Однофазные асинхронные двигатели

Основное достоинство трехфазной системы напряжений заключается в возможности достаточно просто получить вращающееся магнитное поле, положенное в основу принципа действия трехфазных двигателей.

Однако использование трехфазных асинхронных двигателей ограничено необходимостью иметь трехфазное напряжение. Наряду с трехфазными двигателями широкое распространение получили однофазные асинхронные двигатели, т. е. двигатели, подключаемые к сети однофазного тока. Область использования однофазных асинхронных двигателей очень широка, но в большинстве случаев речь идет о двигателях малой мощности. Основной задачей при разработке таких двигателей является проблема получения вращающегося магнитного поля или поля близко к вращающемуся. Такое поле машины может быть получено различными способами. Однако для начала рассмотрим один из режимов работы однофазного асинхронного двигателя.

Рабочая обмотка однофазного двигателя расположена на статоре и питается от однофазной сети. Ток этой обмотки создает пульсирующее магнитное поле. К пульсирующему магнитному полю относят такое магнитное поле, когда в каждой точке воздушного зазора машины индукция изменяется по синусоидальному закону во времени, а амплитуда колебаний индукции зависит от пространственного угла, определяющего положение этой точки в воздушном зазоре. Максимальная амплитуда индукции имеет место в точках, совпадающих с серединой обмотки.

Конфигурация распределения индукции в зазоре при круговом поле в различные моменты времени была представлена ранее и характеризуется тем, что при синусоидальном распределении индукции все поле вращается вокруг оси ротора со скоростью, определяемой частотой сети. Как уже показано ранее, пульсирующее магнитное поле машины можно рассматривать в виде суммы двух вращающихся магнитных полей. Следовательно, асинхронный двигатель при пульсирующем поле может рассматриваться как два трехфазных одинаковых двигателя, роторы которых расположены на одной оси, а статорные обмотки включены таким образом, что магнитные поля вращаются в пространстве в противоположных направлениях. При неподвижном роторе двигатели создают механические моменты, равные по величине и противоположные по направлению. Результирующий механический момент в этом случае будет равен нулю, и запустить такой двигатель при моменте сопротивления, не равном нулю, невозможно. Однако однофазный двигатель при пульсирующем поле имеет свою механическую характеристику, которая получается путем сложения механических характеристик двух трехфазных двигателей, эквивалентных одному однофазному, как об этом говорилось ранее.

 

Рис. 6.65

Если за положительное направление вращения принять вращение ротора в направлении вращения первого магнитного поля, то механическая характеристика первого трехфазного двигателя будет представлена кривой (рис. 6.65),
а второго - .

Механическая характеристика однофазного двигателя с пульсирующим полем представлена зависимостью , характеристики ординаты которой равны алгебраической сумме ординат исходных механических. При двигатель не может быть запущен. Условия для вращения ротора в том или другом направлении совершенно одинаковы, и если с помощью внешних устройств довести вращение ротора до значений скольжений, близких к нулю или к двум, двигатель будет работать при определенных моментах, соответствующих восходящим участкам механической характеристики.

Для запуска однофазного двигателя и для последующей его нормальной работы необходимы дополнительные устройства, позволяющие получить в двигателе вращающееся или близкое к вращающемуся магнитное поле на время пуска. Для создания такого поля на статоре располагается дополнительная обмотка, по конструкции сходная с рабочей обмоткой, но расположенная в пространстве таким образом, что направление магнитного потока, создаваемого этой обмоткой, не совпадает с направлением основного магнитного потока на 90 °. Такая дополнительная обмотка питается от той же сети, что и основная или рабочая обмотка, но для получения поля, близкого к вращающемуся магнитному полю, необходимо обеспечить фазовый сдвиг между токами рабочей и дополнительной обмотками на четверть периода. Для этого используются, как правило, конденсаторы, включаемые последовательно с дополнительной обмоткой. Емкость конденсатора можно выбрать таким образом: ток обмотки в момент пуска двигателя при скольжении, равном единице, будет опережать по фазе ток рабочей обмотки на 90 °. В момент пуска поле машины становится практически круговым вращающимся, и двигатель развивает достаточно большой пуско­вой момент.

Дополнительная обмотка с конденсатором может быть оставлена включенной в сеть и после работы, но при вращающемся роторе электрические параметры обмотки отличны от аналогичных параметров при заторможенном роторе. Для обеспечения необходимого фазового сдвига между током рабочей и током дополни­тельной обмотки емкость конденсатора следует уменьшить.

На практике последовательно с дополнительной обмоткой включают два конденсатора, один из которых называется пуско­вым, а другой – рабочим, причем пусковой конденсатор подключается только лишь на время пуска. Если двигатель эксплуатируется в условиях, когда нет необходимости иметь большой пусковой момент (например, в вентиляторном режиме), однофазные двигатели, имеющие дополнительные обмотки, включаются в сеть без пускового конденсатора.

Однофазные двигатели с пусковым и рабочим конденсатором называют конденсаторными. Общая схема включения конденсаторных двигателей представлена на рис. 6.66.

Рис. 6.66

 

Двигатель имеет две обмотки, расположенные на статоре:
– рабочая обмотка, – пусковая обмотка, – рабочий конденсатор, – пусковой конденсатор, – ротор двигателя.

Рис. 6.67

Пуск двигателя осуществляется следующим образом. Двигатель подключается к однофазной цепи при замкнутом ключе . При замкнутом ключе последовательно с пусковой обмоткой включен конденсатор с эффективной емкостью, равной сумме емкостей конденсаторов. На рис. 6.67 представлены механические характеристики двигателя при отсутствии пусковой обмотки , двигателя с пусковой обмоткой и рабочим конденсатором , включенным последовательно с ней , и двигателя с пусковой обмоткой и рабочим и пусковым конденсаторами ( и ), включенными в соответствии со схемой, изображенной на рис. 6.66.

Как следует из механических характеристик, при замкнутом ключе (пусковой конденсатор подключен) двигатель развивает достаточно большой пусковой момент , и частота вращения ротора увеличивается. При достижении скольжения, близкого к критическому (), пусковой конденсатор можно отключить, и двигатель будет продолжать работать в соответствии с механической характеристикой .

Рис. 6.68

Трехфазные асинхронные двигатели могут быть использованы и широко используются при питании от однофазной сети. Схемы включения трехфазных двигателей при питании от однофазной сети показаны на рис. 6.68.

 

Величина емкости конденсатора может быть определена приблизительно, исходя из следующих соотношений:

и ,

где - мощность двигателя в киловаттах.

Используются и другие схемы включения трехфазных двигателей в однофазном режиме. В зависимости от режима нагрузки емкость конденсаторов можно подобрать таким образом, что напряжение на зажимах двигателя будет близко к номинальному напряжению.