1.5. Однофазні асинхронні двигуни

1.5.1. Класифікація однофазних асинхронних двигунів

Асинхронні двигуни (АД) називаються однофазними, бо живляться від однофазної мережі. Але їх обмотка статора є двофазна симетрична, псевдо симетрична або несимет­рична з фазними обмотками, осі яких зміщені у просторі на кут 90. Як правило, одна із фаз обмотки статора вмикається в мережу безпосередньо, а друга – паралельно першій, але послідовно з фазозсувним опором z_ф (рис.1.16, а). Рідше обмотки фаз вмикаються послідовно, і паралельно одній із них вмикається фазозсувний елемент (рис.1.16, б).

а)	б)	в)
г) д)

Рис.1.16. Схеми вмикання однофазних АД: а) з пусковою обмоткою та з пусковою ємністю; б) з послідовно увімкненими обмотками; в) з підвищеним активним опором пускової обмотки; г) конденсаторний з робочою С_р та з пусковою С_п ємностями; д) з екранованими полюсами (з короткозамкненим витком)

Залежно від типу обмотки (симетрична чи несиметрична), способу вмикання обмоток і фазозсувних елементів (паралельно, послідовно), від характеру фазозсувних елементів, (активний опір, ємність), однофазні АД поділяються на такі типи:

– АД з пусковою обмоткою та з пусковою ємністю;

– АД з підвищеним активним опором пускової обмотки;

– АД конденсаторні з робочою ємністю та з пусковою ємністю або без неї;

– АД з екранованими полюсами (з короткозамкненими витками на полюсах).

Перші два типи двигунів – це двофазні машини з псевдо-симетричною обмоткою (рис.1.16, а, в), в яких після запуску пускова фаза Q з фазозсувним елементом вимикає­ться, а машина працює далі на одній “робочій” фазі D, яка увімкнена прямо в мережу.

Оскільки пускова фаза працює короткочасно, густина струму в ній приймається вищою від густини струму робочої обмотки, яка працює постійно, перетин витків пускової обмотки є менший від перетину витків робочої фази і тому остання займає 2/3 кількості пазів статора z_s, а пускова тільки z_s/3. У конденсаторних двигунах дві фази використовуються і під час запуску, і під час роботи. Тому густина струму в обмотках цих фаз є однакова, обмотки займають однакову кількість пазів статора, хоча кількість витків обмоток цих фаз може бути різною.

Однофазні АД з екранованими полюсами в принципі не можуть мати симетричної обмотки, бо кут між осями обмоток їх фаз ,   90 з таким розрахунком, щоби короткозамкнена їх допоміжна обмотка N могла трансформаторним шляхом відібрати електромагнітну потужність Р_ем від поля робочої обмотки D (рис.1.16, д). У цьому двигуні, як покажемо далі, різниця часових фаз струмів І_D, І_N   90 і тому ця машина в принципі не може утворити колового поля. Її результуюче поле може бути тільки еліптичне з достатньо сильною складовою зворотної послідовності, малим рушійним моментом і низькими коефіцієнтами віддачі і потужності. Але така машина має просту конструкцію і технологію виготовлення, а тому є дешевою.

1.5.2. Однофазні ад з пусковою обмоткою та пусковою ємністю

Схема такого двигуна показана на рис.1.16, а. Вимикач В, який після запуску вимикає пускову обмотку з пусковою ємністю С_П може бути відцентрового типу, або це є реле мінімального струму. Після запуску робоча обмотка D працює сама, утворюючи рушійний електромагнітний момент, повинна забез­печити задовільний коефіцієнт віддачі  та соs , а також перевантажу­вальну здатність .

Т еорія роботи такої машини при увімкненій тільки одній фазі розглядалася в кінці §1.3. Там проаналізована її заступна схема (рис.1.13) та приведений вираз (1.31) для об­числення її електромагнітного моменту. Додамо, що її максимальний момент, на відміну від трифазного АД, істотно залежить від величини активного опору . При збільшенні опору . значно падає, а сама характеристика М(n) сильно спотворюється як за ра­хунок зміни критичного ковзання так і за рахунок зміни максимального моменту (див рис.1.17) звичайно в цьому режимі _н=0.4 – 0.7; _н=0.4 – 0.7; k_m=1.4 – 2.

Рис.1.17. Механічні характеристики АД з увімкненою робочою фазою при зміні активного опору ротора

Допустимо, що виходячи з умов забезпечення оптимальних значень корисної дії _н і коефіцієнта потужності cos_н при номінальному навантаженні M_H та необхідної перевантажувальної здатності машини при її роботі з включеного тільки робочого обмоткою, запроектована геометрія машини та параметри її робочої обмотки і розрахований пусковий струм І_D та cos_D. Щоб для такої машини далі визначити потрібну величину пускової ємності С та запроектувати допоміжну її обмотку задаються коефіцієнти трансформації і графічно, за векторною діаграмою при І=1, підбирають величину ємнісного опору , який забезпечує потрібний режим пуску двигуна при увімкненій робочій та пусковій обмотках. З цією метою на рис.1.18 по вертикалі відкладають вектор , вектор струму під кутом та з точки А будуємо діаметр кола струму пускової фази Q

, (1.38)

я ке він описує при зміні величини . Цим діаметром є при вертикальний вектор . І на цьому відрізку, як на діаметрі будуємо коло з центром в точці О₁.

Довжина перпендикуляра з даної точки діаграми (наприклад, з точки D – ED)) на напрям струму , при заданих параметрах машини та , згідно з (1.30), визначає величину пускового моменту

(1.39)

Рис.1.18. Колова діаграма струму АD з пусковою ємністю С_П

Нас цікавитиме не праве півколо діаграми AGB, де для забезпечення заданих мо­ментів (напр. М_ПGН) потрібно мати в машині великі струми (напр. АGI_G, OGI_), а лі­ве півколо – АDВ. На лівому півколі є такі характерні точки: точка – М з максимальним моментом КА, точка D максимальною добротністю , точка F з мінімальним пусковим струмом мережі ОF.

Знаючи масштаби напруги m_u та струму m_i, можемо визначити масштаб опору m_z величину реактивного опору фазозсувного опору X_СП та фазозсувну ємність С_П. Для цьо­го, знаючи результуючий активний опір фази QR_Q, відкладаємо його величину в масшта­бі опору з точки А по вертикалі у вигляді відрізку Аа. З точки “а” по горизонталі відкла­даємо відрізок “аb”, який в масштабі опору дорівнює індуктивному опорові обмотки Q – X_QO. Якщо необхідно забезпечити роботу машини в точці “К” при коловому полі зі стру­мом допоміжної фази I_QK, то реактивний опір фазозсувної ємності . Якщо двигун повинен працювати в точці “D” з максимальною добротністю пуску зі струмом д одаткової фази І_QD, то реактивний опір його фазозсувного конденсатора .

Звичайно для таких двигунів забезпечується при пуску (більше як для трифазних двигунів), але при цьому значними є пускові струми . Звичайно при частоті пускова обмотка вимикається, а пускова характеристика М(n) має вигляд графіку рис.1.19.

Рис.1.19. Пускова характеристика асинхронного двигуна з пусковими обмоткою і ємністю