токов ротора, что вызывает перегрев обмоток. Для корректного управления требуется частотное регулирование (U/f = const).

Каков коэффициент снижения мощности при включении трехфазного двигателя в однофазную сеть (схема Штейнмеца)?

При использовании фазосдвигающего конденсатора (схема «Треугольник») магнитное поле статора становится эллиптическим, а не круговым. Это приводит к снижению полезной мощности на валу на 30–40% от номинальной паспортной. Также значительно снижается пусковой момент (до 25–30% от номинального), что делает невозможным пуск механизмов с тяжелыми условиями старта (компрессоры под давлением, нагруженные конвейеры).

Как определить допустимый перегрев двигателя согласно классу нагревостойкости?

Рабочая температура определяется классом изоляционных материалов (ГОСТ 8865). Для большинства машин малой мощности применяются классы:

— Класс B: Предельная температура 130°C.

— Класс F: Предельная температура 155°C.

Таким образом, температура корпуса 70–80°C является штатным режимом. Критическим считается нагрев, вызывающий деструкцию изоляции (потемнение лака, дым).

Каков алгоритм реверсирования (смены направления вращения) однофазного асинхронного двигателя?

Простая смена местами питающих проводов (фазы и нуля) не изменит направление вращения, так как пульсирующее поле статора симметрично. Для реализации реверса необходимо изменить направление тока в одной из обмоток относительно другой.

Технически это достигается переключением (рокировкой) начал и концов только пусковой (вспомогательной) обмотки. Если двигатель имеет всего два вывода наружу (обмотки соединены внутри корпуса), реверсирование без вскрытия и перепайки схемы невозможно.

Как влияет отклонение емкости рабочего конденсатора от номинала на ресурс машины?

Подбор емкости — это поиск баланса для создания кругового поля при определенной нагрузке.

— Емкость ниже нормы (\( C < C_{nom} \)): Магнитное поле становится эллиптическим. Двигатель теряет мощность, «вязнет» под нагрузкой и издает характерный низкочастотный гул.

— Емкость выше нормы (\( C > C_{nom} \)): Увеличивается пусковой момент, но нарушается фазовый сдвиг в рабочем режиме. Это приводит к протеканию чрезмерных токов через вспомогательную обмотку. Итог: двигатель перегревается и сгорает даже без внешней нагрузки.

Заключение

Электродвигатели 220В и малой мощности — это невидимый фундамент нашего комфорта. Их эволюция продолжается: на смену простейшим асинхронным моделям приходят энергоэффективные двигатели с постоянными магнитами (BLDC) и интеллектуальным управлением. Однако классические конденсаторные и коллекторные моторы еще долго будут оставаться в строю благодаря своей простоте, ремонтопригодности и низкой стоимости.

Нормативная база и стандарты

ГОСТ IEC 60034-1-2014 — «Машины электрические вращающиеся. Номинальные данные и характеристики». (Основной межгосударственный стандарт).
ГОСТ 16264.1-2016 — «Двигатели асинхронные. Общие технические условия».
ГОСТ IEC 60335-1-2024 — «Бытовые и аналогичные электрические приборы. Безопасность». (Определяет требования к защите от поражения током и перегрева моторов внутри техники).
ГОСТ 27471-87 — «Машины электрические вращающиеся. Термины и определения».

Список литературы

1. Копылов И. П. Электрические машины: Учебник для вузов. — 6-е изд. — М.: Высшая школа, 2018. (Фундаментальная теория).
2. Кенасовидес А. Справочник по ремонту однофазных двигателей. — М.: Додэка-XXI, 2009. (Практическое руководство по ремонту и схемам).
3. Кацман М. М. Электрические машины: Справочник. — М.: Академия, 2019.