ЛЕКЦІЯ 35

ТЕМА 4.6 ОДНОФАЗНІ ТА КОНДЕНСАТОРНІ АСИНХРОННІ ДВИГУНИ

Є ціла низка споживачів до яких підводиться лише однофазна електрична мережа, наприклад житлові будинки, деякі установи, офіси тощо. В таких мережах широко використовуються однофазні асинхронні двигуни як такі, що конструктивно прості, надійні в експлуатації та не потребують спеціального обслуговування. Частіше всього однофазні двигуни використовуються в побутових приладах (пральні машини, холодильники, вентилятори і таке інше), тому їх потужність невелика (не більше 500 Вт).

4.6.1 ПРИНЦИП ДІЇ ТА ПУСК ОДНОФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГУНА

За конструкцією однофазний асинхронний двигун аналогічний трифазному і складається із статора, в пазах якого укладена однофазна обмотка, і короткозамкненого ротора. Особливістю роботи однофазного двигуна є те, що МРС статора створює не кругове обертове, а пульсуюче магнітне поле, амплітуда магнітного потоку якого Ф_макс змінюється від +Ф_макс до – Ф_макс, а його вісь залишається нерухомою у просторі (див. 3.3.3).

Відомо, що такий потік можна представити, як два кругових обертових Ф_пр та Ф_зв, що обертаються з однаковою частотою обертання n₁ у різні боки і мають амплітуду ½ Ф_макс. Під час пуску ці потоки створюють на роторі два пускові моменти М_{пуск пр} та М_{пуск зв}. Так як потоки рівні за величиною, ці моменти будуть також рівними і, маючи протилежні напрями, створюють результатний пусковий момент рівний нулю і не зможуть запустити двигун (рис. 4.37). Отже, при живленні від однофазної мережі, двигун не розвиває пускового моменту. Якщо ж стороннім джерелом механічної енергії привести ротор до обертання, то один з магнітних потоків (наприклад Ф_пр) буде обертатись в тому ж напрямі, що і ротор, а другий (Ф_зв) – у зворотному. Ковзання ротора відносно прямого (s_пр) і зворотного (s_зв) полів буде різним:

s_пр = (n₁ – n₂)/ n₁ << s_зв = (– n₁ – n₂)/(– n₁) = (n₁ + n₂)/ n₁,

де (– n₁)– частота обертання зворотного потоку.

Пряме та зворотне магнітні поля створюють в обмотці ротора кожне свою ЕРС Е_2пр і Е_2зв, а ЕРС – відповідно струми І_2пр та І_2зв. Враховуючи що s_пр << s_зв, частоти струмів в обмотці ротора (пропорційні ковзанню f₂ = f_{1 *} s) прямого і зворотного полів f_2пр та f_2зв також будуть різними: f_2пр << f_2зв. Так, для однофазного двигуна з n₁ = 1000 об/хв. та n₂ = 950 об/хв. при f₁ = 50 Гц, ковзання s_пр = (1000 – 950)/1000 = 0,05, s_зв = (1000 + 950)/1000 = 1,95, і відповідно f_2пр = 50_*0,05 = 2,5 Гц, а f_2зв = 50_*1,95 = 97,5 Гц. В зв’язку з цим, індуктивний опір обмотки ротора Х_2пр струму І_2пр буде набагато меншим, ніж індуктивний опір Х_2зв струму І_2зв, а сам струм І_2зв за рахунок значного індуктивного опору Х_2зв, матиме індуктивний характер, а отже, буде створювати значну розмагнічувальну дію на потік Ф_зв, відчутно знижуючи його. В результаті електромагнітний момент М_зв, який створюється взаємодією зворотного поля Ф_зв і струму І_2зв, у відповідності з (4.56), буде набагато менший від обертового моменту М_{п р}. Таким чином, під дією електромагнітного моменту М_пр, однофазний асинхронний двигун може працювати і на пульсуючому магнітному полі, якщо його ротор попередньо привести до обертання.

З цією метою на статорі однофазного двигуна виконується не тільки робоча р, а й пускова п обмотка (рис. 4.38).

Наявність двох обмоток на статорі, дозволяє мати два струми: робочий І_р та пусковий І_п. Якщо ці струми зсунути у просторі і часі на електричний кут в 90 ⁰, то вони будуть створювати кругове обертове магнітне поле, і двигун, як і трифазний, буде мати достатній пусковий момент. Зсув струмів у просторі здійснюється взаємно перпендикулярним розташуванням обмоток в пазах статора, а в часі – застосуванням фазозсувного елемента ФЕ, в якості якого може використовуватися активний опір R, індуктивність L або електроємність C. При досягненні частоти обертання близької до номінальної, пускова обмотка із фазозсувним елементом відмикається ключем “ Пуск ”. Тобто під час пуску двигун є двофазним, а під час роботи – однофазним.

Для отримання обертового поля за допомогою двох обмоток, зміщених у просторі на 90 ⁰ ел., необхідно виконати дві умови: МРС робочої F_p та пускової F_п обмоток повинні бути рівні і зсунуті у просторі на кут в 90 ⁰ ел.; струми в обмотках статора І_р та І_п повинні бути зсунуті по фазі на кут в 90 ⁰ (рис. 4.39).

При виконанні цих умов обертове поле буде круговим, що забезпечить найбільший пусковий момент, якщо ж частково якась із умов буде не виконуватись, то поле буде еліптичним, в складі якого є зворотна складова (рис. 3.28). Ця складова поля буде створювати гальмівний момент, ускладнюючи умови пуску.

Із векторних діаграм, приведених на (рис.4.40), видно, що лише при ємнісному фазозсувному елементі (рис. 4.40, в) можна забезпечити необхідний кут зсуву в 90 ⁰. Величина електроємності вибирається такою, щоб пусковий струм І_п у момент пуску випереджав по фазі напругу U₁ на кут φ_п, що доповнює кут φ_р до 90 ⁰ (α = φ_р + φ_п = 90 ⁰). Найчастіше застосування електроємності в якості ФЕ, обмежується значними габаритами конденсаторів, тому що для створення кругового поля необхідні конденсатори великої ємності. Наприклад, для однофазного двигуна потужністю 200 Вт необхідний конденсатор ємністю 30 мкФ при робочій напрузі (400 – 500) В.

Значне поширення мають однофазні двигуни з активним фазозсувним елементом в якості ФЕ. При цьому збільшення активного опору пускової обмотки досягається зниженням перерізу її дроту (в порівнянні з робочою обмоткою). Так як пускова обмотка вмикається короткочасно, то така конструкція двигуна цілком допустима. Пусковий момент з таким ФЕ не перевищує номінального, але це цілком прийнятно при пуску двигунів з малим навантаженням на валу (наприклад двигуна холодильника).

4.6.2 АСИНХРОННІ КОНДЕНСАТОРНІ ДВИГУНИ

Асинхронний конденсаторний двигун, як і однофазний, має на статорі дві обмотки – основну і допоміжну. Вони займають рівне число пазів статора і зсунуті в просторі між собою на електричний кут в 90 ⁰ ел. Основна обмотка о вмикається безпосередньо в однофазну мережу, допоміжна д також, але через конденсатор С_р (рис. 4.41, а). На відміну від раніше розглянутого однофазного двигуна, в конденсаторному двигуні допоміжна обмотка після пуску не відмикається, а залишається увімкненою на увесь період роботи і створює фазовий зсув між струмами обмоток.

На відміну від однофазного двигуна, який працює на пульсуючому магнітному полі, конденсаторний двигун має обертове поле, і тому конденсаторні асинхронні двигуни за своїми властивостями наближаються до трифазних двигунів.

Як показує аналіз, робоча ємність С_р забезпечує отримання кругового обертового поля лише при одному, визначеному режимі роботи двигуна. При зміні навантаження необхідно змінювати і величину робочої електроємності С_р, тому, щоб створити кругове обертове поле на період пуску, необхідно паралельно робочій ввімкнути пускову електроємність С_п. Величина ж робочої електроємності розраховується на задане навантаження. Після пуску С_п необхідно відімкнути, тому що при малих значеннях ковзання в колі обмотки статора де є електроємність та індуктивність (самої обмотки), може виникнути резонанс напруги, через що напруга на обмотці та конденсаторі може в два-три рази перевищити напругу мережі.

Конденсаторні двигуни досить часто називають двофазними, так як вони мають дві обмотки. Крім цього, такі двигуни можуть працювати без фазозсувних елементів при живленні від двофазної системи напруг (дві напруги однакові за значенням і частотою, зсунуті на кут в 90°). Отримати таку систему напруг можна, наприклад із трифазної з нульовим проводом.

4.6.3 РОБОТА ТРИФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГУНА ВІД ОДНОФАЗНОЇ МЕРЕЖІ

Досить часто виникає необхідність, як правило в побуті, використовувати в однофазній мережі трифазні двигуни. Найчастіше такий двигун вмикається як конденсаторний за однією з трьох схем, що наведені на (рис. 4.42).

Схема (рис. 4.42, а) використовується в тому випадку, коли необхідно мати найменшу робочу електроємність С_р, так як при такій схемі вона визначається як, мкФ:

С_р»2700 І_1ф / U_1ф, (4.78)

де І_1ф – робочий (фазний) струм в обмотці статора; U_1ф – напруга однофазної мережі.

Якщо в клемну коробку виведено лише 3 відводи обмотки статора, а нуль зірки з’єднаний всередині машини, використовується схема (рис. 4.42, б). За цією схемою величина робочої ємності дещо більша, ніж у попередній:

С_р »2800 І_1ф / U_1ф. (4.79)

Недоліком розглянутих схем є те, що потужність двигуна використовується в них лише на одну третину від номінальної потужності двигуна при трифазному живленні. Цей недолік до певної міри відсутній в схемі (рис. 4.42, в). За цією схемою двигун розвиває в однофазному режимі ²/₃ номінальної потужності, але необхідна робоча електроємність при цьому найбільша:

С_р »4800 І_1ф / U_1ф. (4.80)

Підбираючи робочу електроємність, необхідно слідкувати за тим, щоб струм у фазних обмотках при установлених режимах роботи не перевищував номінального значення.

Якщо пуск двигуна відбувається при значному навантаженні на валу, то паралельно робочій електроємності вмикається пусковий конденсатор, ємність якого у (2,5 – 3) рази більша від робочої. В цьому випадку пусковий момент стає приблизно рівним номінальному. Якщо необхідно і далі збільшувати пусковий момент, то пускову електроємність слід збільшити по відношенню до робочої до восьми раз (С_п »8 С_р).

Велике значення для надійності роботи асинхронного трифазного двигуна, як конденсаторного, має правильний вибір конденсаторів за напругою. Слід мати на увазі, що габарити і вартість конденсаторів визначаються не лише їх ємністю, а і робочою напругою. Тому вибір конденсаторів із значним перевищенням номінальної напруги конденсатора веде до невиправданого збільшення габаритів і вартості всієї установки. З іншого боку, зниження номінальної напруги конденсаторів менше робочої, приводить до виходу із ладу конденсаторів, а отже і всієї установки.

При визначенні напруги на конденсаторах, ввімкнених за однією із розглянутих схем, необхідно зважати на таке: при увімкненні двигуна за схемою (рис. 4.42, а) напруга на конденсаторі U_к повинна бути, приблизно, рівною U_к »1,3 U_1ф, при увімкненні за схемами (рис.4.42, б, в) ця напруга - U_к »1,5 U_1ф.

В схемах конденсаторних двигунів використовують паперові конденсатори у металевому корпусі, на якому указується ємність та робоча напруга постійного струму. При ввімкненні такого конденсатора в мережу змінного струму необхідно знизити, приблизно, у два рази допустиму робочу напругу. Наприклад, якщо на конденсаторі указана напруга 600 В, то робочою напругою змінного струму слід вважати 300 В.

4.6.4 ОДНОФАЗНИЙ АСИНХРОННИЙ ДВИГУН З ЕКРАНОВАНИМИ ПОЛЮСАМИ

Для створення пускового моменту в асинхронних мікродвигунах використовується конструкція з явновираженими екранованими полюсами (рис. 4.43), на яких розміщується однофазна обмотка. Полюси 2 мають розщеплену на дві частини конструкцію, при цьому на одній із частин кожного полюса розміщений екран у вигляді мідного витка 1. Ротор 3 двигуна має короткозамкнену обмотку.

При ввімкнені обмотки статора до мережі в магнітній системі двигуна створюється пульсуючий магнітний потік. Цим потоком у замкненому витку наводяться ЕРС та струм, що перешкоджає наростанню потоку і тому викликає фазовий зсув потоку у цій частині полюса (рис. 4.43, б). В результаті потоки в обох частинах кожного полюса виявляються зсунутими по фазі відносно один одного, що, в свою чергу, призводить до появи у двигуні обертового магнітного поля. Часто для покращення пускових і робочих характеристик між полюсами розміщуються магнітні шунти у вигляді стальних пластинок, які з’єднують кінці полюсних наконечників.

Асинхронні двигуни з екранованими полюсами нереверсивні – ротор завжди обертається в напрямі від неекранованої частини полюса до екранованої. Звичайно такі двигуни виготовляються потужністю до 100 Вт і використовуються для приводу пристроїв, що не потребують значного пускового моменту (вентиляторів, електропрогравачів тощо).

ЦЕ НЕОБХІДНО ЗАПАМ’ЯТАТИ:

– однофазні асинхронні двигуни не створюють пускового моменту і потребують для пуску стороннього механічного джерела;

– пуск однофазного асинхронного двигуна здійснюється за рахунок спеціальної пускової обмотки, що розташовується на статорі, перпендикулярно робочій;

– конденсаторний асинхронний двигун – це двофазний двигун, фазовий зсув у якому створюється ввімкненням конденсатора послідовно з додатковою обмоткою;

– трифазні двигуни за спеціальними схемами можна використовувати в однофазній мережі;

Дата добавления: 2015-07-14