Асинхронные конденсаторные двигатели

ГЛАВА 16

• Однофазные и конденсаторные асинхронные двигатели

§16.1. Принцип действия и пуск однофазного асинхронного двигателя

По своему устройству однофазный асинхронный двигатель аналогичен трехфазному и состоит из ста­тора, в пазах которого уложена однофазная обмотка (см. рис. 8.8), и короткозамкнутого ротора. Особен­ность работы однофазного асинхронного двигателя заключается в том, что при включении однофазной обмотки статора С1—С2 в сеть (рис. 16.1) МДС ста­тора создает не вращающийся, а пульсирующий маг­нитный поток (см. § 9.4) с амплитудой Ф_mах, изме­няющейся от + Ф_mах до – Ф_mах При этом ось магнитного потока остается неподвижной в про­странстве.

Для объяснения принципа действия однофаз­ного двигателя пульсирующий поток Ф_mах разло­жим на два вращающихся в противоположные стороны потока Ф_пр и Ф_обр (рис. 16.2), каждый из которых равен 0,5Ф_max и вращается с частотой (об/мин)

n_пр = n_обр = f₁60/ p = n₁

Условимся считать поток Ф_пр вращающийся в на­правлении вращения ротора, прямым, а поток Ф_о6р -обратным. Допустим, что ротор двигателя вращает­ся против часовой стрелки, т. е. в направлении пото­ка Ф_пр.

Частота вращения ротора n₂ меньше частоты вращения магнитного поля статора n₁, поэтому скольжение ротора относительно вращающегося по­тока Ф_пр будет

s_пр = (n₁ – n₂)/ n₁ = s (16.1)

Обратный поток Ф_обр вращается противополож­но ротору, поэтому частота вращения ротора n₂ от­носительно Ф_обр - отрицательная. В этом случае скольжение ротора относительно Ф_обр определится выражением

s_обр = (16.2)

Прямое поле наводит в обмотке ротора ЭДС Е_2пр, а обратное по­ле — ЭДС Е_2обр. Эти ЭДС создают в обмотке ротора токи I^/_2пр и I^/_2обр.

Известно, что частота тока в роторе пропор­циональна скольжению (f ₂ = s f ₁). Так как s_np < s_обр, то частота тока I^/_2обр намного больше частоты тока I^/_2пр. Так, для однофазного двигателя с n₁ = 1500 об/мин, n₂ = 1450 об/мин и f ₁ = 50 Гц получим:

s_np = (1500 - 1450)/ 1500 = 0,033;

f _2пр = 0,033 - 50 = 1,8 Гц;

s_обр = (1500 +1450)/ 1500 = 1,96;

f _2о6р = 1,96 - 50 = 98 Гц.

Рис.16.1 Схема включения однофазного

асинхронного двигателя

Индуктивное сопротивление обмотки ротора току I^/_2обр во много раз больше ее активного сопротивления (потому что f _2обр >> f _2пр). Ток I^/_2о6р являет­ся почти чисто индуктивным, оказывающим силь­ное размагничивающее действие на обратное поле Ф_обр. В результате обратное поле и обусловленный им момент М_обр оказываются зна­чительно ослабленными и ротор однофазного двигателя вращается и направлении прямого поля под действием момента

М = М_пр - М_06р, (16.3)

где М_пр — электромагнитный момент, обусловленный прямым полем.

Рис. 16.2. Разложение пульсирующего магнитного потока на два вра­щающихся

На рис. 16.3 представлен график зависимости вращающего момента М в функции скольжения s = s_пр. Этот график получен путем наложения графиков М_пр = f (s_np) и М_о6р = f (s_обр)- При малых значениях скольжения s, что соответствует работе двигателя в пределах номинальной нагрузки, вращающий момент Мсоздается главным образом моментом М_пр.

При s_пр = s_обр = 1 моменты М_пр и М_о6р равны, а поэтому пуско­вой момент однофазного двигателя равен нулю. Следовательно, однофазный асинхронный двигатель не может самостоятельно прийти во вращение при подключении его к сети, а нуждается в первоначальном толчке, так как лишь при s≠ 1 на ротор двигателя действует вращающий момент М = М_пр- М_обр

Рис. 16.3. Механические характе- Рис. 16.4. Схема однофазного ристики однофазного асинхронного асинхронного двигателя с пусковой двигателя обмоткой

Приведенные на рис. 16.3 зависимости моментов показывают, что однофазный асинхронный двигатель не создает пускового мо­мента. Чтобы этот момент появился, необходимо во время пуска двигателя создать в нем вращающееся магнитное поле. С этой целью на статоре двигателя помимо рабочей обмотки Априменяют еще одну обмотку — пусковую В. Эти обмотки располагают на статоре обычно так, чтобы их оси были смещены относительно друг друга на 90 эл. град. Кроме того, токи в обмот­ках статора и должны быть сдвинуты по фазе относительно друг друга. Для этого в цепь пусковой обмотки включают фазосмещающий элемент (ФЭ), в качестве которого могут быть применены активное сопротивление, индуктивность или ем кость (рис. 16.4). По достижении частотой вращения значения близкого к номинальному, пусковую обмотку Вотключают с по мощью реле. Таким образом, во время пуска двигатель является двухфазным, а во время работы — однофазным.

Для получения вращающегося магнитного поля посредством двух обмоток на статоре, смещенных относительно друг друга на 90 эл. град, необходимо соблюдать следующие условия (рис. 16.5):

а) МДС рабочей и пусковой обмоток и должны быть и равны и сдвинуты в пространстве относительно друг друга на 90 эл. град;

б) токи в обмотках статора и должны быть сдвинуты по фазе относительно друг друга на 90°.

При строгом соблюдении указанных условий вращающееся поле статора является круговым, что соответствует наибольшему вращающему моменту. При частичном нарушении какого-либо из условий поле статора становится эллиптическим, содержащим об­ратную составляющую (см. рис. 9.5, б). Обратная составляющая поля создает тормоз­ной момент и ухудшает пусковые свой­ства двигателя.

Из векторных диа­грамм, приведенных на рис. 16.6, видно, что активное сопротивле­ние и индуктивность в качестве ФЭ не обес­печивают получения фазового сдвига между токами в 90°. Лишь только емкость С в качестве ФЭ обеспе­чивает фазовый сдвиг ψ = 90°. Значение этой емкости выбирают та­ким, чтобы ток пусковой обмотки в мо­мент пуска (s = 1) опережал по фазе напря­жение , на угол φ_в, дополняющий угол φ_А до 90°:

Рис. 16.5. Получение вращающегося магнитного

поля двухфазной системой токов

Если при этом обе обмотки создают одинаковые по значению МДС, то в начальный период пуска вращающееся поле окажется круговым и двигатель будет развивать значительный начальный пусковой момент. Однако применение емкости в качестве ФЭ часто ограничивается значительными габаритами конденсаторов, тем более что для получения кругового поля требуются конденсаторы значительной емкости. Например, для однофазного двигателя мощностью 200 Вт необходима емкость 30 мкФ при рабочем на­пряжении 300—500 В.

Получили распространение однофазные двигатели с активным сопротивлением в качестве ФЭ. При этом повышенное активное сопротивление пусковой обмотки достигается тем, что она выполняется проводом уменьшенного сечения (по сравнению с проводом рабочей обмотки). Так как эта обмотка включена на непро­должительное время (обычно несколько секунд), то такая ее кон­струкция вполне допустима. Пусковой момент таких двигателей обычно не превышает номинального, но это вполне приемлемо при пуске двигателей при небольшой нагрузке на валу.

Рис. 16.6. Сравнение свойств фазосмещающих элементов:

а— активное сопротивление, б— индуктивность, в— емкость, г— механиче­ские характеристики двигателя при различных фазосмещающих элементах; 1 — активное сопротивление; 2— емкость

Применение емкости в качестве ФЭ позволяет получить пус­ковой момент М_п= (1,6÷2,0) М_ном. На рис. 16.6, г приведены меха­нические характеристики однофазного асинхронного двигателя при различных ФЭ. Для большей наглядности значения момента даны в относительных единицах.

ГЛАВА 17

• Асинхронные машины специального назначения

ГЛАВА 18

• Конструктивные формы исполнения электрических машин

ГЛАВА 16

• Однофазные и конденсаторные асинхронные двигатели

§16.1. Принцип действия и пуск однофазного асинхронного двигателя

По своему устройству однофазный асинхронный двигатель аналогичен трехфазному и состоит из ста­тора, в пазах которого уложена однофазная обмотка (см. рис. 8.8), и короткозамкнутого ротора. Особен­ность работы однофазного асинхронного двигателя заключается в том, что при включении однофазной обмотки статора С1—С2 в сеть (рис. 16.1) МДС ста­тора создает не вращающийся, а пульсирующий маг­нитный поток (см. § 9.4) с амплитудой Ф_mах, изме­няющейся от + Ф_mах до – Ф_mах При этом ось магнитного потока остается неподвижной в про­странстве.

Для объяснения принципа действия однофаз­ного двигателя пульсирующий поток Ф_mах разло­жим на два вращающихся в противоположные стороны потока Ф_пр и Ф_обр (рис. 16.2), каждый из которых равен 0,5Ф_max и вращается с частотой (об/мин)

n_пр = n_обр = f₁60/ p = n₁

Условимся считать поток Ф_пр вращающийся в на­правлении вращения ротора, прямым, а поток Ф_о6р -обратным. Допустим, что ротор двигателя вращает­ся против часовой стрелки, т. е. в направлении пото­ка Ф_пр.

Частота вращения ротора n₂ меньше частоты вращения магнитного поля статора n₁, поэтому скольжение ротора относительно вращающегося по­тока Ф_пр будет

s_пр = (n₁ – n₂)/ n₁ = s (16.1)

Обратный поток Ф_обр вращается противополож­но ротору, поэтому частота вращения ротора n₂ от­носительно Ф_обр - отрицательная. В этом случае скольжение ротора относительно Ф_обр определится выражением

s_обр = (16.2)

Прямое поле наводит в обмотке ротора ЭДС Е_2пр, а обратное по­ле — ЭДС Е_2обр. Эти ЭДС создают в обмотке ротора токи I^/_2пр и I^/_2обр.

Известно, что частота тока в роторе пропор­циональна скольжению (f ₂ = s f ₁). Так как s_np < s_обр, то частота тока I^/_2обр намного больше частоты тока I^/_2пр. Так, для однофазного двигателя с n₁ = 1500 об/мин, n₂ = 1450 об/мин и f ₁ = 50 Гц получим:

s_np = (1500 - 1450)/ 1500 = 0,033;

f _2пр = 0,033 - 50 = 1,8 Гц;

s_обр = (1500 +1450)/ 1500 = 1,96;

f _2о6р = 1,96 - 50 = 98 Гц.

Рис.16.1 Схема включения однофазного

асинхронного двигателя

Индуктивное сопротивление обмотки ротора току I^/_2обр во много раз больше ее активного сопротивления (потому что f _2обр >> f _2пр). Ток I^/_2о6р являет­ся почти чисто индуктивным, оказывающим силь­ное размагничивающее действие на обратное поле Ф_обр. В результате обратное поле и обусловленный им момент М_обр оказываются зна­чительно ослабленными и ротор однофазного двигателя вращается и направлении прямого поля под действием момента

М = М_пр - М_06р, (16.3)

где М_пр — электромагнитный момент, обусловленный прямым полем.

Рис. 16.2. Разложение пульсирующего магнитного потока на два вра­щающихся

На рис. 16.3 представлен график зависимости вращающего момента М в функции скольжения s = s_пр. Этот график получен путем наложения графиков М_пр = f (s_np) и М_о6р = f (s_обр)- При малых значениях скольжения s, что соответствует работе двигателя в пределах номинальной нагрузки, вращающий момент Мсоздается главным образом моментом М_пр.

При s_пр = s_обр = 1 моменты М_пр и М_о6р равны, а поэтому пуско­вой момент однофазного двигателя равен нулю. Следовательно, однофазный асинхронный двигатель не может самостоятельно прийти во вращение при подключении его к сети, а нуждается в первоначальном толчке, так как лишь при s≠ 1 на ротор двигателя действует вращающий момент М = М_пр- М_обр

Рис. 16.3. Механические характе- Рис. 16.4. Схема однофазного ристики однофазного асинхронного асинхронного двигателя с пусковой двигателя обмоткой

Приведенные на рис. 16.3 зависимости моментов показывают, что однофазный асинхронный двигатель не создает пускового мо­мента. Чтобы этот момент появился, необходимо во время пуска двигателя создать в нем вращающееся магнитное поле. С этой целью на статоре двигателя помимо рабочей обмотки Априменяют еще одну обмотку — пусковую В. Эти обмотки располагают на статоре обычно так, чтобы их оси были смещены относительно друг друга на 90 эл. град. Кроме того, токи в обмот­ках статора и должны быть сдвинуты по фазе относительно друг друга. Для этого в цепь пусковой обмотки включают фазосмещающий элемент (ФЭ), в качестве которого могут быть применены активное сопротивление, индуктивность или ем кость (рис. 16.4). По достижении частотой вращения значения близкого к номинальному, пусковую обмотку Вотключают с по мощью реле. Таким образом, во время пуска двигатель является двухфазным, а во время работы — однофазным.

Для получения вращающегося магнитного поля посредством двух обмоток на статоре, смещенных относительно друг друга на 90 эл. град, необходимо соблюдать следующие условия (рис. 16.5):

а) МДС рабочей и пусковой обмоток и должны быть и равны и сдвинуты в пространстве относительно друг друга на 90 эл. град;

б) токи в обмотках статора и должны быть сдвинуты по фазе относительно друг друга на 90°.

При строгом соблюдении указанных условий вращающееся поле статора является круговым, что соответствует наибольшему вращающему моменту. При частичном нарушении какого-либо из условий поле статора становится эллиптическим, содержащим об­ратную составляющую (см. рис. 9.5, б). Обратная составляющая поля создает тормоз­ной момент и ухудшает пусковые свой­ства двигателя.

Из векторных диа­грамм, приведенных на рис. 16.6, видно, что активное сопротивле­ние и индуктивность в качестве ФЭ не обес­печивают получения фазового сдвига между токами в 90°. Лишь только емкость С в качестве ФЭ обеспе­чивает фазовый сдвиг ψ = 90°. Значение этой емкости выбирают та­ким, чтобы ток пусковой обмотки в мо­мент пуска (s = 1) опережал по фазе напря­жение , на угол φ_в, дополняющий угол φ_А до 90°:

Рис. 16.5. Получение вращающегося магнитного

поля двухфазной системой токов

Если при этом обе обмотки создают одинаковые по значению МДС, то в начальный период пуска вращающееся поле окажется круговым и двигатель будет развивать значительный начальный пусковой момент. Однако применение емкости в качестве ФЭ часто ограничивается значительными габаритами конденсаторов, тем более что для получения кругового поля требуются конденсаторы значительной емкости. Например, для однофазного двигателя мощностью 200 Вт необходима емкость 30 мкФ при рабочем на­пряжении 300—500 В.

Получили распространение однофазные двигатели с активным сопротивлением в качестве ФЭ. При этом повышенное активное сопротивление пусковой обмотки достигается тем, что она выполняется проводом уменьшенного сечения (по сравнению с проводом рабочей обмотки). Так как эта обмотка включена на непро­должительное время (обычно несколько секунд), то такая ее кон­струкция вполне допустима. Пусковой момент таких двигателей обычно не превышает номинального, но это вполне приемлемо при пуске двигателей при небольшой нагрузке на валу.

Рис. 16.6. Сравнение свойств фазосмещающих элементов:

а— активное сопротивление, б— индуктивность, в— емкость, г— механиче­ские характеристики двигателя при различных фазосмещающих элементах; 1 — активное сопротивление; 2— емкость

Применение емкости в качестве ФЭ позволяет получить пус­ковой момент М_п= (1,6÷2,0) М_ном. На рис. 16.6, г приведены меха­нические характеристики однофазного асинхронного двигателя при различных ФЭ. Для большей наглядности значения момента даны в относительных единицах.

Асинхронные конденсаторные двигатели

Асинхронный конденсаторный двигатель имеет на статоре две обмотки, занимающие одинаковое число пазов и сдвинутые в про­странстве относительно друг друга на 90 эл. град. Одну из обмоток — главную — включают непосредственно в однофазную сеть, а дру­гую — вспомогательную — включают в эту же сеть, но через ра­бочий конденсатор С_ра6 (рис. 16.7, а).

В отличие от рассмотренного ранее однофазного асинхронно­го двигателя в конденсаторном двигателе вспомогательная обмот­ка после пуска не отключается и остается включенной в течение всего периода работы, при этом емкость С_раб создает фазовый сдвиг между токами и .

Таким образом, если однофазный асинхронный двигатель по окончании процесса пуска работает с пульсирующей МДС стато­ра, то конденсаторный двигатель - с вращающейся. Поэтому конденсаторные двигатели по своим свойствам приближаются к трехфазным двигателям.

Необходимая для получения кругового вращающегося поля емкость (мкФ)

C_раб = 1,6 10⁵ I_A sin φ_A / (f₁U_A k²), (16.4)

при этом отношение напряжений на главной U_А и на вспомога­тельной U_Bобмотках должно быть

U_A /U_B = tg φ_A ≠ 1.

Здесьφ_A - угол сдвига фаз между током и напряжением при круговом поле; k = ω_B k_B/ (w _Ak_A ) - коэффициент трансформации, представляющий собой отношение

Рис. 16.7. Конденсаторный двигатель:

а— с рабочей емкостью, б — с рабочей и пусковой емкостями, в — механические характеристики; 1— при рабочей емкости, 2— при ра­бочей и пусковой емкостях

эффективных чисел витков вспомогательной и главной обмоток; k_Aи k_B— обмоточные коэффициенты обмоток статора.

Анализ (16.4) показывает, что при заданных коэффициенте трансформации kи отношении напряжений U_A/ U_Bемкость С_ра6 обеспечивает получение кругового вращающегося поля лишь при одном, вполне определенном режиме работы двигателя. Если же и изменится режим (нагрузка), то изменятся и ток I_Aи фазовый угол φ_A, а следовательно, и С_раб, соответствующая круговому полю. Таким образом, если нагрузка двигателя отличается от расчетной, то вращающееся поле двигателя становится эллиптическим и рабочие свойства двигателя ухудшаются. Обычно расчет С_раб ведут для номинальной нагрузки или близкой к ней.

Обладая сравнительно высокими КПД и коэффициентом мощности (соs φ₁ = 0,80 ÷ 0,95), конденсаторные двигатели имеют неудовлетворительные пусковые свойства, так как емкость С_раб обеспечивает круговое поле лишь при расчетной нагрузке, а при пуске двигателя поле статора эллиптическое. При этом пусковой момент обычно не превышает 0,5М_НОМ.

Для повышения пускового момента параллельно емкости С_раб включают емкость С_пуск, называемую пусковой(рис. 16.7, б). Величину С_пуск выбирают, исходя из условия получения кругового поля статора при пуске двигателя, т. е. получения наибольшего пускового момента. По окончании пуска емкость С_пуск следует отключать, так как при небольших скольжениях в цепи обмотки статора, содержащей емкость Си индуктивность L, возможен резонанс напряжений, из-за чего напряжение на обмотке и на конденсаторе может в два-три раза превысить напряжение сети.

При выборе типа конденсатора следует помнить, что его рабо­чее напряжение определяется амплитудным значением синусои­дального напряжения, приложенного к конденсатору U_c. При кру­говом вращающемся поле это напряжение (В) превышает напряжение сети U₁и определяется выражением

U_c = U₁ (16.5)

Рис 16.8. Схемы включения двухфазного двига­теля в трехфазную сеть

Конденсаторные двигатели иногда называют двухфаз­ными, так как об­мотка статора этого двигателя содержит две фазы. Двухфаз­ные двигатели могут работать и без кон­денсатора или дру­гого ФЭ, если к фа­зам обмотки статора подвести двухфаз­ную систему напря­жений (два напря­жения, одинаковые по значению и час­тоте, но сдвинутые по фазе относительно друг друга на 90°). Для получения двухфаз­ной системы напряжений можно воспользоваться трехфазной ли­нией с нулевым проводом, включив обмотки статора так, как по­казано на рис. 16.8, а: одну обмотку — на линейное напряжение U_AB,а другую — на фазное напряжение Uc через автотрансфор­матор AT (для выравнивания значения напряжений на фазных об­мотках двигателя). Возможно включение двигателя и без нулевого провода (рис. 16.8, б ), но в этом случае напряжения на обмотках двигателя будут сдвинуты по фазе на 120°, что приведет к некото­рому ухудшению рабочих свойств двигателя.

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: