Отличия однофазного от трехфазного двигателя

§ 98. ОДНОФАЗНЫЕ АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Однофазные асинхронные двигатели широко применяют при небольших мощностях (до 1—2 квт). Такой двигатель отличается от обычного трехфазного двигателя тем, что на статоре его помещается однофазная обмотка. Поэтому любой трехфазный асинхронный двигатель может быть использован в качестве однофазного. Ротор однофазного асинхронного двигателя может иметь фазную или короткозамкнутую обмотку.

Особенностью однофазных асинхронным двигателей является отсутствие начального или пускового момента, т. е. при включении такого двигателя в сеть ротор его будет оставаться неподвижным.

Если же под действием какой-либо внеш­ней силы вывести ротор из состояния покоя, то двигатель будет развивать вращающий момент.

Отсутствие начального момента является существенным недостатком однофазных асинхронных двигателей. Поэтому они всегда снабжаются пусковым устройством.

Наиболее простым пусковым устройством являются две обмот­ки, помещенные на статоре, сдвинутые друг относительно друга на половину полюсного деления (90° электрических). Эти обмотки катушек питаются от симметричной двухфазной сети, т. е. напря­жения, приложенные к обмоткам катушек, равны между собой ил сдвинуты на четверть периода по фазе. В этом случае токи, про­текающие по катушкам, окажутся также сдвинутыми по фазе на четверть периода, что в дополнение к пространственному сдвигу катушек дает возможность получить вращающееся магнитное поле. При наличии вращающегося магнитного поля двигатель развивает пусковой момент.

Простейшую двухфазную обмотку можно представить в виде двух катушек (рис. 121), оси которых смещены в пространстве на 90° (электрических). Если по этим катушкам, имеющим одинаковое число витков, пропустить равные по величине и сдвинутые по фазе на четверть периода синусоидальные токи, т.е.

то магнитные поля этих катушек будут также синусоидальны и сдвинуты по фазе на четверть периода, т. е.

При этом вектор В_А направлен по оси катушки А — X, а век­тор Вв — по оси катушки В — У.

В любой момент результирующее магнитное поле равно гео­метрической сумме магнитных полей катушек А и В, т. е.

Следовательно, в любой момент результирующее магнитное поле двухфазной обмотки имеет неизменное значение, равное амплитуде поля одной фазы.

откуда α=ωt, т. е. угол между вектором результирующего поля и вертикальной осью линейно изменяется во времени и, следова­тельно, этот вектор вращается с постоянной скоростью, равной

В действительности двухфазная сеть обычно отсутствует, и пуск однофазного двигателя осуществляется включением двух катушек в одну общую для них однофазную сеть. Для получения угла сдви­га фаз между токами в катушках, примерно равного четверти периода, одну из катушек (рабочую) включают в сеть непосредст­венно или с пусковым активным сопротивлением, а вторую катушку (пусковую) — через индуктивную катушку (рис. 122, а) или кон­денсатор (рис- 122, б).

Пусковая обмотка включается только на период пуска в ход. В момент когда ротор приобретает определенную скорость, пуско­вая обмотка отключается от сети и двигатель работает как одно­фазный.

Отключает пусковую обмотку центробежный выключатель или специальное реле.

В качестве однофазного двигателя может быть использован любой трехфазный асинхронный двигатель. При работе трехфазного двигателя в качестве однофазного рабочая или главная обмот­ка, состоящая из двух последовательно соединенных фаз трехфазного двигателя, включается непосредственно в однофазную сеть третья фаза, являющаяся пусковой или вспомогательной обмоткой включается в ту же сеть через пусковой элемент — сопротивление индуктивность или конденсатор.

В однофазных двигателях малой мощности в качестве пуско­вой обмотки используют короткозамкнутые витки, укладываемые на полюсах статора. Статоры таких двигателей выполняют с явно выраженными полюсами (рис. 123), и рабочая обмотка уклады­вается на полюсы в виде катушек.

Каждый полюс разделен на две части, на одной из которых помещаются короткозамк­нутые катушки. В этих катушках создаются токи, препятствующие прохождению магнит­ного потока в части полюса В, вследствие чего магнитный поток в части полюса А до­стигает максимального значения раньше, чем в части полюса В. Эти два не совпадаю­щие по фазе потока создают вращающееся магнитное поле.

В короткозамкнутых катушках возни­кают добавочные потери, что снижает к. п. д. двигателя. Поэтому такой способ пуска в ход используют только в двигателях очень ма­лых мощностей (до 100 вт), где значение к.п.д. не является первостепенной.

Конденсаторный двигатель представляет собой однофазный асинхронный двигатель с двумя

обмотками на статоре и коротко-замкнутым ротором (рис. 124, а). В конденсаторных (двухфазных) двигателях вспомогательная обмотка рассчитана на длительное прохождение тока и остается включенной не только при пуске в ход двигателя, но и при работе. Наличие вращающегося поля при

работе двигателя улучшает его рабочие свойства в сравнении с однофазными.

Круговое вращающееся магнитное поле в конденсаторном дви­гателе будет получено в случае равенства намагничивающих сил двух катушек, причем намагничивающая сила катушки К2 должна

опережать во времени намагничивающую силу катушки К1 на .

Это происходит при некоторой определенной нагрузке двига­теля. С изменением нагрузки нарушится условие получения кру­гового вращающегося поля.

При этом, помимо кругового прямого поля, появляется обрат­ное вращающееся поле, создающее тормозной момент, который уменьшает вращающий момент машины.

С увеличением емкости конденсатора увеличится и ток, т. е. возрастет нагрузка двигателя, при которой будет создано круговое вращающееся поле. Поэтому увеличение емкости конденсаторной батареи вызовет увеличение максимального момента машины, при­чем максимальный момент сместится в область больших нагрузок, т. е. больших скольжений (рис. 124, б).

При увеличении емкости возрастает также и пусковой момент Двигателя. Однако увеличение емкости батареи конденсаторов в рабочем режиме нежелательно, так как это ведет к снижению ско­рости и к. п. д. двигателя. Поэтому конденсаторные двигатели вы­полняют с двумя батареями конденсаторов — с постоянно включен­ной или рабочей емкостью Ср и пусковой емкостью Сп включае­мой только на период пуска в ход двигателя.

1. Объясните принцип действия асинхронного двигателя.
2. Как изменить направление вращения ротора?
3. Каким выражением определяется э. д. с. фазы обмотки машины переменного тока?

4. Объясните устройство асинхронного двигателя с фазным и короткозамкнутым роторами.

5. От чего зависит вращающий момент асинхронного двигателя?

6. Если напряжение питающей сети понизится на 10%, то в какой мере уменьшится вращающий момент?

7. Объясните рабочие характеристики асинхронного двигателя.

8. Как осуществляется пуск в ход асинхронных двигателей?

9. Каково устройство двигателей с улучшенными пусковыми свойствами?

10. Каким образом регулируется скорость трехфазных двигателей?

11. Как происходит пуск в ход однофазных двигателей?

12. Почему конденсаторные двигатели снабжены двумя батареями конденсаторов?

Электрические двигатели — устройства, преобразовывающие электроэнергию, получаемую из распределительных сетей, в механическую энергию вращения. В состав любого двигателя входят следующие элементы: корпус для защиты от попадания пыли и влаги, неподвижная часть (статор), жестко прикрепленная к корпусу, неподвижные обмотки и магнитопроводы, часть, которая вращается (ротор). Ротор насаживается на вал, вращаемый в двух подшипниковых узлах. Конец выходит наружу, имеет канавку, где закрепляются шкивы или шестерные привода.

Узлы подшипников располагаются в пределах двух съемных крышек, закрывающих корпус с торцов, стягиваются между собой с помощью длинных шпилек (трех-четырех). В задней части вала размещена крыльчатка вентилятора, который обдувает и охлаждает обмотки.

Конструкция таких устройств отличается удобством обслуживания и проведения ремонта — их легко разобрать и собрать.

Асинхронные двигатели бывают однофазными и трехфазными. Первые применяются преимущественно до мощности 2,2 кВт. Ограничение действует из-за большого пускового и рабочего тока. Принцип действия одинаковый, но у однофазных более низкий пусковой момент.

Работа трехфазных электродвигателей

Самое главное достоинство трехфазной системы электроснабжения состоит в том, что создается электрическое поле, имеющее способность вращаться. Если на неподвижном статоре располагаются три обмотки с магнитомягкими (материалы, способны с легкостью перемагничиваться) сердечниками, а в дальнейшем происходит подача напряжения последовательно от каждой из фаз, то сердечники постепенно намагничиваются от поступающего тока и создают магнитное поле, перемещающееся в пределах окружности.

Асинхронный трехфазный электродвигатель применяется в разных отраслях промышленности и в сельском хозяйстве.

Скорость вращения магнитного поля в статоре можно легко снизить, используя чисто конструктивные методы, к примеру, увеличив число обмоток на окружности вдвое (из трех до шести).

Асинхронные двигатели

Изобретатель М. О. Доливо-Добровольский придумал, как можно усовершенствовать двигатель избавившись от коллекторов, имеющих ряд недостатков. Так, он предложил обмотку ротора выполнять в виде короткозамкнутых витков, ток в которых будет заводить переменное магнитное поле статора. Внешне такое решение представляет собой два кольца, соединенных между собой поперечными проводниками, — «бельчье колесо». Такой устройство еще называется двигателем с короткозамкнутым ротором.

Принцип действия примерно следующий: при запуске переменное поле статора возбудит в проводниках сильный ток, что приведет к намагничиванию сердечника ротора, он будет притянут статорными магнитами и начнет вращение. Чтобы ток стабильно появлялся в замкнутых витках, необходимы постоянные колебания магнитного поля, поэтому ротор вращается медленнее магнитного поля. Именно от такого «запаздывания» двигатели начали называть асинхронными, а разница вращений — скольжение.

Скольжение является переменной величиной. При запуске оно достигает максимальных значений, постепенно уменьшаясь и достигая минимальных значений на холостом ходу (примерно 3%). Если есть нагрузка на вал, скольжение пропорционально увеличивается и возрастает вместе с нагрузками (около 7%).

Особенности трехфазных асинхронных двигателей

Конструкция этого типа оказалась настолько удачной, что большинство электроприводов всего мира производятся на базе трехфазных асинхронных устройств, имеющих короткозамкнутый ротор. Они имеют ряд преимуществ, в частности, обладают:

• Исключительной простотой, надежностью и долговечностью;
• Удобством обслуживания и ремонта;
• Возможностью изменять направление вращения ротора. Для это нужно всего лишь переключить два любые фазные провода;
• Возможностью работы в качестве генератора: при применении электромагнитного торможения мотор начнет отдавать энергию в сеть.

Простота переключения фазных проводов может быть как преимуществом, так и недостатком. Производя замену силового кабеля, нужно особое внимание уделять оборудованию, запомнить, как оно ранее было подключено. Делая монтаж, следует обязательно перепроверить на запасном двигателе фазировку проводов, ведь оборудование может запросто выйти из строя, если сделана неверная фазировка.

Слабые стороны асинхронного трехфазного двигателя:

• Значительный пусковой ток, превышающий номинальный примерно в 5 раз. Это значит, что нужно устанавливать защитные автоматы двигателей только класса D.
• Малый момент на валу при запуске. При значительной инерции понадобится двигатель большей мощности.

Само название этого электротехнического устройства свидетельствует о том, что электрическая энергия, поступающая на него, преобразуется во вращательное движение ротора. Причем прилагательное «асинхронный» характеризует несовпадение, отставание скоростей вращения якоря от магнитного поля статора.

Слово «однофазный» вызывает неоднозначное определение. Связано это с тем, что термин «фаза» в электрике определяет несколько явлений:

сдвиг, разность углов между векторными величинами;

потенциальный проводник двух, трех или четырехпроводной электрической схемы переменного тока;

одну из обмоток статора или ротора трехфазного двигателя либо генератора.

Поэтому сразу уточним, что однофазным электродвигателем принято называть тот, который работает от двухпроводной сети переменного тока, представленной фазным и нулевым потенциалом. Количество обмоток, вмонтированных в различных конструкциях статоров, на это определение не влияют.

Конструкция электродвигателя

По своему техническому устройству асинхронный двигатель состоит из:

1. статора — статической, неподвижной части, выполненной корпусом с расположенными на нем различными электротехническими элементами;

2. ротора, вращаемого силами электромагнитного поля статора.

Механическое соединение этих двух деталей выполнено за счет подшипников вращения, внутренние кольца которых посажены на подогнанные гнезда вала ротора, а внешние вмонтированы в защитные боковые крышки, закрепляемые на статоре.

Ротор

Его устройство у этих моделей такое же, как у всех асинхронных двигателей: на стальном валу смонтирован магнитопровод из шихтованных пластин на основе мягких сплавов железа. На его внешней поверхности выполнены пазы, в которые вмонтированы стержни обмоток из алюминия или меди, закороченные по концам на замыкающие кольца.

В обмотке ротора протекает электрический ток, индуцируемый магнитным полем статора, а магнитопровод служит для хорошего прохождения создаваемого здесь же магнитного потока.

Отдельные конструкции ротора у однофазных двигателей могут быть выполнены из немагнитных или ферромагнитных материалов в форме цилиндра.

Статор

Конструкция статора также представлена:

Его основное назначение заключается в генерировании неподвижного или вращающегося электромагнитного поля.

Статорная обмотка обычно состоит из двух контуров:

У самых простых конструкций, предназначенных для ручной раскрутки якоря, может быть выполнена всего одна обмотка.

Принцип работы асинхронного однофазного электрического двигателя

С целью упрощения изложения материала представим, что обмотка статора выполнена всего одним витком петли. Ее провода внутри статора разносят по кругу на 180 угловых градусов. По ней проходит переменный синусоидальный ток, имеющий положительные и отрицательные полуволны. Он создает не вращающееся, а пульсирующее магнитное поле.

Как возникают пульсации магнитного поля

Разберем этот процесс на примере протекания положительной полуволны тока в моменты времени t1, t2, t3.

Она проходит по верхней части токопровода по направлению к нам, а по нижней — от нас. В перпендикулярной плоскости, представленной магнитопроводом, вокруг проводника возникают магнитные потоки Ф.

Изменяющиеся по амплитуде токи в рассматриваемые моменты времени создают разные по величине электромагнитные поля Ф1, Ф2, Ф3. Поскольку ток в верхней и нижней половине один и тот же, но виток изогнут, то магнитные потоки каждой части направлены встречно и уничтожают действие друг друга. Определить это можно по правилу буравчика или правой руки.

Как видим, при положительной полуволне вращения магнитного поля не наблюдается, а происходит только его пульсация в верхней и нижней части провода, которая еще и взаимно уравновешивается в магнитопроводе. Этот же процесс происходит при отрицательном участке синусоиды, когда токи изменяют направление на противоположное.

Поскольку вращающееся магнитное поле отсутствует, то и ротор останется неподвижным, ибо нет сил, приложенных к нему для начала вращения.

Как создается вращение ротора в пульсирующем поле

Если придать ротору вращение, хотя бы рукой, то он будет продолжать это движение. Для объяснения этого явления покажем, что суммарный магнитный поток изменяется по частоте синусоиды тока от нуля до максимального значения в каждом полупериоде (с изменением направления на противоположное) и состоит из двух частей, образуемых в верхней и нижней ветвях, как показано на рисунке.

Магнитное пульсирующее поле статора состоит из двух круговых с амплитудой Фмакс/2 и двигающихся в противоположных направлениях с одной частотой.

В этой формуле обозначены:

nпр и nобр частоты вращения магнитного поля статора в прямом и обратном направлениях;

n1 — скорость вращающегося магнитного потока (об/мин);

p — число пар полюсов;

f — частота тока в обмотке статора.

Теперь рукой придадим вращение двигателю в одну сторону, и он сразу подхватит движение за счет возникновения вращающегося момента, вызванного скольжением ротора относительно разных магнитных потоков прямого и обратного направлений.

Примем, что магнитный поток прямого направления совпадает с вращением ротора, а обратный, соответственно, будет противоположен. Если обозначить через n2 частоту вращения якоря в об/мин, то можно записать выражение n2

Например, электродвигатель работает от сети 50 Гц с n1=1500, а n2=1440 оборотов в минуту. Его ротор имеет скольжение относительно магнитного потока прямого направления Sпр=0,04 и частоту тока f2пр=2 Гц. Обратное же скольжение Sобр=1,96, а частота тока f2обр=98 Гц.

На основании закона Ампера при взаимодействии тока I2пр и магнитного поля Фпр появится вращающий момент Мпр.

Здесь величина постоянного коэффициента сМ зависит от конструкции двигателя.

При этом также действует обратный магнитный поток Мобр, который вычисляется по выражению:

В итоге взаимодействия этих двух потоков появится результирующий:

Внимание! При вращении ротора в нем наводятся токи разной частоты, которые создают моменты сил с разными направлениями. Поэтому якорь двигателя будет совершать вращение под действием пульсирующего магнитного поля в ту сторону, с которой он начал вращение.

Во время преодоления однофазным двигателем номинальной нагрузки создается небольшое скольжение с основной долей прямого крутящего момента Мпр. Противодействие тормозного, обратного магнитного поля Мобр сказывается совсем незначительно из-за различия частот токов прямого и обратного направлений.

f2обр обратного тока значительно превышает f2пр, а создаваемое индуктивное сопротивление Х2обр сильно превышает активную составляющую и обеспечивает большое размагничивающее действие обратного магнитного потока Фобр, который в итоге этого уменьшается.

Поскольку коэффициент мощности у двигателя под нагрузкой небольшой, то обратный магнитный поток не может оказать сильное воздействие на вращающийся ротор.

Когда же одна фаза сети подана на двигатель с неподвижным ротором (n2=0), то скольжения, как прямое, так и обратное равны единице, а магнитные поля и силы прямого и обратного потоков уравновешены и вращения не возникает. Поэтому от подачи одной фазы невозможно раскрутить якорь электродвигателя.

Как быстро определить частоту вращения двигателя:

Как создается вращение ротора у однофазного асинхронного двигателя

За всю историю эксплуатации подобных устройств разработаны следующие конструкторские решения:

1. ручная раскрутка вала рукой или шнуром;

2. использование дополнительной обмотки, подключаемой на время запуска за счет омического, емкостного или индуктивного сопротивления;

3. расщепление короткозамкнутым магнитным витком магнитопровода статора.

Первый способ использовался в начальных разработках и не стал применяться в дальнейшем из-за возможных рисков получения травм при запуске, хотя он не требует подключения дополнительных цепочек.

Применение фазосдвигающей обмотки в статоре

Чтобы придать начальное вращение ротору к статорной обмотке дополнительно на момент запуска подключают еще одну вспомогательную, но только сдвинутую по углу на 90 градусов. Ее выполняют более толстым проводом для пропускания бо́льших токов, чем протекающие в рабочей.

Схема подключения такого двигателя показана на рисунке справа.

Здесь для включения применяется кнопка типа ПНВС, которая специально создана для таких двигателей и широко использовалась в работе стиральных машин, выпускаемых при СССР. У этой кнопки сразу включаются 3 контакта таким образом, что два крайних после нажатия и отпускания остаются зафиксированы во включенном состоянии, а средний — кратковременно замыкается, а потом под действием пружины возвращается в исходное положение.

Замкнутые же крайние контакты можно отключить нажатием на соседнюю кнопку «Стоп».

Кроме кнопочного выключателя для отключений дополнительной обмотки в автоматическом режиме используются:

1. центробежные переключатели;

2. дифференциальные или токовые реле;

Для улучшения запуска двигателя под нагрузкой применяются дополнительные элементы в фазосдвигающей обмотке.

Подключение однофазного двигателя с пусковым сопротивлением

В такой схеме к статорной дополнительной обмотке последовательно монтируется омическое сопротивление. При этом намотка витков выполняется биффилярным способом, обеспечивающим коэффициент самоиндукции катушки очень близким к нулю.

За счет выполнения этих двух приемов при прохождении токов по разным обмоткам между ними возникает сдвиг по фазе порядка 30 градусов, чего вполне достаточно. Разность углов создается за счет изменения комплексных сопротивлений в каждой цепи.

При этом методе еще может встречаться пусковая обмотка с заниженной индуктивностью и увеличенным сопротивлением. Для этого применяют намотку с маленьким числом витков провода заниженного поперечного сечения.

Подключение однофазного двигателя с конденсаторным запуском

Емкостной сдвиг токов по фазе позволяет создать кратковременное подключение обмотки с последовательно соединенным конденсатором. Эта цепочка работает только во время выхода двигателя на режим, а затем отключается.

У конденсаторного запуска создается наибольший крутящий момент и более высокий коэффициент мощности, чем при резистивном или индуктивном способе запуска. Он может достигать величины 45÷50% от номинального значения.

В отдельных схемах к цепочке рабочей обмотки, которая постоянно включена, тоже добавляют емкость. За счет этого добиваются отклонения токов в обмотках на угол порядка π/2. При этом в статоре сильно заметен сдвиг максимумов амплитуд, который обеспечивает хороший крутящий момент на валу.

За счет этого технического приема двигатель при пуске способен выработать больше мощности. Однако, такой метод используют только с приводами тяжелого запуска, например, для раскрутки барабана стиральной машины, заполненного бельем с водой.

Конденсаторный запуск позволяет изменять направление вращения якоря. Для этого достаточно сменить полярность подключения пусковой или рабочей обмотки.

Подключение однофазного двигателя с расщепленными полюсами

У асинхронных двигателей с небольшой мощностью порядка 100 Вт используют расщепление магнитного потока статора за счет включения в полюс магнитопровода короткозамкнутого медного витка.

Разрезанный на две части такой полюс создает дополнительное магнитное поле, которое сдвинуто от основного по углу и ослабляет его в месте охваченного витком. За счет этого создается эллиптическое вращающееся поле, образующее момент вращения постоянного направления.

В подобных конструкциях можно встретить магнитные шунты, выполненные стальными пластинками, которые замыкают края наконечников статорных полюсов.

Двигатели подобных конструкций можно встретить в вентиляторных устройствах обдува воздуха. Они не обладают возможностью реверса.