§ 2.5. Асинхронный двигатель с пусковым конденсатором

Двигатель пускают как однофазный, а при достижении определенной частоты вращения вспомогательную обмотку отключают и он продолжает работать как однофазный (рис.2.11)

Рис.2.11. Схема включения (а) и механическая характеристика (б) асинхронного двигателя с пусковым конденсатором

В целях лучшего использования обмоток, главную обмотку укладывают в 2/3 пазов статора, а вспомогательную - в 1/3 пазов статора. Число витков вспомогательной обмотки, емкость конденсатора выбирают исходя из условия получения кругового поля при пуске. Правда, поскольку N_ZA ≠ N_ZB, для расчета k и x_c следует использовать формулы (1.22).

На рис.2.12 приведена круговая диаграмма пусковых токов при изменении емкости конденсатора.

Рис.2.12. Круговая диаграмма пусковых токов асинхронного двигателя с пусковым конденсатором

Известно, что пусковой момент несимметричного двухфазного асинхронного двигателя пропорционален произведению амплитуд МДС фаз А, В и синусам углов их пространственного q и временного b сдвигов (1.10). Поскольку q= 90^о, F ~ I, параметры фазы А постоянны, получается, что

М_П ~ I_BK·sinb.

Согласно рис. 2.12, I_BK·sinb ~ ab. Таким образом,

МП ~ ab.

(2.11)

Из круговой диаграммы можно найти наибольший пусковой момент двигателя, который определяется отрезком a_mb_m, полученным как перпендикуляр, проведенный через центр окружности к продолжению вектора тока I_AK

М_П.max~ a_mb_m,

после чего нетрудно определить емкость конденсатора, обеспечивающего этот момент.

Двигатель имеет неплохие пусковые параметры M_п/M_ном=1,5 - 2; I_п/I_ном = 3 - 6, но низкие энергетические показатели в номинальном режиме: КПД = 40 - 70 %, сosφ = 0,5 - 0,6; M_мах/M_ном = 1,4 - 2.

§ 2.6. Асинхронный двигатель с рабочим конденсатором

Рис.2.13. Схема включения (а) и механическая характеристика (б) асинхронного двигателя с рабочим конденсатором

Двигатели с пусковым конденсатором и пусковым сопротивлением имеют устройство автоматического отключения пусковой обмотки после выхода в номинальный режим. Это повышает цену двигателя, хотя и снижает его надежность. В тех случаях, когда не требуется больших пусковых моментов, целесообразно применять двигатель с рабочим конденсатором (рис. 2.13).

В таком двигателе обе обмотки занимают одинаковое число пазов статора N_ZA = N_ZB.

Число витков вспомогательной обмотки и емкость конденсатора выбирают из условия получения кругового поля в номинальном режиме (s = s_ном). Двигатель имеет хорошие рабочие свойства: КПД = 50 - 80 %; cosφ = 0,8 - 0,95; M_мах/M_ном = 1,6 - 2,2. Однако пусковой момент его небольшой (M_п/M_ном = 0,3 - 0,6) что объясняется эллиптичностью магнитного поля, т.е. наличием значительного обратно вращающего тормозного момента. В целях повышения пускового момента либо увеличивают активное сопротивление ротора, либо выполняют условие получения кругового поля не при номинальном, а при большем скольжении. Однако во всех случаях надо считаться с неизбежным ухудшением энергетических показателей в номинальном режиме.

§ 2.7. Асинхронный двигатель с пусковым и рабочим конденсаторами

В тех случаях, когда от двигателя требуются высокие энергетические показатели в номинальном режиме и хорошие пусковые свойства, применяются двигатели с пусковым и рабочим конденсаторами (рис. 2.14). И при пуске, и в номинальном режиме двигатель работает как двухфазный, поэтому обмотки А и В занимают одинаковое число пазов N_ZA = N_ZB. Коэффициент трансформации и емкость рабочего конденсатора выбирают из условия получения кругового поля в номинальном режиме. Емкость пускового конденсатора выбирают из условия, чтобы в сумме с емкостью рабочего конденсатора он обеспечил заданную величину пускового момента (M_п /M_ном = 2 - 2,2).

Рис.2.14. Схема включения (а) и механическая характеристика (б) асинхронного двигателя с пусковым и рабочим конденсаторами

Энергетические показатели данного двигателя практически не уступают показателям трехфазного двигателя, а по сosφ он даже превосходит его: сosφ = 0,8 - 0,95; КПД = 30 – 40 %; M_мах/M_ном = 1,8 - 2,5.

§ 2.8. Асинхронный двигатель с пусковым сопротивлением

Двигатель пускается как несимметричный двухфазный, а при достижении частоты вращения, близкой к номинальной, пусковая обмотка автоматически отключается (рис. 2.15).

Как и в двигателе с пусковым конденсатором, в этом двигателе рабочая обмотка занимает 2/3 пазов, пусковая - 1/3 пазов статора.

Рис.2.15. Схема включения (а) и механическая характеристика (б) асинхронного двигателя с пусковым сопротивлением

В целях увеличения временного сдвига токов, рабочую обмотку стремятся выполнить с большим числом витков проводом большого сечения, а пусковую обмотку - с небольшим числом витков проводом малого сечения. В результате x_SР > x_SП ; r_SП > r_SР . Иногда для уменьшения индуктивного сопротивления пусковой обмотки часть ее витковнаматывают бифилярно. Это еще больше усиливает разность x_SП и x_SР.

Рис.2.16. Круговая диаграмма пусковых токов асинхронного двигателя с пусковым сопротивлением

На рис. 2.16 приведена круговая диаграмма пусковых токов асинхронного двигателя с пусковым сопротивлением. Согласно (2.11) и здесь пусковой момент пропорционален отрезку ab

М_П ~ ab.

Максимальный пусковой момент будет определяться отрезком a_mb_m, поученным на линии, проведенной параллельно abчерез центр окружности

М_П.max~ a_mb_m.

Хотя при пуске поле эллиптическое, двигатель имеет сравнительно высокий пусковой момент (М_п /М_ном = 1 - 1,5), что достигается значительным увеличением потока пусковой обмотки. Последнее получается за счет уменьшения ее числа витков Ф ≡ U/(4,44fw_Пk_ОП)

Энергетические показатели, как и любого однофазного двигателя, невысокие: КПД = 40 - 70 %; cosφ = 0,5 - 0,6; M_мах/M_ном = 1,4 - 2.

Данные двигатели благодаря своей простоте и низкой стоимости широко применяются в холодильниках, стиральных машинах, вообще, там, где требуется кратковременная работа, или энергия, потребляемая в течение суток, сравнительно невелика.

§ 2.9. Асинхронный двигатель с экранированными полюсами

Асинхронный двигатель с экранированными полюсами (с короткозамкнутым витком) является широко распространенным двигателем в приводах, где не требуется большого пускового момента (М_п /М_ном = 0,2 - 0,4), например, в магнитофонах, проигрывателях, вентиляторах и т.д.

Конструкция двигателя следующая (рис. 2.17,а). Статор, собираемый из тонких листов электротехнической стали, имеет явновыраженные полюса (2р = 2 или 4). Часть каждого полюса охватывается короткозамкнутым витком, выполняемым из толстой медной или алюминиевой шины. На полюсах располагается сосредоточенная однофазная обмотка возбуждения. Ротор всегда короткозамкнутый.

Принцип действия. При питании обмотки возбуждения переменным током возникает пульсирующий магнитный поток _B (рис. 2.17,б), часть которого ’ проходит по неэкранированной части полюса; другая - ” проходит по экранированной части полюса, сцепляется с витком и наводит в нем ЭДС _КЗВ. Эта ЭДС отстает от потока экранированной части ” на угол 90 градусов (рис.2.17,в). Под действием ЭДС _KЗВ по витку протекает ток _KЗВ и возникает поток витка _KЗВ, который совместно с потоком ” образует поток экранированной части _ЭК. Из диаграммы видно, что поток экранированной _ЭК и поток неэкранированной части ’ сдвинуты во времени на угол β. К тому же потоки _ЭК и ’ сдвинуты в пространстве на угол θ(рис. 2.17,а). Таким образом, в двигателе имеются два потока,сдвинутых в пространстве и во времени. Этого достаточно, чтобы дажепри сосредоточенной однофазной обмотке в двигателе образовалосьвращающееся магнитное поле. Поскольку углы β и θ далеко не 90º, этополе эллиптическое.

Вращающееся поле статора индуцирует в роторе ЭДС и токи,которые, взаимодействуя с ним, создают вращающий момент.

Рис. 2.17. Асинхронный двигатель с экранированными полюсами: а) – поперечный разрез (ОВ – обмотка возбуждения; КЗВ – короткозамкнутый виток; МШ – магнитный шунт); б) – схема потоков; в) – векторная диаграмма

Ток витка где W_К – число витков короткозамкнутого витка, Z_К – полное сопротивление витка, l_К- коэффициент магнитной проводимости на пути потока пазового рассеяния витка. Поскольку активное сопротивление витка очень маленькое, Z_К ≈ X_К. В свою очередь

Тангенс угла между током витка и его ЭДС

Из векторной диаграммы, следует, что для усиления "сдвигающего" эффекта витка ток витка _KЗВ (поток _KЗВ) должен быть по возможности большим, а угол φ - по возможности меньшим. Для того чтобы выполнить оба эти требования, виток должен быть действительно одним, а укладывать его надо в открытый паз, как имеющий наименьший коэффициент магнитной проводимости рассеяния.

Сосредоточенная обмотка возбуждения создает прямоугольную волнуНС, в которой сильно выражена 3-я гармоника (рис. 2.17,а). Эта гармоника образует свой вращающий момент, из-за чего в пусковой характеристике двигателя возникает глубокий провал (рис. 2.17, б). По этой причине вполневероятно застревание ротора при скорости вращения примерно равной1/3 синхронной.

Короткозамкнутый виток приводит к большим потерям мощности, поэтому КПД двигателя составляет всего 25 - 40 %. Его сosφ = 0,4 - 0,6.Большие потоки рассеяния обмотки ротора, которые замыкаются черезполюсные наконечники, приводят к большим индуктивным сопротивлениямэтой обмотки, поэтому кратность пускового тока двигателя весьма небольшая (I_п/I_ном = 1,2 - 1,5).

Следствием всего вышесказанного является высокая надежность двигателя с экранированными полюсами. Главный недостаток двигателя заключается в его нереверсивности. Ротор всегда вращается в сторону витка.

Рис. 2.18. Намагничивающая сила сосредоточенной обмотки возбуждения и ее гармонические составляющие (а); механическая характеристика двигателя (б)

В последнее время у нас в стране и за рубежом начинают выпускать двигатели с несколькими витками, вообще без витков, но с неравномерным воздушным зазором (рис. 2.18). Однако, несмотря на все усовершенствования, пусковые и рабочие свойства двигателей остаются невысокими.

Рис. 2.19. Асинхронные двигатели с несколькими витками (а) и с неравномерным воздушным зазором (б)

Задания:

1. Предложите конструкцию реверсивного двигателя с экранированным и полюсами.
2. Предложите способы уменьшения провала в пусковой характеристике рассмотренного двигателя.

§ 2.10. Универсальный асинхронный двигатель

Универсальным асинхронным двигателем (УАД) называется двигатель, рассчитанный на работу от сети трехфазного и однофазного тока. Их проектируют как трехфазные, но при этом учитывается работа от однофазной сети, в частности, при выборе соотношения числа пазов статора и ротора, воздушного зазора и ряда других параметров. Двигатель имеет на статоре симметричную трехфазную обмотку и короткозамкнутый ротор. При работе от сети трехфазного тока обмотка статора соединяется в звезду (рис. 2.20,а). В однофазную сеть он обычно включается по схеме рис. 2.20,б.

Несмотря на то, что в двигателе 3 обмотки, при включении его по схеме 2.20,б возникают две НС сдвинутые в пространстве на 90º. Убедиться в этом можно, рассматривая диаграмму НС на рис. 2.20,в, в которой вектор НС фазы С₂ – С₅ повернут на 180º , т.к. ток в этой фазе течет в противоположном направлении по сравнению с другими фазами.

Схема рис. 2.20,б фактически равноценна схеме двухфазного двигателя, у которого фаза А состоит из двух фаз трехфазного двигателя с числом витков W_A = W_Ф (вектор F_A в раз длиннее вектора F_B ),а фаза В есть фаза трехфазного двигателя с числом витков W_Ф. Коэффициент трансформации двухфазного двигателя k = W_A /W_B = . [4].

Известно, что круговое поле получается при таком скольжении, при котором:

1) k = tg φ = или φ = 30⁰ ,что соответствует cosφ = 0,866 трехфазной машины, и

2) x_с = x_A1 + x_B1.

Считая известными параметры обмоток трехфазного двигателя (обозначим их индексом ф), параметры двухфазного двигателя получим последующим формулам:

фаза А:

• активное сопротивление статора r_SA = 2r_Ф;
• реактивное сопротивление статора x_SA = 3x_Ф;
• реактивное сопротивление взаимоиндукции x_mА= 3x_mф;
• активное сопротивление ротора,
• приведенное к статору r_RA = 2r’_2Ф;
• реактивное сопротивление ротора,
• приведенное к статору x_RA = 2x’_2Ф;

фаза В:

• активное сопротивление статора r_SB = r_Ф;
• реактивное сопротивление статора x_SB = x_Ф;
• реактивное сопротивление взаимоиндукции x_mB = x_mф;
• активное сопротивление ротора,
• приведенное к статору r_RB = (2/3) r’_Ф2;
• реактивное сопротивление ротора,
• приведенное к статору x_RB = (2/3) x’_2ф.

Включение двигателя по схеме рис.2.20,б обеспечивает мощность порядка 75 % мощности трехфазного двигателя. Рассмотренная схема не является единственной. Существует целый ряд более сложных схем, которые позволяют получать значительно лучшие пусковые и рабочие характеристики.

Вопросы:

1) Что будет, если поменять местами зажимы С₂ и С₅ (рис.2.20,б) ?

2) Во сколько раз должен возрасти ток фазы В конденсаторного варианта УАД, чтобы поле в двигателе стало круговым ?

§ 2.11. Включение трехфазного двигателя в однофазную сеть

В практике часто возникает необходимость за неимением однофазного двигателя включать трехфазный двигатель в однофазную сеть. Можнорекомендовать следующие схемы, которые обеспечивают мощности до 75% номинальной мощности трехфазной машины.

Если двигатель рассчитан на фазное напряжение 127 В, а напряжение однофазной сети 220 В, то

С = 2800*I/U = 12,72*I мкФ,

где I,U - номинальный фазный ток и напряжение однофазной сети (рис. 2.21).

Если двигатель рассчитан на фазное напряжение 220 В, и напряжение сети тоже 220 В, то

С = 4800*I/U = 21,82*I мкФ,

где I,U - номинальный фазный ток и напряжение однофазной сети (рис. 2.22).

Во всех схемах напряжение конденсатора должно быть по крайнеймере на 15 % больше напряжения сети.

Вопрос: Как изменить направление вращения двигателя, включенногопо схеме рис. 2.21 и рис. 2.22 ?

Далее...