Лекція 26. Однофазні та спеціальні асинхронні двигуни

Лекція 26. ОДНОФАЗНІ ТА СПЕЦІАЛЬНІ АСИНХРОННІ ДВИГУНИ

У тих випадках, коли споживання електричної енергії є невеликим (житлові будинки, торгівельні підприємства тощо) або коли виконання трифазних мереж ускладнене, застосовують однофазні електричні мережі. При цьому виникає необхідність використання однофазних двигунів змінного струму. Потужність однофазних двигунів зазвичай є відносно невеликою (до 5-10 кВт).

Однофазний асинхронний двигун має на статорі однофазну обмотку, а на роторі – обмотку у вигляді білячої клітки, як і трифазний асинхронний двигун з короткозамкненим ротором. Можна уявити, що однофазний асинхронний двигун отримується із трифазного шляхом відключення однієї фази статора (рис. 3.53). Решта дві фази статора із фазною зоною 60⁰ при цьому утворюють разом однофазну обмотку із фазною зоною 120⁰. Така однофазна обмотка має перевагу у тому, що не створює у повітряному зазорі третьої гармоніки магнітного поля і має великий обмотковий коефіцієнт.

Рис. 3.53 – Схема (а) та векторна діаграма струмів статора (б) однофазного асинхронного двигуна, який розглядається як трифазний з відключенням однієї фази

Однофазний струм статора однофазного асинхронного двигуна І₁ створює пульсуюче магнітне поле, яке можна розкласти на два поля, які мають однакові амплітуди та обертаються у протилежних напрямах з однаковими швидкостями

За нерухомого ротора (n =0, s =1) дані поля створюють однакові за значенням, але різні за знаком моменти М ₁ та М ₂ (рис. 3.54). Тому під час пуску результуючий момент M=M ₁ +M ₂ двигуна, який не має спеціальних пускових пристроїв, дорівнює нулю і двигун не може почати обертатись. Проте, якщо ротор привести в рух у тому чи іншому напрямі, то один з моментів М ₁ або М ₂ буде переважати. Якщо при цьому М > М_ст, то двигун після пуску досягне певної усталеної частоти обертання. Обидва напрями обертання двигуна є рівноцінними, і гальмівний режим відсутній.

Рис. 3.54 – Криві моментів однофазного двигуна

За своїми робочими властивостями однофазний двигун близький до трифазного, що працює при сильному спотворенні симетрії напруги живлення. Тому енергетичні показники однофазного двигуна гірші, ніж у трифазного. Гіршим у однофазного двигуна є також використання активних матеріалів. За однакових габаритів номінальна потужність однофазного двигуна становить не більше 50-60% від номінальної потужності трифазного двигуна. Це пов’язано із тим, що обмотка статора однофазного двигуна займає не всі пази і має зворотне поле, яке зменшує обертальний момент, збільшує втрати у двигуні та призводить до його додаткового нагрівання.

Трифазний асинхронний двигун буде працювати у режимі однофазного живлення, якщо станеться обрив фази кола статора. При цьому для двигуна настає небезпечний режим.

Дійсно, корисна потужність двигуна за трифазного живлення дорівнює: ,

та за однофазного: .

За раптового переходу трифазного двигуна в режим однофазного живлення частота обертання практично не змінюється, і тому потужність на валу Р ₁≈ Р ₃. Якби ККД та cosφ не змінились, то струм у однофазному режимі І ₁ був би у раз більшим струму в трифазному режимі І ₃. Насправді η та cosφ зменшуються і збільшення струму буде ще більшим. Якщо двигун працював із великим навантаженням, то після переходу у однофазний режим струм статора буде значно більшим номінального, і якщо двигун не відключити від мережі, то внаслідок перегріву він вийде з ладу.

Різновиди однофазних асинхронних двигунів. Як було встановлено вище, однофазний двигун із однією обмоткою на статорі не розвиває пускового моменту і не може самостійно запуститись. У зв’язку із цим вимагаються додаткові заходи для створення у двигуні пускового моменту. Дані заходи спрямовані на посилення під час пуску прямого поля та послаблення зворотного, щоб при s =1 було

Найкращі умови пуску досягаються у випадку, коли зворотне поле під час пуску повністю знищується: і тому М ₂=0. Різні види однофазних асинхронних двигунів відрізняються один від одного способами створення відмінного від нуля пускового моменту.

Двигуни із пусковою обмоткою (рис. 3.55) є найбільш

а) б)

Рис. 3.55 – Схема (а) та векторні діаграми (б) однофазного асинхронного двигуна із пусковою обмоткою

розповсюдженими однофазними двигунами. У них, окрім робочої обмотки Р із фазною зоною 120⁰, на статорі є також пускова обмотка П із фазною зоною 60⁰, зсунута відносно робочої обмотки на 90⁰ ел. Послідовно із пусковою обмоткою включається фазозсувний елемент (опір) Z_п для створення зсуву фаз ψ між струмами обмоток І_р та І_п.

МРС пускової та робочої обмоток

(3.131)

у загальному випадку, коли F_р≠ F_п та ψ ≠90⁰ (рис. 3.56, а), створюють

а) б) в)

Рис. 3.56 – Векторні діаграми МРС обмоток статора однофазного асинхронного двигуна (а) та МРС прямої (б) та зворотної (в) послідовності

несиметричну двофазну систему векторів, яку можна розкласти на систему прямої (F ₁) та зворотної (F ₂) послідовності. Враховуючи, що замість оператора трифазної системи для двофазної системи дійсним є оператор , для симетричних складових векторів МРС пускової обмотки маємо:

(3.132)

та для симетричних складових МРС робочої обмотки:

(3.133)

Симетричні складові системи векторів рис., 3.56, а у відповідності із виразами представлені на рис. 3.56, б і в.

Якщо МРС F_п та F_р однакові та зсунуті за фазою на 90⁰, тобто, якщо (3.134)

або , (3.135)

то існуватиме лише одна система симетричних складових МРС. Оскільки обмотка зсунута у просторі також на 90⁰ ел., то у такому випадку існуватиме лише одне обертове поле, як і у трифазному двигуні за симетричного живлення.

У якості фазозсувного елемента можуть бути використані: активний (Z_n=R), індуктивний (Z_n=jωL) або ємнісний () опір (рис. 3.57). Враховуючи, що опори самих обмоток мають активні та індуктивні складові, можна зробити висновок, що при Z_n=R та струм пускової обмотки І_п буде випереджати струм робочої обмотки І_р, а при Z_n=jωL струм І_п буде відставати від І_р. Зсуву за фазою ψ =90⁰ можна досягти лише за ємнісного опору фазозсувного елементу. У решті двох випадках завжди створюються два магнітних поля, які обертаються у різних напрямах, але одне з них буде сильнішим, в результаті чого розвивається пусковий момент М і при М > М_ст двигун почне обертатись. При Z_n=jωL напрям обертання двигуна буде протилежним порівняно із двома іншими випадками.

а) б) в) г)

Рис. 3.57 – Схеми включення та вигляд механічних характеристик однофазних асинхронних двигунів із пусковою обмоткою (а, б) та конденсаторних (в, г)

Після того як двигун під час пуску досягнув певної швидкості обертання, пускова обмотка відключається за допомогою реле часу або вручну. При цьому двигун працюватиме лише з робочою обмоткою.

Типовий вигляд механічних характеристик однофазних двигунів наведений на рис. 3.57 а, б. Синя лінія у області 0< s <0,25 відповідає включенню обох обмоток, а тонша лінія в області 0,25< s <1 – включенню лише робочої обмотки.

Для роботи від однофазної мережі можна використовувати також і трифазні асинхронні двигуни. Серед можливих схем включення таких двигунів найкращими є схеми, наведені на рис. 3.58.

а)	б)
в)	г)

Рис. 3.58 – Схеми включення трифазних асинхронних двигунів для роботи від однофазної мережі

Дві нижні схеми застосовуються у випадку, коли виведені усі 6 кінців обмотки статора. Двигуни зі з’єднанням обмоток за схемами рис. 3.58 практично рівноцінні двигунам, які спроектовані для роботи як однофазні. Номінальна потужність двигуна при цьому становить 40-50 % від потужності за симетричного трифазного режиму. Після закінчення пуску фаза із пусковим опором відключається.

Асинхронний конденсаторний двигун (рис. 3.59) має на статорі дві обмотки, які обидві є робочими, а у коло однієї з них підключається ємність С_р. Величина даної ємності розраховується таким чином, щоб за номінального навантаження існувало лише обертове магнітне поле прямої послідовності.

а) б)

Рис. 3.59 – Схема асинхронного конденсаторного двигуна (а) та його векторна діаграма за кругового магнітного поля (б)

Обидві обмотки при цьому мають фазні зони по 90⁰ ел. та зсунуті у просторі одна відносно одної також на 90⁰ ел. Потужності обох обмоток за номінального навантаження Р=Р_н також однакові, але їх кількості витків, струми і напруги є різними.

Конденсаторний двигун, по суті, являє собою двофазний двигун, який підключений за допомогою конденсатора С_Р до однофазної мережі і за Р=Р_н має симетричне навантаження фаз. За інших навантажень симетрія МРС порушується і з’являється зворотне поле, оскільки при цьому значення ємності, необхідне для досягнення симетричного навантаження, є іншим.

Ємність С_р підібрана для робочого режиму, недостатня для досягнення великого пускового моменту. Тому у випадку необхідності паралельно робочій ємності С_р на час пуску включається додаткова пускова ємність С_п.

Використання активних матеріалів у конденсаторному двигуні та його ККД значно вищий, ніж у однофазних двигунів з пусковою обмоткою, і є майже таким самим як у трифазного двигуна. Коефіцієнт потужності конденсаторного двигуна внаслідок наявності конденсатора вищий, ніж у трифазного двигуна такої ж потужності.

Двигун з екранованими полюсами (рис. 3.60) має на статорі явно виражені полюси із однофазною обмоткою О та ротор із обмоткою у вигляді білячої клітки. Частина наконечників кожного полюса охоплюється (екранується) короткозамкненим витком К.

а) б)

Рис. 3.60 – Будова (а) та векторна діаграма потоків статора (б) однофазного асинхронного двигуна із екранованими полюсами

Струм статора І ₁ створює у неекранованій частинах полюса пульсу-ючі магнітні потоки Ф₁ ' та Ф₁ ''. Потік Ф₁ '' індукує у короткозамкненому витку ЕРС Е_к, яка відстає від Ф₁ '' на 90⁰. Короткозамкнений виток має певний актив-ний та індуктивний опір, і його струм І_к відстає від ЕРС Е_к на кут φ_к <90⁰. Струм І_к створює потік Ф_к, і результуючий магнітний потік екранованої частини полюса Ф_Е=Ф₁ ''+ Ф_к

зсунутий за фазою відносно потоку неекранованої частини полюса Ф ₁ на деякий кут ψ. Оскільки потоки Ф ₁ та Ф_Е також зсунуті у просторі, то виникає обертове магнітне поле. Дане поле є не круговим, а еліптичним, тобто містить складову зворотної послідовності, оскільки магнітні потоки Ф ₁ та Ф_Е не однакові за значенням і зсунуті у просторі та у часі на недостатньо великі кути. Тим не менше, під час пуску створюється обертальний момент М_п =(0,2-0,5) М_н.

Магнітне поле найпростішого екранованого двигуна містить значну за величиною третю гармоніку, яка призводить до великого провалу кривої моменту. Для покращення форми поля вживають таких заходів: між наконечниками сусідніх полюсів встановлюють магнітні шунти Ш з листової сталі; збільшують зазор під неекранованою частиною полюса і на кожному полюсі розташовують два-три коротко фазних витка різної ширини.

Внаслідок великих втрат у короткозамкненому витку двигун має низький ККД (до 25-40%). Екрановані двигуни найпростішої конструкції виготовляються на потужності від долей вата до 20-30 Вт, а із удосконаленою конструкцією – до 300 Вт. Галузь застосування цих двигунів – настільні ті інші вентилятори, програвачі тощо.

Дата добавления: 2015-08-29