10. Однофазные асинхронные двигатели

10.1 Принцип действия и механическая характеристика

В однофазных электрических сетях (жилые дома, торговые предприятия, железные дороги и т. д) возникает необходимость использования однофазных двигателей переменного тока. Мощности однофазных двигателей обычно довольно невелики (до 5...10 кВт).

Однофазный асинхронный двигатель имеет на статоре однофазную обмотку, а на роторе — обмотку в виде «беличьей клетки», как у трехфазного короткозамкнутого двигателя.

Однофазный асинхронный двигатель получается из трехфазного отключением одной фазы статора (рис. 10.1, а). В этом случае оставшиеся две фазы статора с фазной зоной π/3, соединенные последовательно, составляют однофазную обмотку с фазной зоной 2π/3 и занимают 2/3 полюсного деления.

Однофазную обмотку статора выполняют аналогично одной фазе трехфазной обмотки, с той лишь разницей, что катушки этой обмотки занимают 2/3 пазов сердечника статора. Такая конструкция более экономична – заполнение оставшихся 1/3 пазов статора увеличивает расход меди в 1,5 раза, то есть на 50% , а ЭДС обмотки возрастает при этом лишь на 15%.

Для гармоники порядка ν = 3 коэффициент распределения

k_p3 = 0 (α - электрический угол фазной зоны). Поэтому в однофазной обмотке, занимающей 2/3 пазов на статоре, отсутствует третья гармоника ЭДС.

SHAPE \* MERGEFORMAT

Рис. 10.1. Однофазный асинхронный двигатель, рассматриваемый как трехфазный с отключением одной фазы: а — схема; б — диаграмма токов статора

Однофазный ток I₁ статора однофазного двигателя создает пульсирующее магнитное поле, которое можно разложить на два поля, имеющих равные амплитуды и вращающихся в противоположные стороны с одинаковой частотой вращения

Поле прямой последовательности индуктирует во вторичной обмотке токи прямой последовательности I₂₁, а поле обратной последовательности – ток обратной последовательности I₂₂. Результирующие, с учетом роторных токов, поля прямой и обратной последовательности вращаются с частотами n₁ и n₂. Скольжение ротора относительно этих полей

- для поля прямой последовательности

- для обратной последовательности

где n — частота вращения ротора, положительная в случае, когда ротор вращается в сторону поля прямой последовательности.

Для системы токов и напряжений прямой и обратной последовательности действительны схемы замещения (рис. 10.2, а, б).

SHAPE \* MERGEFORMAT

Рис. 10.2. Схемы замещения асинхронной машины для токов и напряжений: а — прямой и б — обратной последовательности

В общем случае параметры вторичной цепи и для токов прямой и обратной последовательности различны, так как частоты этих токов f₂₁ = sf₁, f₂₂ = (2 – s)f₁ неодинаковы, и поэтому влияние вытеснения тока сказывается в различной степени. Это обстоятельство необходимо учитывать при практических расчетах.

Токи и поле прямой последовательности создают вращающий момент прямой последовательности

.

Токи и поле обратной последовательности создают вращающий момент обратной последовательности

.

Знак «минус» здесь введен по той причине, что при s₂ > 0 момент M₂ действует в сторону вращения обратного поля и поэтому является отрицательным.

На ротор машины действует общий вращающий момент

.

Необходимо отметить, что, кроме моментов M₁ и M₂, в результате взаимодействия токов обратной последовательности ротора с прямым полем и взаимодействия токов прямой последовательности ротора с обратным полем возникают добавочные составляющие вращающего момента. Однако эти добавочные моменты пульсируют с большой частотой, равной 2f₁, и среднее значение их равно нулю, поэтому они практически не влияют на движение ротора. Вместе с тем в результате взаимодействия прямых и обратных полей возникают вибрационные радиальные силы частоты 2f₁.

При неподвижном роторе (n = 0, s = 1) эти поля создают одинаковые по величине, но разные по знаку моменты M₁ и M₂ (рис. 10.3). Поэтому при пуске результирующий момент

M = M₁ – M₂

двигателя, не имеющего специальных пусковых приспособлений, равен нулю, и двигатель не может прийти во вращение. Однако если ротор приведен во вращение в ту или иную сторону, то один из моментов, M₁ или M₂, будет преобладать. Если при этом M > M_с, то двигатель достигнет определенной установившейся частоты вращения. Оба направления вращения двигателя равноценны, и тормозной режим работы отсутствует.

SHAPE \* MERGEFORMAT

Рис. 10.3. Кривые моментов однофазного двигателя

10.2 Рабочие характеристики

Рабочие характеристики однофазного двигателя имеют тот же характер, что и у трехфазного, но энергетические показатели будут хуже. Ухудшение показателей вызвано наличием обратного поля при работе машины. Обратное поле уменьшает вращающий момент, увеличивает потери двигателя и вызывает его дополнительный нагрев.

Трехфазный двигатель будет работать в режиме однофазного двигателя, если отключить одну из фаз. При этом во избежание недопустимого перегрева его мощность должна быть уменьшена.

Действительно, полезная мощность двигателя в трехфазном режиме

,

а в однофазном

.

При переходе трехфазного двигателя в однофазный режим частота вращения практически не изменится, и поэтому мощность на валу P₁ » P₃. Если бы КПД и не изменились, то ток в однофазном режиме I₁ был бы в раз больше тока в трехфазном режиме I₃. В действительности и уменьшаются, поэтому увеличение тока будет большим. Если двигатель работал при номинальной нагрузке, то при переходе в однофазный режим ток будет значительно больше номинального.

Степень использования материалов однофазного двигателя также хуже. Это связано с тем, что обмотка статора однофазного двигателя занимает не все пазы. При одинаковых габаритах номинальная мощность однофазного двигателя составляет не более 50...60 % от номинальной мощности трехфазного двигателя.

10.3. Разновидности однофазных асинхронных двигателей

Как было установлено ранее, однофазный двигатель с одной обмоткой на статоре не развивает пускового момента и не способен начать вращаться. В связи с этим необходимо принимать дополнительные меры для создания в двигателе пускового момента. Эти меры направлены на усиление при пуске прямого поля и ослабление обратного, чтобы при s = 1 получить

M = M₁ +M₂ > 0.

Наилучшие условия пуска достигаются в случае, когда обратное поле при пуске полностью уничтожается и поэтому M₂ = 0. Разные виды однофазных асинхронных двигателей различаются способами создания отличного от нуля пускового момента.

10.3.1 Двигатели с пусковой обмоткой

Двигатели с пусковой обмоткой (рис. 10.4) являются наиболее распространенными однофазными двигателями. В них кроме рабочей обмотки Р с фазной зоной 2π/3 на статоре имеется также пусковая обмотка П с фазной зоной π/3, сдвинутая относительно рабочей обмотки на электрический угол π/2. Последовательно с пусковой обмоткой включается фазосмещающий элемент (сопротивление) Z_п для создания сдвига фаз между токами обмоток I_р и I_п.

SHAPE \* MERGEFORMAT

Рис. 10.4. Однофазный асинхронный двигатель с пусковой обмоткой: а — схема; б — векторные диаграммы

Для получения вращающегося магнитного поля посредствам двух обмоток на статоре, оси которых смещены относительно друг друга на электрический угол π/2, необходимо, чтобы

- МДС рабочей и пусковой обмоток F_п и F_р были равны и сдвинуты в пространстве относительно друг друга на электрический угол π/2;

- токи в обмотках статора I_п и I_р должны быть сдвинуты по фазе относительно друг друга на электрический угол π/2.

В этом случае возникает только одно круговое вращающееся поле, как и в трехфазном двигателе при симметричной нагрузке фаз.

При нарушении условий поле статора становится эллиптическим, содержащим обратную составляющую. Обратная составляющая поля создает тормозной момент и ухудшает пусковые свойства двигателя.

В качестве фазосмещающего элемента могут быть использованы активное (Z_п = R), индуктивное (Z_п = jwL) и емкостное ( ) сопротивления (см. рис. 9.4). Учитывая, что сопротивления самих обмоток имеют активные и индуктивные составляющие, можно заключить, что при Z_п = R и ток I_п будет опережать I_р, а при Z_п = jwL ток I_п будет отставать от I_п. Сдвиг y = 90° может быть достигнут только при емкостном сопротивлении. В двух других случаях всегда создаются два поля, вращающихся в противоположные стороны, но одно из них будет сильнее, в результате чего развивается пусковой момент M и при M_п > M_ст двигатель пойдет в ход. При Z_п = jwL направление вращения будет обратным по сравнению с двумя другими случаями.

После того как двигатель при пуске достигнет определенной частоты вращения, пусковая обмотка отключается с помощью центробежного выключателя, реле времени, токового реле или вручную. При этом двигатель будет работать только с рабочей обмоткой.

Типичный вид механических характеристик однофазных двигателей показан на рис. 10.5, а,б. Пунктирная линия в области 0 < s < 0,25 соответствует включению обеих обмоток, а в области 0,25 < s < 1 — включению только рабочей обмотки.

SHAPE \* MERGEFORMAT

Рис. 10.5. Схемы включения и вид механических характеристик однофазных асинхронных двигателей: а, б — с пусковой обмоткой; в, г — конденсаторных

Для работы от однофазной сети могут быть использованы также трехфазные двигатели. К числу лучших схем включения таких двигателей относятся схемы, приведенные на рис. 10.6.

SHAPE \* MERGEFORMAT

Рис. 10.6.  Схемы включения трехфазных двигателей для работы от однофазной сети

Две нижние схемы применяются в случае, когда доступны все шесть выводов обмотки статора (выведены не только начала, но и концы трех фаз). Двигатели с соединением обмоток согласно схемам на рис. 10.6 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.

10.3.2 Асинхронный конденсаторный двигатель

Для повышения использования и улучшения характеристик однофазных двигателей можно пусковую обмотку с включенным в ее цепь конденсатором оставить подсоединенной к сети на весь период работы.

Асинхронный конденсаторный двигатель (рис. 10.7) имеет на статоре две обмотки, обе являются рабочими, и в одну из этих обмоток включается емкость C_р, величина которой рассчитывается так, что при нормальной нагрузке существует только вращающееся поле прямой последовательности. При этом обе обмотки имеют фазные зоны по π/2 и сдвинуты относительно друг друга в пространстве также на π/2. Мощность обеих обмоток при P = P_н также одинакова, но их числа витков, токи и напряжения различны. Конденсаторный двигатель, в сущности, представляет собой двухфазный двигатель, который подключен посредством конденсатора C_р к однофазной сети и при P = P_н имеет симметричную нагрузку фаз. При других нагрузках симметрия МДС фаз нарушается и появляется обратное поле.

SHAPE \* MERGEFORMAT

Рис. 10.7. Асинхронный конденсаторный двигатель: а — схема; б — векторная диаграмма при круговом поле

Величина емкости C_р, подобранная по рабочему режиму, недостаточна для получения высокого пускового момента (см. рис. 10.5, в). Поэтому в необходимых случаях на время пуска параллельно C_р включается добавочная пусковая емкость C_п (см. рис. 10.5, г).

Степень использования материалов в конденсаторном двигателе и его КПД значительно выше, чем у однофазных двигателей с пусковой обмоткой, и почти такие же, как у трехфазных двигателей. Коэффициент мощности конденсаторного двигателя из-за наличия конденсатора выше, чем у трехфазных двигателей равной мощности.

10.3.3 Двигатель с экранированными полюсами

Двигатель с экранированными полюсами (рис. 10.8, а) имеет на статоре явно выраженные полюсы с однофазной сосредоточенной обмоткой О и ротор с обмоткой в виде «беличьей клетки».

SHAPE \* MERGEFORMAT

Рис. 10.8. Однофазный асинхронный двигатель с экранированными полюсами: а — схема; б — векторная диаграмма потоков статора

Часть обмотки каждого полюса охвачена (экранирована) короткозамкнутым витком К. Ток статора I₁ создает на протяжении неэкранированной и экранированной частей полюса пульсирующие потоки и соответственно (рис. 10.8, б). Поток индуктирует в короткозамкнутом витке ЭДС E_к, которая отстает от на π/2. Короткозамкнутый виток имеет определенное активное сопротивление, и его ток I_к отстает от ЭДС E_к на угол . Ток I_к создает поток Ф_к, и результирующий поток экранированной части полюса

сдвинут по фазе относительно потока неэкранированной части полюса на векторный угол . Так как потоки и Ф_э сдвинуты на некоторый угол и в пространстве, то возникает вращающееся поле. Это поле не круговое, а эллиптическое, то есть содержит составляющую обратной последовательности, так как потоки и Ф_э не равны по величине и сдвинуты в пространстве и во времени на небольшие углы. Тем не менее, при пуске создается вращающий момент M_п = (0,2...0,5)M_н.

Магнитное поле простейшего экранированного двигателя содержит значительную третью пространственную гармонику, которая вызывает большой провал кривой момента. Для улучшения формы поля применяют следующие меры: между наконечниками соседних полюсов устанавливают магнитные шунты Ш из листовой стали (см. рис. 10.8, а), 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 КПД (25...40 %).Экранированные двигатели простейшей конструкции строятся на мощности от долей ватта до 20...30 Вт, а двигатели усовершенствованной конструкции — до 120 Вт. Область применения этих двигателей — различные вентиляторы, проигрыватели, магнитофоны и пр.

09.03.2025 185:55 PM