Содержание  Главная (библиотека)
Предыдущий § Следущий

§ 4.7. АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ, ПИТАЕМЫЕ ОТ ОДНОФАЗНОЙ СЕТИ

Однофазный двигатель. Однофазная обмотка статора двигателя создает пульсирующую м. д. с. Основную ее волну можно рассматривать как две вращающиеся в противоположные стороны м. д. с, амплитуды которых равны половине пульсирующей. Одна из них создает поток Ф₁, другая — Ф₂. Поток, вращающийся в ту же сторону, что и ротор, называют прямым, а вращающийся

Рис. 4.51. Моментные характеристики однофазного двигателя

встречно — обратным. Если при вращении ротора его скольжение относительно прямого потока равно s, то относительно обратного равно 2 — s.

На оси абсцисс (рис. 4.51) показаны шкалы скольжений ротора относительно обоих потоков. Потоку Ф₁ соответствует моментная характеристика М₁ (пунктирная кривая 1, к этой кривой относится верхняя шкала скольжений). Потоку Ф₂ соответствует моментная характеристика М₂ (пунктирная кривая, к этой кривой относится нижняя шкала скольжений). Кривая результирующего момента М однофазного двигателя получается как наложение моментных характеристик M₁ и М₂. Ордината результирующей характеристики М при любом скольжении меньше, чем ордината характеристики, создаваемой одним из вращающихся потоков.

Однофазный двигатель можно рассматривать как два последовательно соединенных в сети одинаковых трехфазных двигателя, имеющих общий вал, магнитные потоки которых вращаются встречно. Поэтому схема замещения (рис. 4.52) однофазного двигателя состоит из двух последовательно соединенных схем для прямой и обратной последовательностей. Активное сопротивление r'₂ ротора на схеме прямой последовательности разделено на скольжение s,

на схеме обратной последовательности — на скольжение 2 — s. Электромагнитная мощность P_эм однофазного двигателя равна разности электромагнитных мощностей прямой P_эм1 и обратной Р_эм2 последовательностей. С учётом (4.62)

где I'₂₁ и I'₂₂ — приведенные к обмотке статора токи прямой и обратной последовательностей ротора. Электромагнитный момент

При неподвижном роторе (s = 1) момент М однофазного двигателя равен нулю, так как в этом случае M₁ = М₂. Если ротор раскрутить в какую-либо сторону (s≠1), то M₁ ≠ М₂, и в результате этого возникает момент М, действующий в сторону вращения. При некотором значении скольжения, определяемом на рис. 4.51 абсциссой точки б, момент М двигателя становится больше момента М_ст. Вследствие этого скорость двигателя начинает увеличиваться. В точке а при М = М_ст двигатель работает устойчиво.

При вращении ротора с небольшим скольжением s относительно прямого потока, вызванный им ток обмотки ротора определяется в основном активным сопротивлением, так как пропорциональное скольжению индуктивное сопротивление мало. При этих условиях короткозамкнутая обмотка ротора лишь незначительно демпфирует (ослабляет) прямой поток. В то же время скольжение ротора относительно обратного потока весьма велико (2 — s). Вызванный этим потоком ток ротора не определяется активным сопротивлением, так как оно оказывается ничтожно малым по сравнению с индуктивным, пропорциональным скольжению (2 — s). Поэтому короткозамкнутая обмотка ротора по отношению к обратному потоку действует как демпфирующий контур. В результате этого при малом скольжении ротора результирующий поток однофазного двигателя в некоторых случаях может быть близким к вращающемуся.

Рис. 4.52. Схема замещения однофазного асинхронного двигателя

Вызванный обратным потоком ток ротора увеличивает реактивную составляющую тока статора, вследствие чего ток статора однофазного двигателя при холостом ходе больше, а коэффициент мощности (cos φ) меньше, чем трехфазного. Кроме того, из-за добавочных потерь, обусловленных обратным потоком, полные электрические потери однофазного двигателя больше и к. п. д. его ниже. Максимальный момент однофазного двигателя меньше, чем трехфазного.

В результате взаимодействия моментов, создаваемых прямым и обратным потоками, максимальный момент однофазного двигателя зависит от величины, активного сопротивления обмотки ротора (рис. 4.53). Для случаев, представленных на рис. 4.53, сопротивления обмотки ротора взяты таким образом, чтобы s_ka< s_kб < s_kв = 1, где s_ka, s_kб и s_kв критические скольжения для случаев а, б и в, представленных на рисунке. Если активное сопротивление ротора настолько велико, что s_k ≥ 1, то результирующий момент М является тормозным (рис. 4.53, в) и работа двигателя невозможна ни при каком скольжении.

Пуск однофазного двигателя. Для создания пускового момента на статоре однофазного двигателя помещают дополнительную пусковую обмотку, которую располагают под углом 90 эл. град к основной. При сдвиге по фазе тока дополнительной обмотки по отношению к току основной создается вращающееся в большинстве случаев эллиптическое поле и возникает пусковой момент. Обычно основная обмотка А занимает 2/3 пазов, а дополнительная пусковая В — 1/3. Основную и дополнительную обмотки соединяют по одной из схем, приведенных на рис. 4.54.

Следует заметить, что сдвиг токов на 90 эл. град можно получить лишь при включении в цепь дополнительной обмотки емкости (рис. 4.54, в). При включении пусковой обмотки, в цепи которой имеются токосмещающие элементы, разгон двигателя происходит по кривой 1. При отсутствии пусковой обмотки зависимость момента от скольжения представлена кривой 2. На рисунке видно, что при малых скольжениях (порядка 0,1) кривая 1 пересекает кривую 2 и располагается ниже ее. Следовательно, при малых скольжениях момент двигателя при включенной пусковой обмотке становится меньше, поэтому пусковую обмотку рассчитывают на кратковременную работу, и после достижения скорости вращения порядка 70 ÷ 80% номинальной ее отключают центробежным выключателем или с помощью реле, характеристика переходит с точки а в точку б, и дальнейший разгон происходит по кривой 2 двигателя с одной обмоткой на статоре. В точке в, в которой момент механической характеристики равен номинальному М_н, устанавливается режим работы двигателя. Нерабочие участки кривых на рисунке показаны пунктиром.

После отключения пусковой обмотки двигатель работает как однофазный с одной обмоткой на статоре.

Рис. 4.53. Моментные характеристики однофазного асинхронного двигателя при различных активных сопротивлениях обмотки ротора

Рис. 4.54. Схемы соединения, векторные диаграммы токов обмоток и моментные характеристики двигателей: а — с пусковым активным сопротивлением; б — с пусковой индуктивностью; в — с пусковой емкостью

Конденсаторные двигатели. Однофазные двигатели, в цепь обмотки статора которых включена емкость, называются конденсаторными. Конденсаторные двигатели, питаемые от однофазной сети, по способу образования магнитного поля чаще всего являются двухфазными. Двигатели имеют на статоре две обмотки, обычно с неодинаковым числом витков, оси которых сдвинуты в пространстве на 90° (рис. 4.55, а).

Вследствие временного сдвига тока в подключенной через конденсатор обмотке В создается вращающаяся м. д. с, которая является круговой в случае, если м. д. с. фаз обмоток F_a и F_b равны и сдвинуты по времени на 90 эл. град. Это условие (рис. 4.55, б) может выполняться только при определенном подборе емкости, напряжений и чисел витков обмоток А и В. При изменении скорости вращения двигателя изменяются сопротивления обмотки В,

Рис. 4.55. Управляемый конденсаторный двигатель: а — схема соединения обмоток; 6 — векторная диаграмма

Рис. 4.56. Схема конденсаторного двигателя с рабочей и пусковой емкостью

вследствие чего напряжение между обмоткой и конденсатором U_k перераспределяется, что вызывает изменение величины и фазы тока I_в. Поэтому равенство м. д. с. F_a и F_b при данном соотношении чисел витков и напряжений обмоток существует только при одной определенной скорости вращения. Таким образом, круговое поле в двигателе имеет место лишь при определенном значении емкости

конденсатора, скорости вращения, напряжения и чисел витков обмоток. При изменении какой-либо из этих величин (например, скорости вращения) поле становится эллиптическим.

Иногда для того, чтобы при новой скорости вращения получить круговое поле, изменяют напряжение на обмотке А и величину емкости конденсатора (рис. 4.55). При некоторых соотношениях напряжений на обмотках и чисел их витков ни при какой скорости вращения невозможно подобрать такую емкость, чтобы получить круговое поле.

В случае, когда поле однофазного конденсаторного двигателя близко к круговому, его рабочие характеристики приближаются к характеристикам трехфазного двигателя, а некоторые пусковые могут быть даже более благоприятными.

Конденсаторные двигатели выполняются с пусковой (см. рис. 4.54, в), с пусковой и рабочей (рис. 4.56) или только с постоянно включенной рабочей емкостью (см. рис. 4.55, а).

В двигателях с пусковой емкостью круговое магнитное поле создается в момент пуска. По мере разгона двигателя поле становится резко эллиптическим. При достижении скорости порядка 80% номинальной пусковая обмотка отключается центробежным выключателем или при помощи реле. Поэтому рабочие характеристики такие же, как и у обычных однофазных двигателей с однофазной обмоткой на статоре. Пусковые характеристики двигателей с пусковой емкостью являются весьма благоприятными: пусковой момент М_п = (1,7 ÷ 2,4)М_н, пусковой ток I_п = (3 ÷ 5)I_н.

В двигателях с постоянно включенной рабочей емкостью круговое поле создается при номинальном или близком к нему режимах. Двигатели имеют хорошие рабочие характеристики: повышенный момент, коэффициент мощности (cosφ =0,8÷0,95) и к. п. д. (η = 65÷75%). В момент пуска поле становится резко эллиптическим, в результате чего двигатели имеют небольшой пусковой момент, обычно не превышающий 30% от номинального. Такие двигатели применяются только для легких условий пуска.

В двигателях спусковой и рабочей емкостями на время пуска параллельно с рабочей емкостью включается значительная пусковая емкость, в результате чего поле при пуске приближается к круговому. Пусковой момент у двигателей приблизительно такой же, как и у двигателей с одной пусковой емкостью, а пусковой ток несколько больше I_п = (4÷6)I_н. При скорости вращения, близкой к номинальной, пусковая емкость отключается, и вращающееся поле создается за счет рабочей емкости, поэтому данные двигатели имеют такие же рабочие характеристики, как и двигатели с одной рабочей емкостью.

Если после окончания пуска не отключить пусковую емкость, поле становится резко эллиптическим, и рабочие характеристики значительно ухудшаются.

Трехфазный асинхронный микродвигатель при двух- и однофазном питании. Асинхронный короткозамкнутый микродвигатель, на статоре которого помещена трехфазная обмотка, обычно имеет шесть выводных концов (начало и конец каждой фазы). В зависимости от соединения соответствующим образом фаз обмотки статора двигатель может работать как трехфазный (рис. 4.57, а), однофазный с пусковым сопротивлением (рис. 4.57, б), как однофазный конденсаторный с пусковой емкостью (рис. 4.57, в), с постоянно

Рис. 4.57. Схемы соединения асинхронного микродвигателя: а — трехфазная; б — однофазная с пусковым сопротивлением; в — однофазная с пусковой емкостью; г — однофазная с рабочей емкостью; д — однофазная с пусковой и рабочей емкостями

включенной рабочей емкостью (рис. 4.57, г) и с пусковой и рабочей емкостями (рис. 4.57, д). При однофазном питании двухфазная обмотка двигателя образуется путем последовательного соединения двух фаз трехфазной обмотки статора и параллельного соединения третьей фазы через емкость или сопротивление. Существуют и другие схемы. Во всех случаях напряжение питания равно линейному напряжению трехфазной сети.

чем трехфазного (cosφ_III) и однофазного (cosφ_I) за счет емкостного тока конденсатора.

Иногда промышленный трехфазный короткозамкнутый асинхронный двигатель используют как однофазный конденсаторный (рис. 4.61). В этом случае его мощность должна быть снижена примерно до 3/4 номинальной.

В случае присоединения трехфазного двигателя к однофазной сети, м. д. с. высших пространственных гармоник проявляется

Рис. 4.58. Моментные характеристики асинхронного двигателя при различных схемах питания

Рис. 4.59. Зависимость мощности и тока статора асинхронного двигателя от момента при различных схемах питания

в большей степени, чем при трехфазном питании. В результате этого увеличиваются паразитные моменты.

Отсутствие малогабаритных конденсаторов замедляет развитие конденсаторных двигателей. В настоящее время габариты конденсаторов иногда в несколько раз превышают габариты самих двигателей, что создает определенное неудобство.

Двигатель с короткозамкнутыми витками на полюсах. Двигатели с экранирующими короткозамкнутыми витками на полюсах отличаются простотой конструкции. Они имеют короткозамкнутый ротор. Статорная обмотка выполняется в виде катушек 1 (рис. 4.62), которые надеваются на неподвижные полюсы. На каждом полюсе имеется паз, который делит полюсный наконечник на две неравные части. Меньшая часть полюсного наконечника экранируется короткозамкнутым витком 2. Магнитный поток в экранированной области полюса отстает по фазе от основного, в результате чего создается вращающееся эллиптическое магнитное поле.

Так как обмотка статора выполняется не распределенной, а сосредоточенной, то в кривой м. д, с. появляются высшие простран-

ственные гармоники, из которых наибольшей является третья. В результате действия третьей гармоники механическая характеристика двигателя имеет провал при скорости вращения, близкой к 1/3 синхронной.

Основными потерями двигателя являются потери в корот-козамкнутом витке, которые не зависят от нагрузки. Двигатели с экранированными полюсами имеют пониженные к. п. д., максимальный и пусковой моменты. Для улучшения характеристик двигателей между полюсами размещают магнитные шунты 3 (рис. 4.62), которые имеют вид стальных пластинок. Под действием шунтов увеличивается экранированный магнитный поток полюса, в результате чего вращающееся поле в большей степени приближается к круговому. Для этой же цели в некоторых случаях зазор под участком экранированной части полюса делают меньшим, чем под неэкра-нированной.

Двигатели с экранированным полюсом могут долго находиться под напряжением при заторможенном роторе и не боятся частых пусков и внезапных остановок. Обычно двигатели выполняются мощностью 0,5—30 вт и применяются в тех случаях, когда пусковой момент не превышает 0,2÷0,6 номинального.

Паразитные моменты. В трехфазной обмотке третьи пространственные гармоники фазных м. д. с. компенсируют друг друга и не оказывают существенного влияния на работу машины. В двигателях, имеющих на статоре однофазную и двухфазную обмотку, третьи гармоники м. д. с. не компенсируются и, если обмоточный коэффициент этой гармоники не близок нулю, их результирующая м. д. с. достигает значительной величины.

Магнитодвижущая сила третьей гармоники однофазной обмотки является пульсирующей, а двухфазной — чаще всего вращающейся эллиптической. В обоих случаях м. д. с. может быть разложена на волны, прямо и обратно вращающиеся со скоростью, равной 1/3 синхронной.

Рис. 4.60. Зависимость к. п. д. и коэффициента мощности асинхронного двигателя от момента при различных схемах питания

Рис. 4.61. Схема соединения трехфазного двигателя при включении его в однофазную сеть: а — обмотка статора, соединена в звезду; б — обмотка статора соединенная в треугольник

Вращающиеся поля третьих гармоник наводят в роторе токи, которые в результате взаимодействия с этими же полями создают асинхронные моменты. Обратно вращающееся поле неподвижно относительно ротора при его вращении встречно полю основной гармоники со скоростью, равной ¹/₃ синхронной, что соответствует скольжению s = 1¹/₃ по отношению к синхронному полю. При скольжении s < 1¹/₃ асинхронный момент М'₃, создаваемый об-

Рис. 4.62. Схема двигателя с короткозамкнутыми витками на полюсах: 1 — катушка; 2 — короткозамкнутый виток; 3 — магнитные шунты

Рис. 4.63. Влияние третьей пространственной гармоники м. д. с. на кривую момента двигателя

ратно вращающимся полем третьей гармоники, является тормозным (рис. 4.63). При вращении ротора в прямом направлении со скоростью, равной ¹/₃ синхронной, что соответствует скольжению s = ²/₃, поле прямо вращающейся третьей гармоники является неподвижным относительно ротора, поэтому создаваемый им асинхронный момент М₃ в этом случае равен нулю. В диапазоне скольжений 1 ≥ s > ²/₃ поле прямо вращающейся третьей гармоники вращается быстрее ротора и асихронный момент М₃ является двигательным. При s < ²/₃ и при s > 1 асинхронный момент М₃ является тормозным. В первом случае асинхронная машина работает в генераторном режиме по отношению к прямо вращающемуся полю третьей гармоники, во втором случае — в режиме электромагнитного тормоза.

В результате совместного действия электромагнитного вращающего момента, создаваемого полем основной гармоники (M₁), обратно вращающимся полем третьей гармоники (М'₃) и ее прямо вращающимся полем (М₃) создается электромагнитный момент М, который имеет провалы при скольжении, s = 1¹/₃ и s = ²/₃

(рис. 4.63). В рабочем диапазоне скольжений s от 1 до 0 асинхронный момент M'₃, создаваемый обратно вращающимся полем третьей гармоники, уменьшает электромагнитный момент M двигателя.

Провал момента M, создаваемый прямо вращающимся полем третьей гармоники, при s = ²/₃ осложняет асинхронный пуск двигателя и в случае значительного момента сопротивления вращению ротор двигателя может застревать и устойчиво вращаться при скорости, близкой к 1/3 синхронной, что соответствует скольжению s = 2/3. Известно, что при двухфазной обмотке статора в случае кругового поля первой гармоники прямое поле третьей гармоники отсутствует. В результате этого исчезает провал в кривой момента при скольжении, близком к 2/3. Обратное поле третьей гармоники уменьшает момент двигателя и увеличивает реактивную составляющую тока статора. Это происходит потому, что машина находится в тормозном режиме относительно обратно вращающегося поля третьей гармоники, в связи с чем уменьшаются коэффициент мощности и к. п. д. двигателя.

Для уменьшения полей третьей гармоники двигатели, имеющие на статоре однофазную или двухфазную обмотку, должны иметь укорочение шага обмотки, близкое к ¹/₃. Другие высшие пространственные гармоники, например пятая и седьмая, также создают свои паразитные моменты, поэтому желательно обмотку статора делать синусной.

ВОПРОСЫ

1.   Почему двигатели с однофазной обмоткой на статоре не имеют начального пускового момента? Каким образом может быть создан вращающийся поток двигателя при наличии однофазной сети? Какую схему соединения обмоток статора имеют конденсаторные двигатели? Каковы преимущества конденсаторных двигателей по сравнению с двигателями, имеющими на статоре однофазную обмотку? Какое действие оказывает короткозамкнутый виток, экранирующий часть полюса?

2.   Чем вызван провал в кривой момента однофазных двигателей при скорости вращения, близкой к 1/3 синхронной? Каким образом могут быть уничтожены паразитные моменты?

Содержание  Главная (библиотека)
Предыдущий § Следущий