1.4.4. Условия получения кругового вращающегося поля в конденсаторном двигателе.

Конденсаторным двигателем принято называть однофазный (с точки зрения питающей сети) двигатель с двумя или несколькими сдвинутыми и пространстве обмотками на статоре, сдвиг токов в которых достигается с помощью конденсатора. На практике конденсаторные двигатели чаще всего выполняются с двумя сдвинутыми в пространстве на 90 эл. град обмотками, одна из которых А подключается к сети непосредственно и называется главной, другая В — последовательно с конденсатором и называется конденсаторной.

Для получения кругового вращающегося поля в конденсаторном двигателе недостаточно лишь правильно выбрать емкость конденсатора. Для этого, как это будет показано далее, необходимо:

1) либо правильно выбрать соотношение чисел витков обмоток— коэффициент трансформации

k = W_B / W_A,

2) либо включить обмотки А и В под различные вполне определенные напряжения U_A и U_B — правильно выбрать их отношение — коэффициент сигнала: α = U_A / U_B,

3) Либо последовательно с конденсатором включить некоторое

вполне определенное добавочное активное сопротивление R_Я.

Емкость конденсатора в каждом из этих трех способов получения кругового вращающегося поля будет различной, причем значение ее зависит не только от способа получения кругового поля, но и от режима работы (частоты вращения ротора двигателя).

Рассмотрим двигатель с двумя взаимно перпендикулярными в электрическом отношении обмотками. Обмотка А подключена к однофазной сети через делитель напряжения. Напряжение U_A находится в фазе с напряжением сети U_B - Отношение их амплитуд равно коэффициенту сигнала α = U_A / U_B. Последовательно с обмоткой В включены конденсатор С и добавочное активное сопротивление R_Я.

На практике довольно часто, где нужен большой пусковой момент, применяют однофазный асинхронный микродвигатель с пусковым сопротивлением. Сдвиг тока в обмотках во времени достигается за счет увеличения активного сопротивления в цепи пусковой обмотки В, которое достигается либо за счет включения последовательно с пусковой обмоткой специального дополнительного сопротивления R_Д (рис.22,а), либо за счет изготовления пусковой обмотки из провода меньшего сечения.

Рис. 22. Схема включения (а) и механические характеристики (б) асинхронного двигателя с пусковым сопротивлением

Двигатель пускается как несимметричный двухфазный. При достижении ротором определенной частоты вращения (точка а на рис.22,б) пусковая обмотка В отключается и двигатель переходит в однофазный режим — от сети питается только обмотка А. Так как в рабочем режиме под напряжением находится только одна рабочая обмотка А, то с целью лучшего использования двигателя под нее отводится обычно ²/₃ пазов статора (N_ZA = (²/₃) N_ZS). Пусковая обмотка работает только при пуске, поэтому она обычно занимает ²/₃ пазов статора (N_ZB = N_ZS / 3 ). Иногда с целью лучшего использования стали пазы пусковой обмотки имеют меньшее сечение (рис.23).

Рабочая обмотка имеет большее число витков, а следовательно, и большее индуктивное сопротивление ХВА, которое, как известно, прямо пропорционально квадрату числа витков (х ~ W²). Активное сопротивление рабочей обмотки невелико. Пусковая обмотка, наоборот, имеет небольшое число витков, а следовательно, небольшое индуктивное сопротивление x_SB. Активное же сопротивление пусковой обмотки r_SB весьма значительно. Таким образом, x_SA > x_SB , r_SA < r_SB. Иногда с целью большего уменьшения индуктивного сопротивления пусковой обмотки и увеличения разности (x_A —x_B) часть ее витков наматывается бифилярно.

Увеличение активного сопротивления пусковой обмотки и индуктивного

сопротивления рабочей обмотки приводит, к увеличению временного угла сдвига токов в обмотках, что способствует уменьшению эллиптичности поля.

При изменении активного сопротивления пусковой обмотки В при х_Вк = const и U = сопst конец вектора пускового тока I_Bк описывает дугу окружности с диаметром, равным —j U / х_Вк.

Рис.23. Лист стали статора двигателя с пусковым сопротивлением

Пусковой ток I_к, потребляемый обеими фазами из однофазной сети, равен сумме токов: I = I_Ак + I_Вк При неизменных параметрах фазы А пусковой ток I_Ак = const, а это значит, что конец вектора суммарного пускового тока I_к при r_Вк = var, x_Вк = const, U = const, так же как и конец вектора I_Вк, описывает дугу окружности (рис.24). Таким образом, однофазному асинхронному двигателю с пусковым сопротивлением при пуске (при n = 0) соответствует круговая диаграмма токов.

Рис.24. Круговая диаграмма пусковых токов асинхронного двигателя с пусковым сопротивлением

Пользуясь круговой диаграммой, можно оптимально подобрать параметры пусковой и рабочей обмоток, наглядно представить влияние того или иного параметра на значения пусковых момента и тока.

Пусковой момент двухфазного несимметричного двигателя в общем случае прямо пропорционален произведению четырех величин: МДС фаз F_A, F_B и синусов углов — пространственного θ и временного :

M ~ F_A F_B sin θ sin .

Учитывая, что в рассматриваемом двигателе θ = 90°, а F_A ~ I_A W_A и F_B ~ I_B W_B, можно записать М ~ W_A W_B I_A I_B sin .

Если параметры фазы А постоянны, то при постоянном напряжении U МДС F_A фазы А также постоянна (I_A W_A = сопst). Это значит, что при W_B = сопst (и, следовательно, x_B = сопst)

M_к ~ I_Вк sin .

Асинхронные двигатели с пусковым сопротивлением имеют иногда неплохие пусковые моменты [М_к= (1,0... 1,5) М_н]. Достигается это не только за счет сдвига токов обмоток во времени (угол р здесь невелик и поле резко выраженное эллиптическое). Значительный пусковой момент достигается за счет форсирования— значительного увеличения — магнитного потока пусковой обмотки Ф_В при пуске. Последнее достигаетя за счет уменьшения числа витков W_B:

Ф_В ≈ U / (4,44 f W_B).

К увеличению магнитного потока Ф_В, однако, следует подходить осторожно, так как оно ведет к значительному увеличению тока пусковой обмотки, а следовательно, общего пускового тока I_к, потребляемого двигателем. Обычно I_к = (7... 9) I_н. Такая кратность пускового тока не всегда желательна и допустима. При пуске плотность тока пусковой обмотки в некоторых двигателях достигает 40 ...60 А / мм₂. Такие двигатели не могут работать при частых пусках. У двигателей, работающих при частых пусках, плотность тока, а следовательно, и форсирование магнитного потока приходится снижать. У некоторых двигателей с целью уменьшения их перегрева при частых пусках пусковая обмотка выполняется проводом увеличенного сечения. Последовательно с ней в этом случае включается значительное дополнительное сопротивление, которое выносится за пределы двигателя, и потери в нем, таким образом, не влияют на нагрев двигателя.

Энергетические показатели двигателя, как и всякого однофазного двигателя, невысоки: коэффициент полезного действия ή=0,4...0,7, коэффициент мощности соsφ=0,5...0,6. Перегрузочная способность М_m/M_н=1,4... 2.

Отключение пусковой обмотки двигателя чаще всего производится автоматически — либо с помощью центробежного выключателя, располагающегося на валу двигателя, либо с помощью специального реле, токовая обмотка которого включается в цепь главной обмотки. С увеличением частоты вращения ток I_A главной обмотки, как и у любого двигателя, уменьшается. При достижении определенной скорости его сила становится такой, что реле срабатывает и отключает пусковую обмотку.

Ручное (неавтоматическое) включение и отключение пусковой обмотки применяется лишь в лабораториях, так как оно может привести к выходу двигателя из строя. Дело в том, что в случае даже кратковременного уменьшения напряжения питающей сети до нуля — отключения сети (что на практике может иметь место) — ротор двигателя остановится. При последующем включении напряжения в случае отсутствия оператора двигатель, у которого будет подключена к сети только главная обмотка, не сможет запуститься и, находясь в режиме короткого замыкания, выйдет из строя.

Однофазные двигатели с пусковым сопротивлением благодаря своей простоте и невысокой стоимости, несмотря на их не очень хорошие пусковые и рабочие свойства, до последнего времени еще довольно широко применяются

на практике, например для холодильников, стиральных машин, там, где двигатели работают в кратковременных режимах и энергия, потребляемая ими в течение суток, невелика. Их низкие КПД, соs φ при таком режиме работы не могут оказать существенное влияние на общее количество потребляемой из сети энергии.