Однофазные и двухфазные асинхронные двигатели

Однофазные асинхронные двигатели — машины небольшой мощности, которые по конструктивному исполнению напоминают аналогичные трехфазные электродвигатели с короткозамкнутым ротором.

Однофазные асинхронные двигатели отличаются от трехфазных двигателей устройством статора, где в пазах магнитопровода находится двухфазная обмотка, состоящая из основной, или рабочей, фазы с фазной зоной 120 эл. град и выводами к зажимам с обозначениями С1 и С2, и вспомогательной, или пусковой, фазы с фазной зоной 60 эл. град и выводами к зажимам с обозначениями В1 и В2 (рис. 1).

Магнитные оси этих фаз обмотки смещены относительно друг друга па угол 0 = 90 эл. град. Одна рабочая фаза, присоединенная к питающей сети переменного напряжения, не может вызвать вращения ротора, так как ток ее возбуждает переменное магнитное поле с неподвижной осью симметрии, характеризуемое гармонически изменяющейся во времени магнитной индукцией.

Рис. 1. Схема включения однофазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Это поле можно представить двумя составляющими — одинаковыми круговыми магнитными полями прямой и обратной последовательностей, вращающимися с магнитными индукциями, вращающимися в противоположные стороны с одной и той же скоростью. Однако при предварительном разгоне ротора в необходимом направлении он при включенной рабочей фазе продолжает вращаться в том же направлении.

По этой причине пуск однофазного двигателя начинают с разгона ротора путем нажатия пусковой кнопки, вызывающего возбуждение токов в обеих фазах обмотки статора, которые сдвинуты по фазе на величину, зависящую от параметров фазосдвигающего устройства Z, выполненного в виде резистора, индуктивной катушки или конденсатора, и элементов электрических цепей, в которые входят рабочая и пусковая фазы обмотки статора. Эти токи побуждают в машине вращающееся магнитное поле с магнитной индукцией в воздушном зазоре, которая периодически и монотонно изменяется в пределах максимального и минимального значений, а конец ее вектора описывает эллипс.

Это. эллиптическое вращающееся магнитное поле находит в проводниках короткозамкнутой обмотки ротора ЭДС и токи, которые, взаимодействуя с этим полем, обеспечивают разгон ротора однофазного двигателя в направлении вращения поля, и он в.течение нескольких секунд достигает почти номинальной скорости.

Отпускание пусковой кнопки переводит электродвигатель с двухфазного режима на однофазный, поддерживаемый в дальнейшем соответствующей составляющей переменного магнитного поля, которая при своем вращении несколько опережает вращающийся ротор из-за скольжения.

Своевременное отключение пусковой фазы обмотки статора однофазного асинхронного двигателя от питающей сети необходимо в связи с ее конструктивным исполнением, предусматривающим кратковременный режим работы — обычно до 3 с, что исключает длительное пребывание ее под нагрузкой в связи с недопустимым перегревом, сгоранием изоляции и выходом из строя.

Повышение надежности эксплуатации однофазных асинхронных двигателей обеспечивают встраиванием в корпус машин центробежного выключателя с размыкающими контактами, присоединенными к зажимам с обозначениями ВЦ и В2, и теплового реле с аналогичными контактами, имеющими выводы с обозначениями РТ и С1 (рис. 2, в, г).

Центробежный выключатель автоматически отключает пусковую фазу обмотки статора, присоединенную к зажимам с обозначениями В1 и В2 при достижении ротором скорости, близкой к номинальной, а тепловое реле — обе фазы обмотки статора от питающей сети, когда нагрев их окажется выше допустимого.

Перемена направления вращения ротора достигается изменением направления тока в одной из фаз обмотки статора при пуске путем переключения пусковой кнопки и перестановки металлической пластины на зажимах электродвигателя (рис. 2, а, б) или только перестановкой двух аналогичных пластин (рис. 2, в, г).

Рис. 2. Маркировка зажимов фаз обмотки статора однофазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором и их соединение для вращения ротора: а, в — правого, б, г — левого.

Сравнение технических характеристик однофазных и трехфазных асинхронных двигателей

Однофазные асинхронные двигатели отличаются от аналогичных по номинальной мощности трехфазных машин пониженной кратностью начального пускового момента k п = M п / M ном и повышенной кратностью пускового тока ki = Mi / M ном которые для однофазных электродвигателей с пусковой фазой обмотки статора, имеющей повышенное сопротивление постоянному току и. меньшую индуктивность, чем рабочая фаза, имеют значения k п — 1,0 — 1,5 и ki = 5 — 9.

Пусковые характеристики однофазных асинхронных двигателей хуже аналогичных характеристик трехфазных асинхронных двигателей в связи с тем, что возбуждаемое при пуске однофазных машин с пусковой фазой обмотки статора эллиптическое вращающееся магнитное поле, эквивалентное двум неодинаковым круговым вращающимся магнитным полям — прямому и обратному, вызывает появление тормозного эффекта.

Подбором параметров элементов электрических цепей рабочей и пусковой фаз обмотки статора можно обеспечить при пуске возбуждение кругового вращающегося магнитного поля, что возможно при фазосдвигающем элементе, выполненном в виде конденсатора соответствующей емкости.

Так как разгон ротора вызывает изменение параметров цепей машины, вращающееся магнитное поле из кругового переходит в эллиптическое, ухудшая этим пусковые характеристики двигателя. Поэтому при скорости около 0,8 номинальной пусковую фазу обмотки статора электродвигателя отключают вручную или автоматически, в результате чего двигатель переходит на однофазный режим работы.

Однофазные асинхронные двигатели с пусковым конденсатором имеют кратность начального пускового момента kп = 1,7 — 2,4 и кратность начального пускового тока ki = 3 — 5.

Двухфазные асинхронные двигатели

В двухфазных асинхронных двигателях обе фазы обмотки статора с фазными зонами по 90 эл. град являются рабочими. Они расположены в пазах магнитопровода статора так, что их магнитные оси образуют угол 90 эл. град. Эти фазы обмотки статора отличаются друг от друга не только числом витков, но и номинальными напряжениями и токами, хотя при номинальном режиме двигателя полные мощности их одинаковы.

В одной из фаз обмотки статора постоянно находится конденсатор Ср (рис. 3, а), который в условиях номинального режима двигателя обеспечивает возбуждение кругового вращающегося магнитного поля. Емкость этого конденсатора определяют по формуле:

C р = I1 sinφ₁ / 2πfUn 2

где I1 и φ₁ — соответственно ток и сдвиг фаз между напряжением и током цепи фазы обмотки статора без конденсатора при круговом вращающемся магнитном поле, I и U — соответственно частота переменного тока и напряжение питающей сети, n — коэффициент трансформации — отношение эффективных чисел витков фаз обмотки статора соответственно с конденсатором и без него, определяемое по формуле

n = k об2 w 2 / k об1 w 1

где k об2 и k об1 — обмоточные коэффициенты соответствующих фаз обмотки статора с числом витков w 2 и w1.

Напряжение на зажимах конденсатора Uc, включенного последовательно с фазой обмотки статора двухфазного асинхронного двигателя, при круговом вращающемся магнитном поле выше напряжения сети U и определяется так:

Переход к нагрузке двигателя, отличной от номинальной, сопровождается изменением вращающегося магнитного поля, которое вместо кругового становится эллиптическим. Это ухудшает рабочие свойства двигателя, а при пуске снижает начальный пусковой момент до Мп M ном, ограничивая этим применение двигателей с постоянно включенным конденсатором только в установках с легкими условиями пуска.

Для повышения начального пускового момента параллельно рабочему конденсатору Ср включают пусковой конденсатор Сп (рис. 3, б), емкость которого намного больше емкости рабочего конденсатора и зависит от кратности начального пускового момента, которая может быть доведена до двух и более.

Рис. 3. Схемы включения двухфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором: а — спостоянно присоединенным конденсатором, б — с рабочим и пусковым конденсаторами.

После разгона ротора до скорости 0,6 — 0,7 номинальной пусковой конденсатор отключают для избежания перехода кругового вращающегося магнитного поля в эллиптическое, ухудшающее рабочие характеристики двигателя.

Пусковой режим таких конденсаторных двигателей характеризуется такими показателями: k п = 1,7 — 2,4 и k i = 4 — 6.

Конденсаторные двигатели отличаются лучшими энергетическими показателями, чем однофазные двигатели с пусковой фатой обмотки статора, я коэффициент мощности их, благодаря применению конденсаторов, выше, чем у трехфазных двигателей одинаковой мощности.

Универсальные асинхронные двигатели

В установках автоматического управления применяют универсальные асинхронные двигатели — трехфазные машины малой мощности, которые присоединяют к трехфазной или однофазной сети. При питании от однофазной сети пусковое и рабочие характеристики двигателей несколько хуже, чем при использовании их в трехфазном режиме.

Универсальные асинхронные двигатели серии УАД изготовляют двух- и четырехполюсными, которые при трехфазном режиме имеют номинальную мощность от 1,5 до 70 Вт, а при однофазном режиме — от 1 до 55 Вт и работают от сети переменного напряжения частотой 50 Гц с кпд η = 0,09 — 0.65.

Однофазные асинхронные двигатели с расщепленными или экранированными полюсами

В однофазных асинхронных двигателях с расщепленными или экранированными полюсами, каждый полюс расщеплен глубоким пазом па две неравные части и несет на себе однофазную обмотку, охватывающую весь магнитопровод полюса, и короткозамкнутые витки, расположенные на его меньшей части.

Ротор у этих двигателей имеет короткозамкнутую обмотку. Включение обмотки статора на синусоидальное напряжение сопровождается установлением в ней тока и возбуждением переменного магнитного поля с неподвижной осью симметрии, которое наводит в короткозамкнутых витках соответствующие эдс и токи.

Под влиянием токов короткозамкнутых витков соответствующая им м. д. с, возбуждает магнитное поле, препятствующее усилению и ослаблению основного магнитного поля в экранированных частых полюсов. Магнитные поля экранированных и неэкранированных частей полюсов не совпадают по фазе во времени и, будучи смещенными в пространстве, образуют результирующее эллиптическое вращающееся магнитное поле, перемещающее в направлении от магнитной оси неэранированной части полюса к магнитной оси его экранированной части.

Взаимодействие этого поля с токами, индуктированными в обмотке ротора, вызывает появление начального пускового момента Мп = (0,2 — 0,6) Мном и разгон ротора до номинальной скорости, если тормозной момент приложенный к валу двигателя, не превышает начальный пусковой момент.

С целью увеличения начального пускового и максимального моментов однофазных асинхронных двигателях с расщепленными или экранированными полюсами между их полюсами располагают магнитные шунты из листовой стали, что приближает вращающееся магнитное поле к круговому.

Двигатели с расщепленными полюсами являются нереверсивными устройствами, допускающими частые пуски, внезапную остановку и могут длительное время находиться в заторможенном состоянии. Их изготовляют двух- и четырехполюсными номинальной мощностью от 0,5 до 30 Вт, а при усовершенствованной конструкции до 300 Вт для работы от сети переменного напряжения частотой 50 Гц с кпд η ном = 0,20 — 0,40.
Читайте также: Сельсины: назначение, устройство, принцип действия

Двухфазные асинхронные двигатели

Общие понятия. В качестве исполнительных двигателей пере­менного тока основное применение находят двухфазные асинх­ронные двигатели с короткозамкнутым ротором (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Двухфазный асинхронный исполнительный двигатель: а — кон­струкция, б, в — схемы соединения обмоток

Исполнительный двигатель имеет две статорные обмотки, рас­положенные в пространстве под углом 90° одна относительно другой. Одна обмотка постоянно питается от сети с напряжением Uв и называется обмоткой возбуждения. К другой обмотке — об­мотке управления — подается управляющее напряжение Uу.

В зависимости от конструкции короткозамкнутого ротора ис­полнительные двигатели бывают: с полым немагнитным ротором, с обычным короткозамкнутым ротором, с полым ферромагнит­ным ротором и с массивным ферромагнитным ротором.

На судах в основном применяют двухфазные асинхронные двигатели с полым ротором. Выпускаются двигатели мощностью от десятых долей ватта до нескольких сотен ватт. Двигатели испо­льзуют при помышленной частоте (50 Гц) и повышенных частотах (200, 400, 500 и 1000 Гц). Конструктивное устройство двигателя представлено на рис. 2.4, а. Двигатель имеет два статора (внешний 1 и внутренний 2); ротор 7, выполненный в виде полого немагнит­ного цилиндра; корпус 6; подшипниковые щиты 4.

Внешний статор набирается из листов электротехнической ста­ли и не отличается от статора обычной асинхронной машины. В его пазах располагаются обмотки управления и возбуждения 3. Статорные обмотки либо изолированы одна от другой (рис. 2.4, б), либо соединены по мостовой схеме (рис. 2.4,). Внутренний ста­тор 2 также набирается из электротехнической стали и служит для уменьшения магнитного сопротивления на пути магнитного пото­ка, проходящего через воздушный зазор. Полый ротор 7 выполня­ется из сплавов алюминия. Дном ротор жестко крепится к валу 5. Толщина стенок ротора, в зависимости от мощности двигателя, колеблется в пределах от 0,2 до 1,0 мм.

Вследствие малой массы ротор обладает незначительным мо­ментом инерции — это ценное свойство двигателя рассматривае­мого типа. Величина зазоров между ротором и статором не пре­восходит 0,15. 0,25 мм. С учетом толщины немагнитного ротора общая величина воздушного зазора между статорами составляет 0,5. 1,5 мм.

Большая величина воздушного зазора приводит к росту намаг­ничивающего тока, низкому коэффициенту мощности и малому КПД. Из-за большого намагничивающего тока приходится увели­чивать размеры машины. По габаритам и массе двиг атель с полым немагнитным ротором больше исполнительных двигателей посто­янного тока той же мощности в 2. 4 раза.

Принцип действия исполнительного двигателя состоит в сле­дующем: под действием вращающегося магнитного поля (эллип­тического или кругового), возникшего в результате протекания токов в статорных обмотках, в роторе создаются вихревые токи. Взаимодействие этих токов с вращающимся магнитным полем приводит к возникновению вращающего момента, который увле­кает ротор в сторону вращения магнитного поля. Направление вращения результирующей МДС при эллиптическом и круговом вращающихся магнитных полях зависит от сдвига по времени между МДС, создаваемыми обмотками управления и возбужде­ния. Изменение фазы МДС обмотки возбуждения на 180° приво­дит к изменению направления вращения результирующей МДС и, следовательно, к реверсу двигателя.

Регулирование частоты вращения исполнительного двигателя осуществляют путем изменения напряжения управления Uу по модулю или фазе. Па практике находят применение три способа управления (рис. 2.5):

-амплитудное, при котором изменяется амплитуда напряже­ния управления при его неизменной фазе (рис. 2.5, а);

-фазовое, при котором изменяется фаза напряжения управле­ния при его неизменной амплитуде (рис. 2.5, б);

-амплитудно-фазовое, при котором одновременно изменяют­ся амплитуда напряжения управления и сдвиг’ по фазе между на­пряжениями управления и возбуждения (рис. 2.5, в).

При всех способах управления изменение угловой скорости ис­полнительного двиг ателя происходит за счет деформации враща­ющегося магнитного поля. Максимальной угловая скорость ис­полнительного двигателя окажется при круговомвращающемся

Рис. 2.5. Схемы управления двухфазными асинхронными исполнитель­ными двигателями: а — амплитудное; б — фазовое; в — амплитуд­но-фазовое

магнитном поле, когда отсутствует обратное (тормозное) магнит­ное поле. Уменьшение угловой скорости достигается за смет уве­личения эллиптичности магнитного поля, в результате чего возра­стает обратное (тормозное) круговое поле. После преобразования эллиптического поля в пульсирующее исполнительный двигатель должен остановиться. Основное применение на судах находит амплитудно-фазовый способ управления (рис. 2.5, в).