Однофазный и трехфазный двигатель. Однофазный асинхронный двигатель

Области применения. Асинхронные двигатели небольшой мощности (15 - 600 Вт) применяют в автоматических устройствах и электробытовых приборах для привода вентиляторов, насосов и другого оборудования, не требующего регулирования частоты вращения. В электробытовых приборах и автоматических устройствах обычно используют однофазные микродвигатели, так как эти приборы и устройства, как правило, получают питание от однофазной сети переменного тока.

Принцип действия и устройство однофазного двигателя. Обмотка статора однофазного двигателя (рис. 4.60, а) расположена в пазах, занимающих примерно две трети окружности статора, которая соответствует паре полюсов. В результате

Вх = Вm sin ωt cos (πх/τ) .

Таким образом, в однофазном двигателе обмотка статора создает неподвижный поток, изменяющийся во времени, а не круговой вращающийся поток, как в трехфазных двигателях при симметричном питании.

Для упрощения анализа свойств однофазного двигателя представим (4.99) в виде

Вх = 0,5Вт sin (ωt - πх/τ) + 0,5Вт sin (ωt + πх/τ), .

Т. е. заменим неподвижный пульсирующий поток суммой идентичных круговых полей, вращающихся в противоположных направлениях и имеющих одинаковые частоты вращения: n 1пр = n 1обр = n 1 . Поскольку свойства асинхронного двигателя при круговом вращающемся поле подробно рассмотрены в § 4.7 - 4.12, анализ свойств однофазного двигателя можно свести к рассмотрению совместного действия каждого из вращающихся полей. Иными словами, однофазный двигатель можно представить в виде двух одинаковых двигателей, роторы которых жестко связаны между собой (рис. 4.60, б), при встречном направлении вращения магнитных полей и создаваемых ими моментов М пр и М обр . Поле, направление вращения которого совпадает с направлением вращения ротора, называют прямым; поле обратного направления - обратным или инверсным.

Допустим, что направление вращения роторов совпадает с направлением одного из вращающихся полей, например с nпр . Тогда скольжение ротора относительно потока Ф пр

sпр = (n1пр - п2 )/n1пр = (n1 - п2 )/n1 = 1 - n2 /n1 . .

Скольжение ротора относительно потока Фобр

sобр = (n1обр + п2 )/п1обр = (n1 + п2 )/n1 = 1 + п2 /n1 . .

Из (4.100) и (4.101) следует, что

so6p = 1 + п2 /n1 = 2 - sпр . .

Электромагнитные моменты М пр и М обр , образуемые прямым и обратным полями, направлены в противоположные стороны, а результирующий момент однофазного двигателя М рез равен разности моментов при одной и той же частоте вращения ротора.

На рис. 4.61 показана зависимость М = f(s) для однофазного двигателя. Рассматривая рисунок, можно сделать следующие выводы:

а) однофазный двигатель не имеет пускового момента; он вращается в ту сторону, в которую приводится внешней силой; б) частота вращения однофазного двигателя при холостом ходе меньше, чем у трехфазного двигателя, из-за наличия тормозящего момента, образуемого обратным полем;

в) рабочие характеристики однофазного двигателя хуже, чем трехфазного; он имеет повышенное скольжение при номи нальной нагрузке, меньший КПД, меньшую перегрузочную спо собность, что также объясняется наличием обратного поля;

г) мощность однофазного двигателя составляет примерно 2/3 от мощности трехфазного двигателя того же габарита, так как в однофазном двигателе рабочая обмотка занимает только 2/3 пазов статора. Заполнять все пазы статора

Пусковые устройства. Чтобы получить пусковой момент, однофазные двигатели имеют пусковую обмотку, сдвинутую на 90 электрических градусов относительно основной рабочей обмотки. На период пуска пусковую обмотку присоединяют к сети через фазосдвигающие элементы - емкость или активное сопротивление. После окончания разгона двигателя пусковую обмотку отключают, при этом двигатель продолжает работать как однофазный. Поскольку пусковая обмотка работает лишь короткое время, ее изготовляют из провода меньшего сечения, чем рабочую, и укладывают в меньшее число пазов.

Подробно рассмотрим процесс пуска при использовании в качестве фазосдвигающего элемента емкости С (рис. 4.62, а). На пусковой обмотке П напряжение
Ú 1п = Ú 1 - Ú C = Ú 1 +jÍ1 п XC , т. е. оно сдвинуто по фазе относительно напряжения сети U 1 , приложенного к рабочей обмотке Р . Следовательно, векторы токов в рабочей I 1р и пусковой I 1п обмотках сдвинуты по фазе на некоторый угол. Выбирая определенным образом емкость фазосдвигающего конденсатора, можно получить режим работы при пуске, близкий к симметричному (рис. 4.62, б), т. е. получить круговое вращающееся поле. На рис. 4.62, в показаны зависимости М = f(s) для двигателя при включенной (кривая 1) и выключенной (кривая 2) пусковой обмотке. Пуск двигателя осуществляется на части аb характеристики 1; в точке b пусковая обмотка выключается, и в дальнейшем двигатель работает на части сО характеристики 2.

Поскольку включение второй обмотки существенно улучшает механическую характеристику двигателя, в некоторых случаях применяют однофазные двигатели, в которых обмотки А и В

Обе обмотки конденсаторных двигателей занимают, как правило, одинаковое число пазов и имеют одинаковую мощность. При пуске конденсаторного двигателя для увеличения пускового момента целесообразно иметь увеличенную емкость Ср + Сп . После разгона двигателя по характеристике 2 (рис. 4.63,б) и уменьшения тока часть конденсаторов Сн отключают, чтобы при номинальном режиме (когда ток двигателя становится меньшим, чем при пуске) увеличить емкостное сопротивление и обеспечить работу двигателя в условиях, близких к работе при круговом вращающемся поле. При этом двигатель работает на характеристике 1.

Конденсаторный двигатель имеет высокий cos φ. Недостатками его являются сравнительно большая масса и габариты конденсатора, а также возникновение несинусоидального тока при искажениях питающего напряжения, которое в ряде случаев приводит к вредному воздействию на линии связи.

При легких условиях пуска (небольшой нагрузочный момент в пусковой период) применяют двигатели с пусковым сопротивлением R (рис. 4.64, а). Наличие активного сопротивления в цепи пусковой обмотки обеспечивает меньший сдвиг фаз φп между напряжением и током в этой обмотке (рис. 4.64, б), чем сдвиг фаз φр в рабочей обмотке. В связи с этим токи в рабочей и пусковой обмотках оказываются сдвинутыми по фазе на угол φр - φп и образуют несимметричное (эллиптическое) вращающееся поле, благодаря которому и возникает пусковой момент. Двигатели с пусковым сопротивлением надежны в эксплуатации в выпускаются серийно. Пусковое сопротивление встраивают в корпус двигателя и охлаждают тем же воздухом, который охлаждает весь двигатель.

Однофазные микродвигатели с экранированными полюсами. В этих двигателях обмотку статора, подсоединяемую к сети, выполняют обычно сосредоточенной и укрепляют на явно-выраженных полюсах (рис. 4.65, а), листы которых штампуют совместно со статором. В каждом полюсе один из наконечников охватывается вспомогательной обмоткой, состоящей из одного или нескольких короткозамкнутых витков, которые экранируют от 1/5 до 1/2 полюсной дуги. Ротор двигателя - короткозамкнутый обычного типа.

Магнитный поток машины, создаваемый обмоткой статора (поток полюса), можно представить в виде суммы двух составляющих (рис. 4.65, б) Фп = Фп1 + Фп2 , где Фп1 - поток, проходящий через часть полюса, не охваченную короткозамкну-тым витком; Фп2 - поток, проходящий через часть полюса, экранированную короткозамкнутым витком.

Потоки Фп1 и Фп2 проходят через различные части полюсного наконечника, т. е. смещены в пространстве на угол β. Кроме того, они сдвинуты по фазе относительно МДС F п обмотки статора на различные углы - γ1 и γ2 . Это объясняется тем, что каждый полюс описываемого двигателя можно рассматривать в первом приближении как трансформатор, первичной обмоткой которого является обмотка статора, а вторичной - короткозамкнутый виток. Поток обмотки статора индуцирует в короткозамкнутом витке ЭДС E к (рис. 4.65, в), вследствие чего возникает ток I к и МДС F к , складывающаяся с МДС F п обмотки статора. Реактивная составляющая тока I к уменьшает поток Фп2 , а активная - смещает его по фазе относительно МДС F п . Так как поток Фп1 не охватывает короткозамкнутый виток, угол γ1 имеет сравнительно небольшое значение (4-9°) - примерно такое же, как угол сдвига фаз между потоком трансформатора и МДС первичной обмотки в режиме холостого хода. Угол γ2 значительно больше (около 45°),

Потоки Фп1 и Фп2 , смещенные в пространстве на угол β и сдвинутые по фазе во времени на угол γ = γ2 - γl , образуют эллиптическое вращающееся магнитное поле (см. гл. 3), которое воздает вращающий момент, действующий на ротор двигателя в направлении от первого полюсного наконечника, не охватываемого короткозамкнутым витком, ко второму наконечнику (в соответствии с чередованием максимумов потоков «фаз»).

Для увеличения пускового момента рассматриваемого двигателя путем приближения его вращающегося поля к круговому применяют различные способы: устанавливают между полюсными наконечниками смежных полюсов магнитные шунты, которые усиливают магнитную связь между основной обмоткой и короткозамкнутым витком и улучшают форму магнитного поля в воздушном зазоре; увеличивают воздушный зазор под наконечником, не охватываемым короткозамкнутым витком; используют два и большее количество коротко-замкнутых витков на одном наконечнике с разными углами охвата. Имеются также двигатели без короткозамкнутых витков на полюсах, но с несимметричной магнитной системой: различной конфигурацией отдельных частей полюса и разными воздушными зазорами. Такие двигатели имеют меньший пусковой момент, чем двигатели с экранированными полюсами, но КПД их выше, так как у них отсутствуют потери мощности в короткозамкнутых витках.

Рассмотренные конструкции двигателей с экранированными полюсами являются нереверсивными. Для осуществления ревер­са в таких двигателях вместо короткозамкнутых витков применяют катушки В1, В2, В3 и В4 (рис. 4.65, в ), каждая из которых охватывает половину полюса. Замыкая накоротко пару катушек В1 и В4 или В2 и В3 ,можно экранировать одну или другую половину полюса и изменять таким образом направление вращения магнитного поля и ротора.

Двигатель с экранированными полюсами имеет ряд существенных недостатков: сравнительно большие габаритные размеры и массу; низкий cos φ ≈ 0,4 ÷ 0,6; низкий КПД η = 0,25 ÷ 0,4 из-за больших потерь в короткозамкнутом витке; небольшой пусковой момент и др. Достоинствами двигателя являются простота конструкции и вследствие этого высокая надежность в эксплуатации. Благодаря отсутствию зубцов на статоре шум двигателя незначителен, поэтому он часто употребляется в устройствах по воспроизводству музыки и речи.

– это маломощный двигатель (до 1500 Вт) который применяется в установках, в которых практически отсутствует нагрузка на валу в момент пуска, а также в тех случаях, когда питание двигателя может быть осуществлено только от однофазной сети. Чаще всего такие двигатели, применяют в стиральных машинах, небольших вентиляторах и т.д.

Однофазный двигатель схож по строению с трехфазным асинхронным двигателем , различием является количество фазных обмоток, у однофазного не три, а две обмотки – пусковая и рабочая , причем постоянно работает только одна обмотка – рабочая.

Для того чтобы ротор асинхронного двигателя пришел в движение, статорная обмотка должна создать вращающееся магнитное поле. В трехфазном двигателе, такое поле создается благодаря трехфазной обмотке. Но рабочая обмотка однофазного двигателя создает не вращающееся, а пульсирующее магнитное поле. Это поле можно разложить на два – прямое и обратное . Прямое поле вращается с синхронной скоростью n 1 в направлении вращения ротора и создает основной электромагнитный момент. Скольжение ротора относительно прямого поля равно

Обратное поле, вращается против ротора, поэтому частота вращения ротора отрицательная, относительно этого поля

Каждое поле наводит ЭДС, благодаря которым по ротору начинают протекать токи. Частоты этих токов пропорциональны скольжению (f т =f·s), а из формул выведенных выше, можно сделать вывод, что частота тока наводимого обратным полем, намного больше частоты тока прямого поля. В связи с этим, индуктивное сопротивление, которое увеличивается с ростом частоты, приобретает большое значение и становится намного больше активного сопротивления . Поэтому ток обратного поля, является практически индуктивным и оказывает размагничивающее действие на поток обратного магнитного поля. Как следствие, момент, создаваемый этим полем, невелик, и направлен против вращения ротора.

В момент, когда ротор неподвижен, ось симметрии между этими двумя полями, также неподвижна, а значит, не создается вращающего магнитного поля, и как следствие, двигатель не работает. Чтобы привести его в движение, нужно прокрутить ротор, для того чтобы ось симметрии сместилась. Но выполнять это механически не имеет смысла, поэтому для того, чтобы запустить однофазный двигатель, создали пусковую обмотку . Пусковая обмотка совместно с рабочей, создает вращающееся магнитное поле, необходимое для запуска двигателя. Для этого необходимо чтобы МДС обоих обмоток были равны, а также угол между ними составлял 90° . Кроме того, необходимо чтобы и токи в этих обмотках, были смещены на 90° . В этом случае создается так называемое, круговое магнитное поле , при котором результирующий электромагнитный момент максимален. Если же, эти условия выполнены с отклонениями, то создается эллиптическое магнитное поле , при котором момент ниже, из-за увеличенного тормозного момента обратного поля.

В реальных условиях пуск однофазного двигателя осуществляется с помощью одновременного нажатия на кнопки, подающие питание и подключающие пусковую обмотку к цепи.

Для того, чтобы создать фазовый сдвиг в 90° между токами рабочей и пусковой обмотки, используют фазосмещающие элементы (ФЭ). Это может быть активное сопротивление, катушка или конденсатор . Большое распространение получили однофазные двигатели с активным сопротивлением в качестве фазосмещающего элемента. Увеличение сопротивления пусковой обмотки, достигается с помощью уменьшения сечения провода, а так как эта обмотка работает короткий промежуток времени в момент пуска, то это не причиняет обмотке вреда.

Но, активное сопротивление, также как и индуктивное, не создает требуемого смещения в 90° между токами, зато такое смещение создает конденсатор. Емкость этого конденсатора, подбирают таким образом, чтобы ток пусковой обмотки, опережал по фазе напряжение на некоторый угол, который необходим для того, чтобы смещение между токами стало 90° . Благодаря этому, создается круговое магнитное поле. Но, конденсаторы применяются в качестве фазосмещающего элемента реже, потому что для обеспечения смешения в 90° , нужен конденсатор, большой емкости, и как правило, относительно высокого напряжения. Кроме того, габариты этого конденсатора, велики, что также играет роль.

Как отмечалось, однофазные асинхронные двигатели в настоящее время выполняются главным образом как малые машины на мощности, редко превышающие 0,5 кBт.

Статор их имеет однофазную обмотку, которую обычно получают из трехфазной, соединенной в звезду, при использовании только двух ее фаз. Ротор снабжается короткозамкнутой обмоткой в виде беличьей клетки.

Если обмотку статора питать однофазным переменным током, то она создаст переменную (пульсирующую) н.с. При неподвижном роторе в машине возникнет при этом переменное (пульсирующее) поле. Оно будет наводить в обмотке ротора токи, как во вторичной обмотке трансформатора. На рисунке 2.21 показаны направления токов в проводниках короткозамкнутого ротора при наличии пульсирующего поля.

Рис. 2.21. Токи в проводниках роторной обмотки однофазного двигателя при неподвижном роторе

Очевидно, результирующий момент, действующий на ротор, будет равен нулю, так как электромагнитные силы от взаимодействия поля и токов в обмотке ротора на ее правой и левой половинах будут равны и противоположны.

Отсутствие начального вращающего момента является характерной особенностью однофазного двигателя при указанной схеме соединения. Следовательно, он сам не может тронуться с места. Однако если посредством посторонней силы раскрутить ротор, то двигатель в дальнейшем будет вращаться самостоятельно и может быть нагружен.

Подобные явления можно наблюдать у трехфазного двигателя при обрыве одного из питающих проводов. Если провод оборван у неподвижного двигателя, то он при пуске не будет создавать вращающий момент и не тронется с места. Если же провод оборван у вращающегося трехфазного двигателя, то последний будет продолжать работать как однофазный. Но мощность его при этом должна быть снижена до 50…55% от номинальной.

Режим работы трехфазного двигателя в качестве однофазного не может быть допущен при мощности на его валу, близкой к номинальной, так как его обмотки из-за увеличения токов в них при таком режиме за короткое время чрезмерно нагреются.

Для объяснения указанных явлений заменим переменную пульсирующую по одной оси н.с. статора двумя н.с., вращающимися в разные стороны с синхронной частотой и имеющими амплитуды, равные половине амплитуды пульсирующей н.с.

При неподвижном роторе обе н.с. с равными амплитудами вращаются относительно ротора с одной и той же синхронной частотой. Поля, вызванные ими, также будут иметь одинаковые амплитуды. Они будут наводить в обмотке ротора одинаковые токи. Поэтому вращающие моменты, получающиеся от взаимодействия полей и наведенных ими токов, будут равны между собой. Так как они действуют в противоположные стороны, то результирующий момент равен нулю. Следовательно, ротор самостоятельно не может прийти во вращение. Если же, как указывалось, каким-либо способом привести его во вращение в любом направлении, то в этом направлении он будет вращаться самостоятельно и дойдет до скорости, близкой к синхронной.

То поле, которое вращается в одном направлении с ротором, называется прямо вращающимся или прямым, другое поле - обратно вращающимся или обратным. При вращении ротора оба эти поля неодинаковы: обратное поле ослабляется, тогда как прямо вращающееся поле усиливается. При скорости вращения, близкой к синхронной, обратное поле ослабляется настолько, что результирующее поле становится почти круговым.

Ослабление обратного поля при работе однофазного двигателя объясняется следующим образом. Если ротор относительно прямого поля имеет скольжение s, то относительно обратного поля он будет иметь скольжение:

Следовательно, токи, наведенные обратным полем в обмотке ротора, будут иметь высокую частоту, например при s=0,05 она равна (2-s)f 1 =1,95·50=97,5 Гц. Индуктивное сопротивление обмотки ротора при такой частоте будет во много раз больше ее активного сопротивления. Токи будут почти чисто реактивными; они будут оказывать сильное размагничивающее действие, т.е. ослаблять обратное поле.

Таким образом, при малых значениях скольжения вращающий момент в однофазных двигателях создается в основном в результате взаимодействия прямого поля и наведенных им в обмотке ротора токов. Тормозящий момент от взаимодействия обратного поля, сильно ослабленного, и наведенных им в обмотке ротора токов (почти чисто реактивных) имеет малое значение.

Рис. 2.22. Кривые вращающих моментов однофазного двигателя

Так как ток в роторе однофазного двигателя образуется наложением двух токов резко различных частот, то электрические потери в роторе можно считать равными сумме потерь, вызываемых каждым из токов в отдельности. Поэтому электрические потери в роторе однофазного двигателя примерно вдвое больше тех же потерь в роторе трехфазного двигателя соответствующей мощности. Здесь имеются в виду двигатели с таким выполнением обмотки ротора, при котором можно не считаться с вытеснением тока в ее проводниках. Если же двигатели имеют на роторе глубокие пазы или двойную клетку, то потери от токов, наведенных обратным полем в проводниках обмотки ротора, значительно возрастают из-за вытеснения в них тока.

Кроме того, cos однофазного двигателя ниже, чем трехфазного двигателя, так как у первого больше ток холостого хода (за счет его реактивной составляющей). Последнее станет понятным, если мы рассмотрим работу двигателя, вращающегося с синхронной скоростью, при разомкнутой и замкнутой обмотке ротора. В первом случае обе н.с. - прямая и обратная - создадут одинаковые поля, наводящие в обмотке статора ЭДС, уравновешивающие почти полностью приложенное напряжение.

Во втором случае обратная н.с. создается не только токами статора, но и токами ротора, наведенными обратным полем; она, так же как и обратное поле, сильно ослабляется. Поэтому прямая н.с. статора в данном случае должна возрасти настолько, чтобы создаваемое ею прямое поле наводило в обмотке статора ЭДС, почти полностью уравновешивающую приложенное напряжение. Во втором случае ток статора будет почти в 2 раза больше, чем в первом случае. Этим и объясняется увеличение тока холостого хода однофазного двигателя.

Увеличение скольжения вызывает увеличение тормозящего момента от обратного поля, поэтому максимальный момент однофазного двигателя меньше, чем у соответствующего трехфазного двигателя.

Коэффициент полезного действия однофазного двигателя также ниже вследствие увеличенных потерь в обмотке ротора, а также в обмотке статора из-за ухудшения cos .

Пуск в ход однофазного двигателя обычно производится при наличии на статоре вспомогательной фазы Она представляет собой обмотку, размещенную в пазах статора так, чтобы ее н.с. была пространственно сдвинута на 90 эл. град, относительно н.с. главной обмотки статора. Ток во вспомогательной обмотке должен быть сдвинут по фазе по отношению к току главной обмотки. Если созданы указанные условия, то обе обмотки вызовут вращающееся магнитное поле. Оно будет несимметричным, но создаваемый им момент в случае небольшого тормозящего момента на валу получается все же достаточным для пуска двигателя в ход. Вспомогательная обмотка выключается, когда двигатель достигает примерно нормальной частоты вращения, так как она рассчитывается на кратковременную нагрузку.

Следовательно, при пуске двигатель работает как двухфазный, а при нормальной частоте вращения - как однофазный. Для получения тока во вспомогательной обмотке, сдвинутого по фазе относительно тока в главной обмотке, последовательно с первой включают активное сопротивление (рис. 2.23,а) или емкость (рис. 2.23,б).

Рис. 2.23. Пусковые схемы однофазных двигателей

Применение емкости позволяет осуществить сдвиг по фазе между указанными токами равным 90°, что дает значительное увеличение начального вращающего момента.

Вместе с тем получили распространение однофазные двигатели, у которых вспомогательная фаза и соединенная последовательно с ней емкость остаются включенными во все время работы двигателя. Такие конденсаторные двигатели по сравнению с обычными однофазными, работающими с отключенной вспомогательной фазой, имеют больший максимальный момент и лучшие КПД и cos .