Основы теории однофазных асинхронных двигателей

Основные положения. В тех случаях, когда потребление электрической энергии невелико (жилые дома, торговые предприятия и т. д.) или когда выполнение трехфазных сетей затруднительно (например, железные дороги, электрифицируемые на переменном токе), применяются однофазные электрические сети. При этом возникает необходимость использования однофазных двигателей переменного тока. Мощности однофазных двигателей обычно относительно невелики (до 5—10 кет).

Однофазный асинхронный двигатель имеет на статоре однофазную обмотку, а на роторе — обмотку в виде беличьей клетки, как и у трехфазного короткозамк-нутого двигателя. Можно представить себе, что однофазный асинхронный двигатель получается из трехфазного путем отключения одной фазы статора (рис. 30-1, а). Оставшиеся две фазы статора с фазной зоной 60° составляют тогда вместе однофазную обмотку с фазной зоной 120°. Такая однофазная обмотка обладает тем преимуществом, что она не создает в воздушном зазоре третьей гармоники магнитного поля и имеет достаточно большой обмоточный коэффициент (см. § 21-4).

Однофазный ток /_х статора однофазного двигателя создает пульсирующее магнитное поле, которое можно разложить на два поля, имеющих равные амплитуды и вращающиеся в противоположные стороны с одинаковой скоростью

При неподвижном роторе (п — 0, s — 1) эти поля создают одинаковые по величине, но разные по знаку моменты Mi и М_г (рис. 30-2). Поэтому при пуске результирующий момент

M = M_t—M_t

двигателя, не имеющего специальных пусковых приспособлений, равен нулю и двигатель не может прийти во вращение. Если, однако, ротор приведен во вращение в ту или иную сторону, то один из моментов М._х или М_% будет преобладать. Если при этом М > М_ст, то двигатель достигнет определенной установившейся скорости вращения. Оба направления вращения двигателя равноценны, и тормозной режцм работы отсутствует.

По своим рабочим свойствам однофазный двигатель близок к трехфазному, работающему при сильном искажении симметрии питающих напряжений {см.

Рис 30-1. Схема (а) и диаграмма токов статора (б) однофазного асинхронного двигателя, рассматриваемого как трехфазный с отключением одной фазы

§ 2§-£). Поэтому энергетические показатели однофазного двигателя хуже, чем< у трехфазного, использование материалов у однофазного двигателя также хуже. При одинаковых габаритах номинальная мощность однофазного двигатели составляет не более 60—-60% от номинальной мощности трехфазного двигателя. Это связано с тем, что обмотка статора однофазного двигателя занимает не все пазы и имеется обратное поле, которое уменьшает вращающий Момент, увеличивает потери двигателя и вызывает его дополнительный нагрев.

Трехфазный двигатель будет работать в режиме однофазного двигателя, если произойдет обрыв одной фазы цепи статора (например, перегорание защитного плавкого предохранителя в одной фазе). При этом наступает опасный для двигателя режим работы.

Действительно, полезная мощность двигателя в трехфазном режиме

При переходе трехфазного двигателя в однофазный режим скорость вращения практически не изменится, и поэтому мощность на валу Р_х «Р₃. Если бы к. п. д. и cos ф не изменились, то ток в однофазном режиме /_г был бы в ]Аз раза больше тока в трехфазном режиме /₃. В действительности ц и cos ф уменьшаются и увеличение тока будет больше. Если двигатель нес большую нагрузку, то при переходе в однофазный режим ток будет значительно больше номинального, и если двигатель при этом не будет отключен, то в результате перегрева он выйдет из строя. Работа «на двух фазах» является нередкой причиной повреждения трехфазных двигателей при их защите плавкими предохранителями, так как ток перегорания плавкой вставки приходится выбирать равным около 2,5 /_и, чтобы плавкая вставка не перегорала при пуске двигателя.

Основы теории однофазного двигателя. Режим работы однофазного двигателя целесообразно исследовать как несимметричный режим работы трехфазного двигателя.

В соответствии с рис. 30-1, а

Рис. 30-2. Кривые моментов однофазного двигателя

Вектйрная диаграмма.токов статора на основании приведенных соотношений представлена на рис. 30-1, б.

то все токи и напряжения схемы рис. 30-3 в Уъ раза больше их симметричных составляющих. Необходимо подчеркнуть, что сопротивления схемы рис. 30-3 являются сопротивлениями фазы трехфазного двигателя и сопротивления т\, х'а_г при проявлении эффекта вытеснения тока для верхней и нижней- частей схемы различены ввиду различия частот прямой и обратной составляющих токов ротора. Вращающий момент _ однофазного двигателя

где вторичные токи 1'_л и I'_S3 соответствуют схеме замещения рис. 30-3.

При постоянстве параметров двигателя для его токов существует круговая диаграмма, которая здесь не рассматривается.

§ 30-2. Разновидности однофазных асинхронных двигателей

Как было установлено выше, однофазный двигатель с одной обмоткой на статоре не развивает пускового момента и не способен прийти во вращение В связи с этим необходимы дополнительные меры для создания в двигателе пускового момента. Эти меры направлены на усиление при пуске прямого поля и ослабление обратного, чтобы прл s = 1 было

Наилучшие условия пуска достигаются в случае, когда обратное поле при пуске полностью уничтожается и поэтому М₂ = 0. Разные виды однофазных асинхронных двигателей различаются друг от друга способами создания отличного от нуля пускового момента.

Двигатели с пусковой обмоткой (рис. 30-4) являются наиболее распространенными однофазными двигателями. В них, кроме рабочей обмотки Р с фазной зоной

Рис. 30-4_Схема (а) и векторные диаграммы (б) однофазного асинхронного двигателя с пусковой обмоткой

120°, на статоре имеется также пусковая обмотка П с фазной зоной 60°, сдвинутая относительно рабочей обмотки на 90° эл. Последовательно с пусковой обмоткой включается фазосмещающий элемент (сопротивление) 2_П для создания сдвига фаз -ф между токами обмоток /_р и /_п. Н. с. двух обмоток

в общем случае, когда F_v Ф F_n и 'ф Ф 90° (рис. 30-5, о), составляют несимметричную двухфазную систему векторов, которую можно разложить на системы прямой (Fj) и обратной (F₂) последовательности. Учитывая, что вместо оператора трех Лячной глетемы

но одно из них будет сильнее, в результате чего развивается пусковой момент М и при М_п > М_ст двигатель пойдет в ход. При Z_n = /ю L направление вращения будет обратным по сравнению с двумя другими случаями.

Пусковые условия будут лучшими при включении емкости в пусковую фазу. Однако необходимая величина емкости С довольно велика, вследствие чего размеры и стоимость конденсатора также велики. Поэтому конденсаторный пуск применяется сравнительно редко, лишь при необходимости большого пускового момента. Пуск с помощью индуктивного сопротивления дает наихудшие результаты и в настоящее время почти не используется. Чаще всего применяется пуск с помощью активного сопротивления. При этом обычно сама пусковая обмотка выполняется с повышенным активным сопротивлением (уменьшенное сечение обмоточного провода, а также намотка части витков катушек в бифиляр). Иногда

Рис. 30-6. Схемы включения и вид механических характеристик однофазных асинхронных двигателей с пусковой обмоткой (а, 6) н конденсаторных (в, г)

применяются также схемы пуска, когда в одну фазу включается активное,¹ а в другую — индуктивное- или емкостное сопротивление.

После того как двигатель при пуске достигнет определенной скорости вращения, пусковая обмотка отключится с помощью центробежного выключателя, реле времени, токового реле или вручную. При этом двигатель будет работать только с рабочей обмоткой, и относительно режима егр работы действительно все сказанное в | 30-1.

Типичный вид механических характеристик однофазных двигателей показан на рис. 30-6, а и б. Штриховая лин^ня в области 0 < s < 0,25 соответствует включению обеих обмоток, а штриховая линия в области 0,25 < s < 1 — включению только рабочей обмотки.

Для работы от однофазной сети могут быть использованы также трехфазные двигател-и. К числу лучших- схем включения таких двигателей относятся схемы рис. 30-7. Две нижние схемы рис. ЗО¹? применяются в случае, когда выведены все шесть концов обмотки. Двигатели с соединением обмоток согласно схемам рис. 30-7 практически равноценны двигателям, которые спроектированы для работы как однофазные. Номинальная мощность при этом составляет 40—50% от мощности в симметричном трехфазном режиме. После окончания пуска фаза с пусковым сопротивлением' отключается.

Асинхронный конденсаторный двигатель (рис. 30-8) имеет на статоре две обмотки, которые обе являются рабочими, и в одну из этих обмоток включается емкость С_р, величина которой рассчитывается так, что при номинальной нагрузке существует только вращающееся поле прямой последовательности Обе обмотки

при этом имеют фазные зоны по 90° эл. и сдвинуты относительно друг друга в пространстве также на 90° эл. Мощность обеих обмоток при Р — Р_я также одинакова, но их числа витков, токи и напряжения различны. Конденсаторный двигатель в сущности представляет собой двухфазный двигатель, который подключен посредством конденсатора С_р к однофазной сети и при Р = Р_п имеет симметричную нагрузку фаз. При других нагрузках симметрия н. с. фаз нарушается и появляется также обратное поле, так как при различных нагрузках величины емкости; необходимые для достижения симметричной нагрузки, также различны.

Величина емкости С_р, подобранная по рабочему режиму, недостаточна для получения высокого пускового момента (рис. 30-6, в). Поэтому в необходимых случаях параллельно С_р на время пуска включается добавочная, пусковая емкость С_п (рис. 30-6, г).

Использование материалов в конденсаторном двигателе и его к. п. д. значительно выше, чем в однофазных двигателях с пусковой обмоткой, и почти такие же, как у трехфазных двигателей. Коэффициент мощности конденсаторного двигателя ввиду наличия конденсатора выше, чем у трехфазных двигателей равной мощности.

Рис. 30-7. Некоторые схемы включения трехфазных асинхронных двигателей для работы от однофазной сети

Рис. 30-8. Схема асинхронного конденсаторного двигателя (а) и его векторная диаграмма при круговом поле (б)

В СССР изготовляются однофазные двигатели единой серии с пусковым сопротивлением (АОЛБ), с пусковой емкостью (ДОЛГ) и конденсаторные с рабочей и пусковой емкостью (АОЛД) мощностью от 18 до 600 вт. Двигатели с пусковым активным сопротивлением применяются в стиральных и холодильных маши-

нах, доильных аппаратах, машинах для стрижки овец, центрифугах, для привода мелких станков и т. д. Двигатели с конденсаторным пуском используются при повышенных требованиях к пусковому моменту (установки для кондиционирования воздуха, компрессоры и др.).

Величина рабочей емкости конденсаторного двигателя определяется из следующих условий (рис. 30-8).

Коэффициентом трансформации k называется отношение числа витков конденсаторной (Ь) и неконденсаторной (а) обмоток:

Мощность конденсатора

Отсюда следует, что мощность конденсатора 'должна быть равна полной мощности

двигателя при круговом поле. Таким образом, мощность конденсатора достаточно

велика.

Двигатель с экранированными полюсами (рис. 30-9, а) имеет на статоре явно-

выраженные полюсы с однофазной обмоткой О и ротор с обмоткой в виде беличьей

клетки. Часть наконечника каждого полюса охвачена (экранирована) короткозамкнутым витком К- Ток статора /_а создает в неэкра-нированной и экранированной частях полюса пульсирующие потоки Ф; и Ф* (рис 30-9, б). Поток Ф" индуктирует в короткозамкнутом витке э. д. с. Ё_к, которая отстает от <bl на 90°. Короткозамкнутый виток имеет определенное активное и индуктивное сопротивления, и его ток /_к отстает от э. д. с. Ё_к на угол ф_к < 90°. Ток /_к создает поток Ф_к, и результирующий поток экранированной части полюса

Рис. 30-9. Устройство (а) и векторная диаграмма потоков статора (б) однофазного асинхронного двигателя с экранированными полюсами

сдвинут по фазе относительно потока неэкранированной части полюса Ф^на некоторый угол ф. Так как потоки Ф[ и Ф₉ сдвинуты также в пространстве, то возникает вращающееся поле. Это поле не круговое, а эллиптическое, т. е. содержит также составляющую обратной последовательности, так как потоки Ф{ и Ф_э не равны по величине, и сдвинуты в пространстве и во времени на недостаточно большие углы. Тем не менее, при пуске создается вращающий момент М„ = 10 2

Магнитное поле простейшего экранированного двигателя содержит значительную третью пространственную гармонику, которая вызывает большой провал кривой момента (см § 25-3). Для улучшения формы поля применяют следующие меры: между наконечниками соседних полюсов j станавливают магнитные гаунты Ш (рис. 30-9, а) из листовой стали, увеличивают зазор под неэкранированной частью полюса, на каждом полюсе помещают два-три короткозамкнутых витка разной ширины.

Вследствие больших потерь в короткозамкнутом витке двигатель имеет низкий к п. д. (до 25—40%) Экранированные двигатели простейшей конструкции строятся на мощности от долей ватта до 20—30 ею, а при усовершенствованной конструкции — до 300 вт Область применения этих двигателей — настольные и прочие вентиляторы, проигрыватели, магнитофоны и пр.

Дата добавления: 2015-07-18