АСИНХРОННЫЕ
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ

7. ОДНОФАЗНЫЕ АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

В различных бытовых и промышленных приборах широкое распространение получили однофазные асинхронные двигатели малой мощности.

Однофазные асинхронные двигатели имеют на статоре рабочую обмотку, подключаемую к однофазной сети переменного тока, и вспомогательную, которая чаще всего соединяется с однофазной сетью переменного тока кратковременно только в период пуска двигателя. Роторная обмотка, как правило, выполняется короткозамкнутой в виде беличьей клетки.

В качестве однофазного асинхронного двигателя может быть использован трехфазный двигатель с отсоединенной одной из фаз статора. Мощность, развиваемая таким электродвигателем при однофазном включении, составляет 50—60% номинальной мощности двигателя при трехфазной схеме включения. Отличительной особенностью однофазных двигателей от трехфазных является создание статором не вращающегося, а пульсирующего поля и пульсирующей магнитодвижущей силы (м. л. с). Это пульсирующее магнитное поле может быть условно разложено на два поля, вращающихся в противоположные стороны с одинаковой скоростью. Амплитуда каждого из этих полей равна половине амплитуды пульсирующего поля Ф/2 (рис. 27,а).

Для лучшего понимания принципов работы однофаз­ный двигатель может быть эквивалентно заменен двумя одинаковыми трехфазными двигателями, роторы которых закреплены на одном валу, а обмотки статора a1, b1, c1 и a2, с2, b2 соединены последовательно с различным порядком следования фаз. Создаваемые ими магнитные поля при этом вращаются в противоположные стороны с одинаковыми амплитудами, равными Ф/2, и частотами n (рис. 27,б). В свою очередь, эти два двигателя могут быть эквивалентно заменены одним трехфазным двигателем (рис. 27,в) с двумя последовательно соединенными одинаковыми трехфазными обмотками также с различным порядком следования фаз a1, b1, c1 и a2, с2, b2, создающими вращающиеся в противоположные стороны магнитные поля.

Рис. 27. Принцип работы однофазного асинхронного двигателя.

В рассматриваемых случаях индуктируемые в обмотках ротора с помощью двух вращающихся полей статора токи вступают во взаимодействие с этими полями и создают при неподвижном двигателе равные и взаимно противоположные электромагнитные моменты М1, М2 (рис. 28). При этом начальный результирующий суммарный момент М равен нулю и однофазный электродвигатель при таком конструктивном исполнении и схеме соединения не может тронуться с места, даже в случае отсутствия тормозного момента на валу, т. е. пусковой момент однофазного асинхронного электродвигателя равен нулю. При вращении ротора в каком-либо направлении одна из вращающихся м. д. с. перемещается в том же направлении, что и ротор. Она обеспечивает тот же характер изменения момента на валу М1 в зависимости от скольжения s, что и в трехфазном асинхронном двигателе, т. е. при разгоне двигателя, когда скольжение s уменьшается, момент М1 возрастает до некоторого значения Ммакс, а при s = 0 становится равным нулю. В то же время вращающаяся в обратном направлении относительно ротора м. д. с. обеспечивает режим электромагнитного тормоза. При этом в роторе наводятся токи повышенной частоты, что обусловливает увеличение индуктивного  сопротивления  ротора.  Соответственно  момент М2, создаваемый обратновращающейся м. д. с, снижается от некоторой величины Ммакс и т. д.

Рис. 28. Зависимости электромагнитных вращающих моментов однофазного асинхронного двигателя под дей­ствием прямовращающего М1, обратновращающего М2 магнитного поля и результирующего момента М от скольжения. s — скольжение ротора относительно прямого поля; 2—s — скольжение  ротора  относительно  обратного поля.

Результирующий момент M = М1—М2, направленный в сторону вращения ротора, считается положительным (на рис. 28 изображен вверх от оси абсцисс). Тормозной момент М2 направлен в противоположном направлении и является отрицательным (на рис. 28 изображен ниже оси абсцисс). Как видно из приведенной характеристики, условия работы однофазного асинхронного двигателя при вращении ротора в ту или другую сторону одинаковы. Как уже было отмечено выше, при s = l М = 0, т. е. двигатель не может самостоятельно начать вращение при наличии лишь одной рабочей обмотки на статоре. Подобным образом ведет себя трехфазный двигатель при перегорании предохранителя или обрыве провода в одной фазе питающей сети. Если это повреждение произошло у двигателя при неподвижном роторе, то при пуске ротор не придет во вращение; если повреждение произойдет при вращающемся роторе, двигатель будет продолжать работать, но мощность его снизится на 40— 50%.

Рис. 29. Схема использования трехфазного асинхронного двигателя в качестве конденсаторного однофазного двигателя

Для приведения во вращение к двигателю необходимо приложить некоторый начальный вращающий момент. При этом направление вращения ротора будет определяться направлением вращения этого начального момента. Для пуска двигателя не только вхолостую, но и с некоторым тормозным моментом на валу предусматриваются специальные конструктивные приспособления.

Чтобы обеспечить вращающееся магнитное поле, на статоре двигателя должны располагаться обмотки с осями, сдвинутыми в пространстве, и соответственно с токами в этих обмотках, сдвинутыми во времени. Для этого на статоре однофазного двигателя устанавливается дополни­тельная пусковая обмотка, в которой создается ток, сдвинутый во времени относительно тока в основ­ной рабочей обмотке. Рабочая обмотка, как правило, занимает 2/3 полюсного деления, а пусковая обмотка 1/3 пазов статора. Оси обмоток сдвинуты в пространстве на угол примерно 90 эл. град.

При необходимости включения обыкновенного трехфазного двигателя с обмотками статора, соединенными в звезду, в однофазную сеть переменного тока одна из фазных обмоток может быть использована в качестве пусковой. Другие две обмотки соединяются последовательно и используются как рабочая обмотка однофазного асинхронного двигателя. Рабочая и пусковая обмотки подключаются к однофазной сети по схеме на рис. 29. Для сдвига тока пусковой обмотки во времени относительно тока рабочей обмотки в цепь пусковой обмотки включается фазосмещающий элемент — дополнительное сопротивление, или чаще емкость С (конденсатор). Индуктивное или активное сопротивление (резистор) для этой цели используются реже — лишь при легких условиях пуска двигателя.

Двигатели, использующие конденсаторы при работе от однофазной сети переменного тока, получили название конденсаторных.

Емкость подбирается обычно так, чтобы обеспечить сдвиг тока в рабочей обмотке на 90° по отношению к пусковой обмотке при s, равном 1. В этом случае при трогании с места двигатель будет иметь круговое вращающееся поле и развивать значительный пусковой момент.

При достижении частоты вращения примерно 75% синхронной емкость автоматически отключается центробежным выключателем или реле времени. В ряде случаев часть емкости остается включенной и при работе двигателя, что обеспечивает ослабление обратновращающегося поля и улучшает коэффициент мощности двигателя.

Одновременно с изменением моментов M1, М2, создаваемых рабочими обмотками статора, происходит перераспределение напряжений на их зажимах a1, b1, c1; a2, с2, b2 (см. рис. 27,б, в). Напряжение на одной из последовательно соединенных обмоток, например а (рис. 29), возрастает по мере увеличения частоты вращения ротора в направлении поля, создаваемого этой обмоткой. Это напряжение становится близким к полному напряжению сети. В то же время напряжение на другой обмотке b снижается до пренебрежимо малой величины. В связи с этим в однофазном асинхронном двигателе сравнительно большие поток и намагничивающий ток I0, чем у трехфазного двигателя. Это приводит к снижению cos φ однофазных двигателей по сравнению с трехфазными.

Сравнивая характеристики двигателей, можно прийти   к   выводу,   что   коэффициент   полезного действия и перегрузочная способность однофазных двигателей также меньше, чем трехфазных. Снижение к. п. д. объясняется повышенными потерями в меди обмотки ротора однофазного двигателя из-за наличия двух токов, возникающих под воздействием прямовращающейся и обратновращающейся м. д. с. Снижение перегрузочной способности однофазных двигателей вызвано встречным воздействием   тормозящего   момента   М2 (см. рис. 28), создаваемого обратновращающимся полем. Этот же фактор вызывает снижение диапазона регулирования частоты вращения однофазных двигателей по сравнению с трехфазными двигателями.

Необходимо отметить, что введение добавочного сопротивления в цепь ротора однофазного двигателя приводит к снижению максимального вращающего момента. В связи с этим регулирование частоты вращения за счет включения добавочного сопротивления в цепь ротора должно применяться лишь в ограниченных пределах. При таком регулировании в некоторых случаях возможна неустойчивая работа или даже полная остановка двигателя при перегрузках. В то же время следует помнить, что введение добавочного сопротивле­ния в цепь ротора трехфазного асинхронного двигателя практически не влияет на величину максимального момента в рабочем диапазоне частот вращения.

Одной из разновидностей однофазных асинхронных двигателей является двигатель с расщепленными полю­сами статора и короткозамкнутым ротором [Л. 5]. 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 близко к вращающемуся круговому.

Потери в короткозамкнутых витках такого двигателя довольно значительны и практически не зависят от вращающегося момента. В соответствии с этим потребляемая мощность мало меняется при работе как па холостом ходу, так и при номинальном режиме. Кроме того, из-за больших потерь температура обмотки также практически не зависит от нагрузки. Благодаря этому обмотка статора может длительное время находиться под напряжением, даже при неподвижном роторе. Двигатели допускают частые пуски и внезапные остановки.

Ввиду сравнительной простоты конструктивного исполнения, отсутствия дорогостоящих фазосмещающих элементов, высокой надежности работы двигатели с расщепленными полюсами нашли применение в приводах вентиляторов, магнитофонов, проигрывателей, стиральных машин и др. Мощности их ограничиваются десятками — сотнями ватт. Однако они обладают наиболее низкими пусковыми и рабочими параметрами (к. п. д., cos φ, перегрузка).

Конденсаторные однофазные двигатели, как правило, используются в тех случаях, когда требуются большие пусковые моменты: в рефрижераторах, компрессорах, кондиционерах и др. Они изготавливаются на мощности свыше 50 Вт и выпускаются в едином конструктивном исполнении с электролитическими конденсаторами, которые крепятся непосредственно на его корпусе.

Однофазные двигатели с повышенным сопротивлением в цепи пусковой обмотки выпускаются на мощности до нескольких сотен ватт и используются в приборах и аппаратах, где не требуется больших пусковых моментов (медицинский инструмент, холодильники, стиральные машины и др.).

Более подробную информацию об однофазных асинхронных двигателях можно найти в  [Л. 5, 6, 12].

В настоящее время нашей промышленностью выпускаются однофазные асинхронные двигатели со встроенным пусковым сопротивлением типа АОЛБ в диапазоне мощности 18—600 Вт, при частоте вращения 1500 и 3000 об/мин. Эти двигатели применяются, когда не требуются большие пусковые моменты (стиральные машины, холодильники, медицинские аппараты и т. п.) и имеют следующие характеристики:

отношение пускового момента к номинальному 1-1,2;

отношение максимального момента к номинальному 1,4-2,2;

коэффициент полезного действия для двигателей нулевого и 1-го габаритов 0,22—0,55;

то же для двигателей 2-го и 3-го габаритов 0,47— 0,69;

коэффициент мощности 0,62—0,72; отношение пускового тока к номинальному 6,5—9,0. Помимо указанных выпускаются однофазные асинхронные двигатели с отключаемой пусковой обмоткой и пусковым конденсатором типа АОЛГ с более высоким пусковым моментом для привода механизмов с тяжелыми условиями пуска. По мощности и рабочим характеристикам двигатели АОЛГ идентичны двигателям АОЛБ   соответствующих   габаритов,    но   по   пусковым характеристикам они значительно лучше: кратность пускового момента примерно в 2 раза больше, а кратность пускового тока в 2 раза меньше.