Однофазные и конденсаторные асинхронные двигатели

§16.1. Принцип действия и пуск однофазного асинхронного двигателя

По своему устройству однофазный асинхронный двигатель аналогичен трехфазному и состоит из ста­тора, в пазах которого уложена однофазная обмотка (см. рис. 8.8), и короткозамкнутого ротора. Особен­ность работы однофазного асинхронного двигателя заключается в том, что при включении однофазной обмотки статора С1—С2 в сеть (рис. 16.1) МДС ста­тора создает не вращающийся, а пульсирующий маг­нитный поток (см. § 9.4) с амплитудой Ф_mах, изме­няющейся от + Ф_mах до – Ф_mах При этом ось магнитного потока остается неподвижной в про­странстве.

Для объяснения принципа действия однофаз­ного двигателя пульсирующий поток Ф_mах разло­жим на два вращающихся в противоположные стороны потока Ф_пр и Ф_обр (рис. 16.2), каждый из которых равен 0,5Ф_max и вращается с частотой (об/мин)

n_пр = n_обр = f₁60/ p = n₁

Условимся считать поток Ф_пр вращающийся в на­правлении вращения ротора, прямым, а поток Ф_о6р -обратным. Допустим, что ротор двигателя вращает­ся против часовой стрелки, т. е. в направлении пото­ка Ф_пр.

Частота вращения ротора n₂ меньше частоты вращения магнитного поля статора n₁, поэтому скольжение ротора относительно вращающегося по­тока Ф_пр будет

s_пр = (n₁ – n₂)/ n₁ = s (16.1)

Обратный поток Ф_обр вращается противополож­но ротору, поэтому частота вращения ротора n₂ от­носительно Ф_обр - отрицательная. В этом случае скольжение ротора относительно Ф_обр определится выражением

s_обр = (16.2)

Прямое поле наводит в обмотке ротора ЭДС Е_2пр, а обратное по­ле — ЭДС Е_2обр. Эти ЭДС создают в обмотке ротора токи I^/_2пр и I^/_2обр.

Известно, что частота тока в роторе пропор­циональна скольжению (f₂ = sf₁). Так как s_np < s_обр, то частота тока I^/_2обр намного больше частоты тока I^/_2пр. Так, для однофазного двигателя с n₁ = 1500 об/мин, n₂ = 1450 об/мин и f₁ = 50 Гц получим:

s_np = (1500 - 1450)/ 1500 = 0,033;

f_2пр = 0,033 - 50 = 1,8 Гц;

s_обр = (1500 +1450)/ 1500 = 1,96;

f_2о6р = 1,96 - 50 = 98 Гц.

Рис.16.1 Схема включения однофазного

асинхронного двигателя

Индуктивное сопротивление обмотки ротора току I^/_2обр во много раз больше ее активного сопротивления (потому что f_2обр >> f_2пр). Ток I^/_2о6р являет­ся почти чисто индуктивным, оказывающим силь­ное размагничивающее действие на обратное поле Ф_обр. В результате обратное поле и обусловленный им момент М_обр оказываются зна­чительно ослабленными и ротор однофазного двигателя вращается и направлении прямого поля под действием момента

М = М_пр - М_06р, (16.3)

где М_пр — электромагнитный момент, обусловленный прямым полем.

Рис. 16.2. Разложение пульсирующего магнитного потока на два вра­щающихся

На рис. 16.3 представлен график зависимости вращающего момента М в функции скольжения s = s_пр. Этот график получен путем наложения графиков М_пр = f(s_np) и М_о6р = f(s_обр)- При малых значениях скольжения s, что соответствует работе двигателя в пределах номинальной нагрузки, вращающий момент Мсоздается главным образом моментом М_пр.

При s_пр = s_обр = 1 моменты М_пр и М_о6р равны, а поэтому пуско­вой момент однофазного двигателя равен нулю. Следовательно, однофазный асинхронный двигатель не может самостоятельно прийти во вращение при подключении его к сети, а нуждается в первоначальном толчке, так как лишь при s≠ 1 на ротор двигателя действует вращающий момент М = М_пр- М_обр

Рис. 16.3. Механические характе- Рис. 16.4. Схема однофазного ристики однофазного асинхронного асинхронного двигателя с пусковой двигателя обмоткой

Приведенные на рис. 16.3 зависимости моментов показывают, что однофазный асинхронный двигатель не создает пускового мо­мента. Чтобы этот момент появился, необходимо во время пуска двигателя создать в нем вращающееся магнитное поле. С этой целью на статоре двигателя помимо рабочей обмотки Априменяют еще одну обмотку — пусковую В. Эти обмотки располагают на статоре обычно так, чтобы их оси были смещены относительно друг друга на 90 эл. град. Кроме того, токи в обмот­ках статора и должны быть сдвинуты по фазе относительно друг друга. Для этого в цепь пусковой обмотки включают фазосмещающий элемент (ФЭ), в качестве которого могут быть применены активное сопротивление, индуктивность или ем кость (рис. 16.4). По достижении частотой вращения значения близкого к номинальному, пусковую обмотку Вотключают с по мощью реле. Таким образом, во время пуска двигатель является двухфазным, а во время работы — однофазным.

Для получения вращающегося магнитного поля посредством двух обмоток на статоре, смещенных относительно друг друга на 90 эл. град, необходимо соблюдать следующие условия (рис. 16.5):

а) МДС рабочей и пусковой обмоток и должны быть и равны и сдвинуты в пространстве относительно друг друга на 90 эл. град;

б) токи в обмотках статора и должны быть сдвинуты по фазе относительно друг друга на 90°.

При строгом соблюдении указанных условий вращающееся поле статора является круговым, что соответствует наибольшему вращающему моменту. При частичном нарушении какого-либо из условий поле статора становится эллиптическим, содержащим об­ратную составляющую (см. рис. 9.5, б). Обратная составляющая поля создает тормоз­ной момент и ухудшает пусковые свой­ства двигателя.

Из векторных диа­грамм, приведенных на рис. 16.6, видно, что активное сопротивле­ние и индуктивность в качестве ФЭ не обес­печивают получения фазового сдвига между токами в 90°. Лишь только емкость С в качестве ФЭ обеспе­чивает фазовый сдвиг ψ = 90°. Значение этой емкости выбирают та­ким, чтобы ток пусковой обмотки в мо­мент пуска (s = 1) опережал по фазе напря­жение , на угол φ_в, дополняющий угол φ_А до 90°:

Рис. 16.5. Получение вращающегося магнитного

поля двухфазной системой токов

Если при этом обе обмотки создают одинаковые по значению МДС, то в начальный период пуска вращающееся поле окажется круговым и двигатель будет развивать значительный начальный пусковой момент. Однако применение емкости в качестве ФЭ часто ограничивается значительными габаритами конденсаторов, тем более что для получения кругового поля требуются конденсаторы значительной емкости. Например, для однофазного двигателя мощностью 200 Вт необходима емкость 30 мкФ при рабочем на­пряжении 300—500 В.

Получили распространение однофазные двигатели с активным сопротивлением в качестве ФЭ. При этом повышенное активное сопротивление пусковой обмотки достигается тем, что она выполняется проводом уменьшенного сечения (по сравнению с проводом рабочей обмотки). Так как эта обмотка включена на непро­должительное время (обычно несколько секунд), то такая ее кон­струкция вполне допустима. Пусковой момент таких двигателей обычно не превышает номинального, но это вполне приемлемо при пуске двигателей при небольшой нагрузке на валу.

Рис. 16.6. Сравнение свойств фазосмещающих элементов:

а— активное сопротивление, б— индуктивность, в— емкость, г— механиче­ские характеристики двигателя при различных фазосмещающих элементах; 1 — активное сопротивление; 2— емкость

Применение емкости в качестве ФЭ позволяет получить пус­ковой момент М_п= (1,6÷2,0) М_ном. На рис. 16.6, г приведены меха­нические характеристики однофазного асинхронного двигателя при различных ФЭ. Для большей наглядности значения момента даны в относительных единицах.