Однофазные асинхронные машины малой мощности

1. Общие сведения. Работа однофазной асинхронной машины.

 

Однофазные асинхронные электродвигатели мощностью от десятков ватт до нескольких киловатт нашли достаточно широкое применение в различного рода бытовых приборах, приводах вентиляторов бытового и производственного назначения, деревообрабатывающих станков, насосов, компрессоров, транспортеров, а также небольших станков. Их преимущество — возможность использования в таких местах и помещениях, где нет трехфазной сети, но подведена двухпроводная однофазная сеть.

Значительная часть однофазных асинхронных электродвигателей  изготавливается на базе серийных трехфазных двигателей. К примеру, однофазные двигатели серии ABE изготавливаются на базе трехфазных встраиваемых двигателей АВ и т. д. В конструкции механической части и магнитопроводов таких двигателей нет каких-либо существенных отличий в сравнении с асинхронными электродвигателями трехфазного 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.2, а). Оставшиеся две 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.

Однофазный ток  статора однофазного двигателя создает пульсирующее магнитное поле, которое можно разложить на два поля, имеющих равные амплитуды и вращающиеся в противоположные стороны с одинаковой скоростью. Поместим в это поле ротор с короткозамкнутой обмоткой. Ротор вращаться не будет. Если раскрутить ротор сторонней механической силой в любую сторону, двигатель будет устойчиво работать.  
Объяснить это можно следующим образом:  
          Пульсирующее магнитное поле можно заменить двумя магнитными полями, вращающимися в противоположных направлениях с синхронной частотой n₁ и имеющими амплитуды магнитных потоков, равные половине амплитуды магнитного потока пульсирующего поля. Одно из магнитных полей называется прямовращающимся, другое - обратновращающимся. Каждое из магнитных полей индуктирует в роторной обмотке вихревые токи. При взаимодействии вихревых токов с магнитными полями образуются вращающие моменты M1 и М2, направленные встречно друг другу, которые при неподвижном роторе (n = 0, s = 1) одинаковые по величине, но разные по знаку  (рис. 1). Поэтому при пуске результирующий момент 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 > Мст, то двигатель достигнет определенной установившейся скорости вращения. Оба направления вращения двигателя равноценны, и тормозной режим работы отсутствует.

 

 

 

Рис.1 Кривые моментов однофазного  асинхронного двигателя.

 

По своим рабочим свойствам  однофазный двигатель близок к трехфазному, работающему при сильном искажении  симметрии питающих напряжений. 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 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.

 

 

Рис 2. Схема (а) и диаграмма токов статора (б) однофазного асинхронного двигателя, рассматриваемого как трехфазный с отключением одной фазы.

 

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

 

При переходе трехфазного двигателя  в однофазный режим скорость вращения практически не изменится, и поэтому  мощность на валу Р₁ будет примерно равна Р₃. Если бы к. п. д. и cos ф не изменились, то ток в однофазном режиме  был бы в 3 раза больше тока в трехфазном режиме. В действительности к. п. д. и cos ф 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 2,5I, чтобы плавкая вставка не перегорала при пуске двигателя.

 

Однофазные асинхронные двигатели по сравнению с трехфазными двигателями имеют следующие недостатки:

 

-отсутствие начального пускового момента;

-малая перегрузочная способность;

-более низкий КПД;

-меньший коэффициент мощности (cos φ).

 

 

 

 

 

 

 

2. Разновидности однофазных асинхронных двигателей.

 

Асинхронные однофазные электродвигатели относятся к широко распространенным электрическим машинам. Их применяют для привода мелких станков, центрифуг, компрессоров, насосов, вентиляторов. По способам пуска и работы различают следующие электродвигатели:

1. однофазные с пусковыми элементами во вспомогательной фазе. Пусковой элемент может быть активным сопротивлением (обозначение двигателя АОЛБ) и пусковой емкостью — конденсатором (обозначается АОЛГУ электродвигателей малой мощности роль добавочного активного сопротивления может выполнять пусковая обмотка)
2. конденсаторные: с постоянно включенной и пусковой емкостями (обозначение АОЛД); с постоянно включенной емкостью.
3. однофазные с короткозамкнутым витком на полюсе. Они пригодны лишь для легких условий пуска, когда пусковой момент Мп<0,5.

Изготавливаются также электродвигатели с короткозамкнутым витком и увеличенным воздушным зазором под частью полюса, не экранированной витком. Пусковой момент увеличивается до Мп = 1. К.п.д. однофазных электродвигателей с короткозамкнутым витком невелик. К преимуществам конденсаторных электродвигателей следует отнести меньшие габариты, чем у других типов однофазных двигателей (использование материалов у конденсаторных двигателей выше). Их недостатком является потребность в малогабаритных конденсаторах.

 

 
Рис.3 Схемы включения однофазных электродвигателей. а — с пусковым сопротивлением; б — с пусковой емкостью; в — с постоянно включенной рабочей и пусковой емкостями; г — с постоянно включенной емкостью; д — с короткозамкнутым витком на полюсе

 

 

2.1 Однофазный двигатель с пусковой обмоткой. Конструкция однофазной асинхронной машины.

 

 

Наибольшее распространение получили однофазные асинхронные двигатели, у которых обмотка статора  не сосредоточена в виде катушек, как у двигателей постоянного тока, а равномерно распределена по окружности статора. Поэтому листы статора представляют собой кольца с пазами 1 на внутренней окружности (рис. 4).  Между пазами образуются зубцы 2, которые служат для проведения магнитного поля. Чтобы сохранить магнитную индукцию по высоте зубца одинаковой, их делают постоянной ширины, поэтому пазы расширяются и приобретают грушевидную форму. В такие пазы   с   параллельными боковыми стенками. Прорезь 3 делают минимальной для того, чтобы по расширенной коронке зубца 4 магнитное поле могло легче проходить в ротор. Ширина прорези делается такой,   чтобы в нее свободно мог пройти один провод обмотки.

Рис.4. Лист статора. 1 - паз; 2 - зубец; 3 - прорезь; 4 - коронка зубца

 

Катушки обмотки статора наматывают из изолированных проводов отдельно от статора на специальных шаблонах. Перед вкладыванием провода пазы изолируют полосками изоляционных материалов. Стороны катушек вкладываются в пазы по одному проводнику, поэтому обмотки называются всыпными. По окончании укладки обмоток в пазы края изоляционных полосок загибают в пазы и там заклинивают полосками из картона.

Устройство ротора остается таким  же, как и у обычных однофазных асинхронных двигателей.

В пазы статора вкладывают катушки  рабочей и пусковой обмоток. Обычно рабочая обмотка занимает 2/3 всех пазов, а пусковая 1/3. Катушки рабочей и пусковой обмоток располагаются по окружности статора так, чтобы между ними был угол 90°. Выводы обеих обмоток присоединяют к контактным винтам, расположенным на дощечке из изоляционного материала (гетинакс или текстолит).

Обе обмотки подключаются к источнику переменного тока параллельно (рис. 5). В цепь пусковой обмотки включается пусковой элемент 1, представляющий собой сопротивление или конденсатор. Выключатель 2 служит для отключения пусковой обмотки после того, как ротор двигателя разовьет полное число оборотов. После этого пусковая обмотка становится ненужной, в ней только бесполезно будет затрачиваться энергия. Но при каждом пуске необходимо снова включать пусковую обмотку, так как иначе ротор не сдвинется.

 

Рис.5. Схема однофазного двигателя с пусковой обмоткой. 1 - пусковой элемент; 2 – выключатель

 

Таким образом, двигатель пускается  как двухфазный, а работает как однофазный. Пусковой элемент создает сдвиг токов по фазе в пусковой и рабочей обмотке, благодаря чему и создается двухфазное поле. Применение конденсатора в качестве пускового элемента позволяет получить от двигателя больший пусковой момент, чем получается при пусковом элементе, состоящем из сопротивления.

Посмотрим, как же будут взаимодействовать  магнитные поля, создаваемые рабочей  и пусковой обмотками. Если токи в  них сдвинуты по фазе на 90°, то их можно изобразить двумя синусоидами, у которых между начальными точками будет сдвиг, равный 1/4 периода, так как весь период составляет полную окружность, или 360° (рис. 6). Буквой Р обозначена синусоида тока рабочей обмотки, а буквой П — пусковой. В разные моменты времени векторы токов будут находиться под разными углами, и поэтому их придется складывать геометрически.

Проведем несколько  окружностей и обозначим их теми же цифрами, что и точки на оси  синусоиды. Каждая окружность соответствует одному значению токов в рабочей и пусковой обмотках. Будем откладывать поля рабочей обмотки по горизонтальному диаметру; положительные значения поля вправо от центра окружности, а отрицательные — влево. Положительные значения полей пусковой обмотки будем откладывать по вертикальному диаметру вверх, а отрицательные — вниз. Радиус окружности примем равным половине наибольшего значения тока на синусоиде.

 

Рис. 6. Вращающее поле однофазного двигателя с пусковой обмоткой.

 

 

На рис.6 показаны четыре окружности для точек синусоиды 1, 2, 3 и 4. Диагонали прямоугольника — это векторы результирующего поля. Сравнение круговых диаграмм показывает, что результирующее поле вращается с синхронной скоростью. Результирующее поле будет наводить токи в короткозамкнутой обмотке ротора, и он придет во вращение.

Двигатель с пусковой обмоткой можно заставить вращаться в противоположную сторону, для этого достаточно изменить направление тока или в рабочей, или в пусковой обмотке (рис. 7).

Рис. 7. Реверсирование однофазного двигателя.

 

 

2.2. Асинхронный двигатель с экранированными полюсами

 

Асинхронный двигатель с экранированными  полюсами (с короткозамкнутым витком) является широко распространенным двигателем в приводах, где не требуется большого пускового момента (М_п /М_ном = 0,2 - 0,4), например, в магнитофонах, проигрывателях, вентиляторах и т.д. Конструкция двигателя следующая (рис.8,а).

Статор, собираемый из тонких листов электротехнической стали, имеет явновыраженные полюса (2р = 2 или 4). Двигатель с экранированными полюсами имеет на статоре явно выраженные полюсы с однофазной обмоткой и ротор с короткозамкнутой обмоткой. В этом двигателе каждый полюс разделен осевым пазом на две неравные части. Меньшая часть полюса охватывается короткозамкнутым витком и образует экранированную часть полюса. Для увеличения пускового момента двигателя между полюсными наконечниками устанавливаются магнитные шунты. Поле двигателя эллиптическое (содержит наряду с прямым значительное обратное поле), поскольку потоки, проходящие через основную и экранированную части полюса, сдвинуты в пространстве и во времени на недостаточно большие углы. Тем не менее, пусковой момент достигает величины 0,2-0,5 от номинального.

Принцип действия: при питании обмотки возбуждения переменным током возникает пульсирующий магнитный поток  _B (рис. 8, б), часть которого  ’ проходит по неэкранированной части полюса; другая -  ” проходит по экранированной части полюса, сцепляется с витком и наводит в нем ЭДС  _КЗВ. Эта ЭДС отстает от потока экранированной части  ” на угол 90 градусов (рис.8, в). Под действием ЭДС  _KЗВ по витку протекает ток  _KЗВ и возникает поток витка  _KЗВ, который совместно с потоком  ” образует поток экранированной части  _ЭК. Из диаграммы видно, что поток экранированной  _ЭК и поток неэкранированной части  ’ сдвинуты во времени на угол β. К тому же потоки  _ЭК и  ’ сдвинуты в пространстве на угол θ(рис. 8, а). Таким образом, в двигателе имеются два потока, сдвинутых в пространстве и во времени. Этого достаточно, чтобы даже при сосредоточенной однофазной обмотке в двигателе образовалось вращающееся магнитное поле. Поскольку углы β и θ далеко не 90º, это поле эллиптическое. Вращающееся поле статора индуцирует в роторе ЭДС и токи, которые, взаимодействуя с ним, создают вращающий момент.

Рис. 8. Асинхронный двигатель с экранированными полюсами: а) – поперечный разрез (ОВ – обмотка возбуждения; КЗВ – короткозамкнутый виток; МШ – магнитный шунт); б) – схема потоков; в) – векторная диаграмма