ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

Глава   десятая
АСИНХРОННЫЕ  МАШИНЫ

10.19. ОДНОФАЗНЫЕ АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

В системах автоматического управления, бытовых приборах и промышленных устройствах находят применение однофазные асинхронные двигатели малой мощности. Для питания однофазных двигателей требуется однофазная сеть, имеющая два провода вместо трех проводов трехфазной сети, что дает в одних случаях экономическую выгоду, в других — удобство в эксплуатации. Однофазные двигатели применяются и в установках средней мощности (несколько десятков киловатт), где их использование целесообразно экономически (два провода вместо трех) и по условиям эксплуатации, например в транспортных устройствах шахт. Среди большого разнообразия однофазных двигателей наибольшее распространение получили двигатели с короткозамкнутой обмоткой ротора: ротор и его обмотка выполнены так же, как и у трехфазных двигателей. Статор таких двигателей бывает с явновыраженными полюсами и короткозамкнутым витком (рис. 10.39, а) — его далее будем называть двигателем А и с неявновыраженными полюсами и двумя обмотками (рис. 10.39, б) его далее будем называть двигателем Б.

Двигатели имеют рабочую 1 и пусковую 2 обмотки. Рабочая обмотка двигателя А (см. рис. 10.39, а) состоит из определенного числа витков изолированного провода и включается в сеть однофазного тока. Пусковая обмотка имеет всего один виток толстой проволоки, охватывающей часть сечения полюса.

Рабочая и пусковая обмотки двигателя Б (рис. 10.39, б) расположены в пазах, как и у трехфазных двигателей. Обмотки сдвинуты в пространстве на 90°. Рабочие обмотки 1 двигателей

Рис. 10.39. Устройство однофазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым витком (а) и с пусковой обмоткой (б)

А и Б включаются в сеть однофазного тока. Ток, возникающий в обмотках 1 двигателей, создает неподвижное в пространстве пульсирующее с частотой сети магнитное поле, которое наводит в обмотке ротора ЭДС и ток. Однако легко показать, используя правила правой и левой руки, что в результате взаимодействия тока ротора с магнитным полем возникают силы (рис. 10.40, а), результирующий момент которых относительно оси вращения оказывается равным нулю. Без дополнительных устройств двигатели не развивают момента и самостоятельно разогнаться не могут. Если же ротору внешним усилием придать небольшую скорость, он начнет развивать момент и разгонится самостоятельно до установившейся скорости, определяемой моментом нагрузки. Это объясняется тем, что в обмотке ротора вследствие того, что она пересекает магнитное поле, возникают еще одна ЭДС и ток и в результате взаимодействия этого тока с полем статора создается вращающий момент. Для выяснения характера зависимости n = f(М) (механической характеристики двигателя) производят разложение пульсирующего магнитного потока на два вращающихся потока. Неподвижный в пространстве, изменяющийся во времени синусоидально магнитный поток эквивалентен двум одинаковым неизменным по значению и вращающимся в разные стороны с постоянной угловой частотой магнитным потокам (рис. 10.40, б), которые равны половине амплитудного значения неподвижного потока.

Докажем справедливость такой эквивалентности. Результирующий магнитный поток (см. рис. 10.40, б) равен герметической сумме составляющих Ф и Ф2:

Ф = Ф1 + Ф2.

Рис 10.40 К пояснению принципа действия однофазного двигателя (а) и (б), механические характеристики однофазного асинхронного двигателя (в)

Так как Ф1 = Ф2 = Ф'm/2, то

Ф = 2Ф1 cos (90° - ωt) = 2Фm/2 cos (90° - ωt) = Фm sin ωt.

Разложив таким образом неподвижный в пространстве изменяющийся во времени по закону синуса магнитный поток Ф на два вращающихся в разные стороны с одинаковой угловой частотой потока, можно рассматривать однофазный двигатель как состоящий из двух трехфазных двигателей с одним валом. У одного из них поток Ф1 вращается по часовой стрелке (прямое поле), у другого поток Ф2 вращается против часовой стрелки (обратное поле). Каждый из двигателей развивает момент, действующий в сторону вращения магнитного поля, и имеет механическую характеристику, как и двигатель трехфазного тока (рис 10.40, в). Результирующий момент, создаваемый двигателем, будет равен сумме моментов:

M = M1 + M2.

Из рис. 10.40, в видно, что при n = 0 момент М = 0. Для создания начального момента и улучшения механической характеристики двигатель А снабжен короткозамкнутым витком 2 (см. рис. 10.39, а), а в цепь пусковой обмотки 2 двигателя Б (см. рис. 10.39, б) последовательно включается конденсатор С (рис. 10.41, а). По этой причине такие однофазные двигатели называют конденсаторными. Короткозамкнутый виток двигателя А и пусковая обмотка конденсаторного двигателя Б создают дополнительные магнитные потоки.

На рис. 10.41, б изображена векторная диаграмма для двигателя А, а на рис. 10.41, в — для конденсаторного двигателя Б.

Рис. 10.41. Схема включения однофаз- ного конденсаторного асинхронного двига- теля (а); векторные диаграммы, поясняю- щие принцип дей- ствия однофазного асинхронного двига- теля с короткозамк- нутым витком (б) и конденсаторного (в)

Часть главного магнитного потока Ф', сцепленная с короткозамкнутым витком, наводит в нем ЭДС Ек. Эта ЭДС вызывает в витке ток Iк, отстающий по фазе от ЭДС Ек на угол φк. Ток в свою очередь создает магнитный поток Фк. Результирующий поток Ф'к, равный геометрической сумме потоков Фк и Ф', отстает по фазе от главного потока на угол ψ.

Емкость конденсатора, включенного последовательно с пусковой обмоткой двигателя (Б), подбирают такого значения, при котором его емкостное сопротивление больше индуктивного сопротивления пусковой обмотки. В результате ток в пусковой обмотке будет опережать по фазе напряжение на угол φп , а в рабочей обмотке отставать от него на угол φр. Каждый из токов создаст  магнитный   поток,  сдвиг   по  фазе   между  которыми составит

ψ = φп + φр

В двигателе А с короткозамкнутым витком дополнительный поток Фк сдвинут в пространстве на угол θ (см. рис 10.39, а) и по фазе на угол ψ (см. рис. 10.41, б). В конденсаторном двигателе Б поток Фп сдвинут в пространстве на угол 90° и по фазе на угол ψ(см. рис. 10.41, в). Основной и дополнительный магнитные потоки создают результирующий поток, который вращается, так же как в трехфазном двигателе, с постоянной частотой, но амплитуда его магнитной индукции в отличие от трехфазного двигателя не остается постоянной. В результате принцип действия однофазного двигателя можно объяснить так же, как и трехфазного двигателя.

Рис. 10.42. К пояснению образования вращающеюся магнитного поля однофазного конденсаторного двигателя (а — д) и механические характеристики однофазного двигателя (е)

Возникновение вращающегося магнитного поля покажем, например, для конденсаторного двигателя Б. Допустим, что индуктивность рабочей и пусковой обмоток и емкость конденсатора подобраны такими, что ток рабочей обмотки отстает, а ток пусковой обмотки опережает по фазе напряжение на угол 45°. График мгновенных значений токов обмоток при этом будет иметь вид, изображенный на рис. 10.42, а. Картины результирующего магнитного поля двигателя для моментов времени периода переменного тока, отмеченных точками 1—4 (рис. 10.42, а), изображены соответственно на рис. 10.42, б — д. Картина магнитного поля в конце периода (точка 5) будет такой же, как и в начале периода (точка 1)

Сравнивая картины результирующего магнитного поля для различных моментов времени периода переменного тока, легко убедиться в том, что результирующее магнитное поле двухполюсного конденсаторного двигателя вращается и за один период переменного тока совершает один оборот.

Примерный вид механической характеристики однофазного конденсаторного двигателя изображен на рис. 10.42, е.

В системах автоматики применяются однофазные двигатели малой мощности (несколько единиц и десятков ватт) с повышенным сопротивлением короткозамкнутой обмотки ротора. Эти двигатели имеют две обмотки статора и устроены так же, как и конденсаторные однофазные двигатели, но отличаются тем, что их обмотка ротора имеет значительно большее сопротивление. В отличие от однофазного эти двигатели обладают тем свойством, что при включении лишь одной обмотки статоpa ротор не может разогнаться самостоятельно даже в том случае, когда ему сообщена начальная скорость.

Рис. 10.43. Схема включения однофазного конденсаторного двигателя для регулирования частоты вращения (а) и его регулировочные механические характеристики (б)

Рис. 10.44. Однофазный асинхронный двигатель с полым ротором

Сопротивление обмотки ротора подбирают такой величины, при которой критическое скольжение составляет 1,5 — 2, в результате чего при одной включенной обмотке составляющие моментов М'1 и М'2 имеют вид, изображенный пунктирными линиями на рис. 10.40, в. Результирующий момент М', равный сумме составляющих моментов, как видно из рис. 10.40, в, при любой скорости будет тормозным.

Когда же включены обе обмотки, например, по схеме, изображенной на рис. 10.43, а, двигатель работает так же, как конденсаторный, и развивает движущий момент.

Указанные двигатели хороши тем, что позволяют регулировать путем изменения амплитуды или фазы напряжения на одной из обмоток, частоту вращения ротора в значительном диапазоне. На рис. 10.43, а изображена одна из возможных схем включения, а на рис. 10.43, б — механические характеристики такого двигателя. Обмотка возбуждения ОВ через конденсатор С подключена к сети с напряжением U1, обмотка управления ОУ через потенциометр rп — к сети с напряжением U2. Напряжения могут быть одинаковыми или различными по значению. Регулирование частоты вращения осуществляется изменением напряжения на обмотке ОУ с помощью потенциометра rп .

Остановимся кратко на двигателях с полым ротором (рис. 10.44). Они могут быть однофазными, двухфазными и трехфазными. Статор и обмотка статора таких двигателей выполняются соответственно как в трехфазных или однофазных двигателях, ротор же представляет собой полый цилиндр, изготовленный из латуни, меди или алюминия и расположен в зазоре сердечника статора. Двигатель состоит из корпуса 1, внешнего 2 и внутреннего 3 сердечников статора, между которыми расположен полый ротор 4, обмотки статора 5, подшипниковых щитов 6, вала 7 и подшипников 8. Принцип действия и характеристики подобных двигателей аналогичны принципам действия и характеристикам двигателей с короткозамкнутым ротором. Главное их отличие — малая инерционность ротора, что очень важно в системах, быстро реагирующих на вводимый сигнал.