Електричні машини_К3С2(6) / Іспит / Літ / voldek_ai_elektricheskie_mashiny / Глава 30

Глава тридцатая

ОДНОФАЗНЫЕ АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

§ 30-1. 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 кВт).

Однофазный асинхронный двигатель имеет на статоре однофазную обмотку, а на роторе — обмотку в виде беличьей клетки, как и у трехфазного короткозамкнутого двигателя. Можно представить себе, что однофазный асинхронный двигатель получается из трехфазного путем отключения одной фазы статора (рис. 30-1, а). Оставшиеся две фазы

Рис. 304. Схема (а) и диаграмма токов статора (б)

однофазного асинхронного двигателя, рассматривае-

мого как трехфазный с отключением одной 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 I₁ статора однофазного двигателя создает пульсирующее магнитное поле, которое можно разложить на два поля, имеющих равные амплитуды и вращающиеся в противоположные стороны с одинаковой скоростью

n₁ =f₁/p.

При неподвижном роторе (п = 0, s = 1) эти поля создают одинаковые по величине, но разные по знаку моменты М₁ и М₂ (рис. 30-2). Поэтому

Рис, 30-2. Кривые моментов однофазного дви-

гателя

при пуске результирующий момент

М=М₁ — М₂

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 М₁ или М₂ будет преобладать. Если при этом М > М_ст, то двигатель достигнет определенной установившейся скорости вращения. Оба направления вращения двигателя равноценны, и тормозной режим работы отсутствует.

По своим рабочим свойствам однофазный двигатель близок к трехфазному, работающему при сильном искажении симметрии питающих напряжений (см. § 29-8), 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 50―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

и в однофазном

.

При переходе трехфазного двигателя в однофазный режим скорость вращения практически не изменится, и поэтому мощность на валу Р₁ ≈ Р₃. Если бы к. п. д. и cos φ не изменились, то ток в однофазном режиме I₁ был бы в раза больше тока в трехфазном режиме I₃. В действительности и cos φ 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 I_н, 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

(30-1)

Симметричные составляющие тока фазы а статора при этом будут:

где

Таким образом,

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

Первичное напряжение двигателя

где Z_c1 и Z_c2 — сопротивления фаз трехфазного двигателя для токов прямой и обратной последовательности, измеренные со стороны зажимов первичной обмотки и учитывающие также сопротивления вторичной обмотки.

Подставив в последнее равенство

и значения и из (30-2), получим

где

и поэтому

(30-4)

Сопротивления Z_cl и Z_c2 представляют собой сопротивления схем замещения рис. 29-14. Согласно равенству (30-4), эти сопротивления соединяются последовательно, и поэтому схема замещения однофазного двигателя имеет вид, изображенный на рис. 30-3. Верхняя часть схемы

соответствует токам прямой, а нижняя — токам обратной

Рис. 30-3. Схема замещения одно-

фазного асинхронного двигателя

последовательности. Так как на основании выражений (30-3)

(30-5)

то все токи и напряжения схемы рис. 30-3 в раза больше их симметричных составляющих. Необходимо подчеркнуть, что сопротивления схемы рис. 30-3 являются сопротивлениями фазы трехфазного двигателя и сопротивления r'₂, х'_σ2 при проявлении эффекта вытеснения тока для верхней и нижней частей схемы различны ввиду различия частот прямой и обратной составляющих токов ротора.

Вращающий момент однофазного двигателя

или

(30-6)

где вторичные токи и 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 при s = 1 было

М = М₁ + М₂ > 0.

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

Рис. 30-4 Схема (а) и векторные диаграммы (б) однофазного асинхрон-

ного двигателя с пусковой обмоткой

распространенными однофазными двигателями. В них, кроме рабочей обмотки Р с фазной зоной 120º, 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) Z_п для создания сдвига фаз между токами обмоток I_р и I_п.

Н. с. двух обмоток

в общем случае, когда F_p ≠ F_п и ≠ 90° (рис. 30-5, а), составляют несимметричную двухфазную систему векторов, которую можно разложить на системы прямой и обратной последовательности. Учитывая, что вместо оператора трех фазной системы

для двухфазной системы действителен оператор

для симметричных составляющих векторов н. с. пусковой обмотки имеем

и для симметричных составляющих н. с. рабочей обмотки

Симметричные составляющие системы векторов рис. 30-5, а в

Рис. 30-5. Векторные диаграммы н. с. обмоток статора однофазного асинхрон-

ного двигателя (а) и н. с, прямой (б) и обратной (в) последовательности

соответствии с выражениями (30-8) и (30-9) представлены на рис. 30-5, б

и в.

Если и равны и сдвинуты по фазе на 90º, т. е. если

(30-10)

Или

(30-11)

то, согласно выражениям (30-8) и (30-9), будет существовать только одна из симметричных составляющих н. с. Так как обмотка сдвинута в пространстве также на 90° эл., то в этом случае возникает только одно вращающееся поле, как и в трехфазном двигателе ,при симметричной нагрузке фаз.

В качестве фазосмещающего элемента могут быть использованы активное (Z_п = R), и индуктивное (Z_п = jωL) и емкостное сопротивления (рис. 30-4). 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 = jωL ток I_п будет отставать от I_р. Сдвиг = 90° может быть достигнут только при емкостном сопротивлении. В двух других случаях всегда создаются два поля, вращающиеся в обратные стороны, но одно кз них будет сильнее, в результате чего развивается пусковой момент М и при М_п >М_ст двигатель пойдет в ход. При Z_п = jωL 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 применяются также схемы пуска, когда в одну фазу включается активное, 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 его работы действительно все сказанное в § 30-1

Типичный вид механических характеристик однофазных двигателей показан на рис. 30-6, а и б. Штриховая линия в области 0 < s < 0,25

Рис. 30-6. Схемы включения и вид механических характеристик одно-

фазных асинхронных двигателей с пусковой обмоткой (а, б) и конденса-торных (в, г)

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 двигатели. К числу лучших схем включения таких двигателей относятся схемы рис. 30-7. Две нижние схемы рис. 30-7 применяются в

Рис. 30-7. Некоторые схемы вклю-

чения трехфазных асинхронных дви-

гателей для работы от однофазной сети

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

Рис. 30-8. Схема асинхронного конденсаторного

двигателя (а) и его векторная диаграмма при кру-

говом поле (б)

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_н 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_н 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.

В СССР изготовляются однофазные двигатели единой серии с пусковым сопротивлением (АОЛБ), с пусковой емкостью (АОЛГ) и конденсаторные с рабочей и пусковой емкостью (АОЛД) мощностью от 18 до 600 вт. Двигатели с пусковым активным сопротивлением применяются в стиральных и холодильных машинах, 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 (b) и неконденсаторной (а) обмоток:

(30-12)

При чисто круговом поле напряжения фаз сдвинуты по фазе на 90º и

(30-13)

или

(30-14)

а н. с. обмоток

(30-15)

и токи I_a, I_b также сдвинуты по фазе на 90°.

Перемножив левые и правые части равенств (30-13) и (30-15), получим

(30-16)

т. е. полные мощности обмоток при круговом поле равны и

(30-17)

Так как напряжения фаз, так же как и токи, сдвинуты по фазе на 90°, то углы сдвига фаз между напряжением и током каждой обмотки при круговом поле равны:

,

в результате чего равны также активные мощности фаз обмотки.

Кроме того (рис. 30-8, а),

и сдвиг фаз между I_b и напряжением конденсатора составляет 90º. Согласно этим условиям построена векторная диаграмма (рис. 30-8, б). Нетрудно установить, что изображенные на ней треугольники токов и напряжений подобны и имеют углы, равные

На основании рис. 30-8, б напряжение на конденсаторе

Необходимая для получения кругового поля емкость определяется соотношением

откуда

(3-18)

Мощность конденсатора

(30-19)

С другой стороны, полная мощность двигателя, потребляемая из сети,

(30-20)

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 явновыраженные полюсы с однофазной обмоткой O и ротор с обмоткой в виде беличьей клетки.

Рис. 30-9. Устройство (а) и векторная

диаграмма потоков статора (б) однофаз-

ного асинхронного двигателя с экраниро-

ванными полюсами

Часть наконечника каждого полюса охвачена (экранирована) короткозамкнутым витком К. Ток статора I₁ создает в неэкранированной и экранированной частях полюса пульсирующие потоки и (рис 30-9, б). Поток индуктирует в короткозамкнутом витке э. д. с. , которая отстает от на 90°. Короткозамкнутый виток имеет определенное активное и индуктивное сопротивления, и его ток I_к отстает от э. д. с. на угол < 90°. Ток к создает поток , и результирующий поток экранированной части полюса

сдвинут по фазе относительно потока неэкранированной части полюса на некоторый угол . Так как потоки и сдвинуты также в пространстве, то возникает вращающееся поле. Это поле не круговое, а эллиптическое, т. е. содержит также составляющую обратной последовательности, так как потоки и не равны по величину и сдвинуты в пространстве и во времени на недостаточно большие углы. Тем не менее, при пуске создается вращающий момент М_п = (0,2 ÷ 0,5) М_н.

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 устанавливают магнитные шунты 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 Вm, а при усовершенствованной конструкции — до 300 Вт Область применения этих двигателей — настольные и прочие вентиляторы, проигрыватели, магнитофоны и пр.