Однофазные двигатели. 
Электрические машины

Передача и распределение электрической энергии в основном осуществляются трехфазной системой напряжений и токов. Однако в бытовых сетях и на транспорте применяются однофазные системы. Для преобразования электрической энергии в механическую в этих сетях применяются однофазные двигатели. Бытовые однофазные асинхронные двигатели выпускаются промышленностью в количестве нескольких десятков миллионов в год. Основные применения их — в холодильниках, вентиляторах, кондиционерах, насосах и других бытовых приборах.

Однофазный асинхронный двигатель на статоре имеет однофазную обмотку и короткозамкнутый ротор с заливкой пазов алюминием. Конструктивно однофазный двигатель отличается от обычного трехфазного выполнением обмотки статора. Однофазный двигатель получается из трехфазного, когда используются одна или две его фазы (рис. 3.91).

В однофазных двигателях ток статора 1 создает пульсирующее поле, которое может быть предс тавлено двумя вращающимися в противоположные стороны полями. Прямое и обратное поля имеют одинаковые амплитуды и вращаются в противоположные стороны с одинаковой частотой. Эти поля создают моменты прямой М, _t и обратной М-_п последовательностей (рис. 3.92), а результирующий момент.

При пуске, когда 6 =1, однофазный двигатель не развивает пускового момента, так как моменты от прямого и обратного полей равны друг другу. Это большой недостаток однофазных двигателей.

Рис. 3.91. Схемы однофазных двигателей.

Рис. 3.92. Момент однофазного двигателя.

Энергетические характеристики однофазных двигателей хуже характеристик трехфазных, так как при том же моменте сопротивления скольжение у них больше, чем у трехфазного. Увеличение скольжения приводит к возрастанию электрических потерь в роторе, снижению КПД и coscp. Максимальный момент однофазного асинхронного двигателя также ниже, чем трехфазного.

Рис. 3.93. Результирующая МДС при соединении последовательно трех и двух фаз обмотки.

При использовании трехфазного двигателя в качестве однофазного нет необходимости использовать три фазы обмотки. При последовательном включении трех фаз расход меди увеличивается на 50% по сравнению с последовательным включением двух фаз, однако это дает увеличение МДС лишь на 17%, что очевидно из сравнения F₂ и Д₃, на рис. 3.93. Чтобы использовать три фазы обмотки при однофазном питании, необходимо па одной из фаз поменять начало и концы обмотки.

Трехфазный двигатель имеет мощность.

где г|₃ и cos ф_:) — КПД и коэффициент мощности в трехфазном режиме. Мощность однофазного двигателя.

где тр и cos ф[ — КПД и коэффициент мощности однофазного двигателя.

В тех же габаритах мощность однофазного двигателя составляет 50—60% мощности трехфазпого. Поэтому работа трехфазного двигателя с номинальной нагрузкой при обрыве одной фазы в однофазном режиме недопустима, так как ток в обмотках двигателя будет значительно больше номинального. Работа трехфазного двигателя при обрыве фазы является одной из причин преждевременного выхода из строя асинхронных двигателей.

Математическая модель однофазного двигателя состоит из двух пар обмоток на статоре и роторе (рис. 3.94). Обмотки wl_a и wfp создают прямое поле, и к ним подводятся напряжения и_а = f/,"sin ш/. и ир = U_mcosa> Обмотки ш_2а ^и w₂p создают обратное поле, и к ним подводятся напряжения.

Рис. 3.94. Математическая модель однофазного двигателя.

^и2а ⁼ U_mcos соt и М2р = U_msin cof. Если ротор короткозамкнутый, напряжения на обмотках ротора равны нулю. Если рассматривается ненасыщенный однофазный двигатель, когда связи между прямым и обратным полями отсутствуют, уравнения напряжения записываются в виде.

В системе (3.132) г'_1а, гр, г[_а и г|р — активные сопротивления прямой последовательности статора и ротора по осям, а и р; /2_а, r)|j, Г2_а и Г2р — активные сопротивления обмоток статора и ротора для обратной последовательности по осям а и р. Активные сопротивления обмотки статора для прямой и обратной последовательностей равны друг другу. Активные сопротивления ротора за счет вытеснения тока несколько отличаются друг от друга. Частоты токов прямой и обратной последовательностей в роторе различны из-за того, что поле прямой последовательности вращается в сторону вращения ротора, а поле обратной последовательности — в противоположную сторону; L_a, Lр, 14* ^{и2р —} ин;

дуктивности обмоток статора прямой и обратной последовательностей статора по осям а и р. Эти индуктивности равны друг другу; L_a, Lр, L'_la и L>р — индуктивности обмоток ротора по осям, а и |3. Они также равны друг другу, так как индуктивности определяются геометрией машины; М_11а, М_пр, М_22а и Л^22р — взаимные индуктивности между обмотками, которые можно считать одинаковыми и равными М; ^г1а> ^г!р. ha> ^— токи прямой последователыюсти в статоре и роторе по осям аир; i_2a, ^г2р> ^г2а ^{и г}2р ^— токи обратной последовательности в статоре и роторе по осям аир.

Момент однофазного двигателя определяется из схемы рис. 3.80, в которой к двум статорам независимо подводятся напряжения прямой U, f и обратной U₂, f₂ последовательностей. В однофазном двигателе в обмотке ротора протекают токи прямой и обратной последовательностей, поэтому в схеме для определения момента взят один ротор.

Для схем рис. 3.80, 6 уравнение момента записывается в следующем виде:

Электромагнитный момент представляет собой алгебраическую сумму четырех слагаемых.

где М — момент прямой последовательности, определяется произведениями токов прямой последовательности (первый член в уравнении (3.133)); М₂₂ — момент обратной последовательности, определяется произведениями токов обратной последовательности (второй член в уравнении (3.133)); М_п и М₂ ] — моменты от токов разных последовательностей в статоре и роторе.

Взаимодействие токов прямой и обратной последовательностей создает пульсирующие моменты, которые в установившемся режиме являются причиной вибраций и шума.

Совместное решение уравнений напряжений (3.132) и уравнения движения (3.133) с помощью ЭВМ дает ответы на большинство вопросов, связанных с электромеханическим преобразованием энергии в однофазных двигателях.

Для анализа работы однофазных двигателей используется теория несимметричных режимов трехфазных двигателей. Можно напряжение на обмотке статора однофазного двигателя представить состоящим из напряжений прямой и обратной последовательностей:

здесь Z и г₂ — сопротивления прямой и обратной последовательностей однофазного двигателя.

Для выражения (3.135) может быть предложена схема замещения, состоящая из двух последовательно соединенных сопротивлений прямой и обратной последовательностей (рис. 3.95). На схеме замещения Г₂1 и 1'₂₂ — приведенные токи в роторе прямой и обратной последовательностей; /_р1 и /_м2 — намагничивающие токи прямой и обратной последовательностей, которые в первом приближении можно (при s ~ 1) считать одинаковыми. Сопротивления в схеме замещения для статора имеют индекс «1», а дня ротора — индекс «2».

Основной недостаток однофазных двигателей — отсутствие пускового момента. Чтобы при однофазном питании двигатель развивал пусковой момент, надо уменьшить момент от обратного поля и увеличить момент от прямого поля (см. рис. 3.92). Необходимо от пульсирующего поля в воздушном зазоре машины перейти к эллиптическому полю. Наилучшие условия при пуске будут при круговом ноле, когда момент от обратного поля М₂₂ ⁼ 0. Основные видоизменения конструкции однофазных двигателей направлены к обеспечению удовлетворительных пусковых свойств.

Рис. 3.95. Схема замещения однофазного двигателя.

Однофазные конденсаторные двигатели (рис. 3.96) получили наибольшее распространение. В этом двигателе две обмотки на статоре.

W’a, Wp СДВИНУТЫ ОТНОСИ;

тельно друг друга на электрический угол 90°. Чтобы обеспечить сдвиг во времени между токами в обмотках w^s_a и w^sp, включают рабочий конденсатор С_р.

Конденсатор является лучшим фазосмещающим элементом по сравнению с активным или индуктив ным сопротивлением. Для одного из режимов в конденсаторных двигателях при постоянной емкости можно получить круговое поле, уменьшив до нуля обратное поле. Чтобы в воздушном зазоре поле было близким к круговому от режима пуска до номинального режима, необходимо изменять емкость. Поэтому в некоторых случаях на время пуска дополнительно к рабочему конденсатору С_р подключают пусковой конденсатор С", который отключается после пуска двигателя. Так как пусковой конденсатор работает в кратковременном режиме, его габариты небольшие. Емкость рабочего конденсатора рассчитывается на продолжительный режим работы. Пусковой конденсатор должен обеспечивать круговое поле при пуске при номинальной нагрузке.

Рис. 3.96. Однофазный конденсаторный двигатель.

В конденсаторном двигателе, у которого постоянно включен в фазу Р конденсатор С_р, рассчитанный на круговое поле в номинальном режиме, мощность обеих обмоток одинакова. Однако число витков в фазах а и р может быть различно. Отношение чисел витков в фазах.

есть коэффициент трансформации конденсаторного двигателя.

При круговом поле напряжения фаз сдвинуты на электрический угол 90° и Ир = kita, а МДС обмоток.

При этом токи 1_а и /р также сдвинуты на электрический угол 90°. Кроме того, углы между напряжениями и токами в фазах, а и р и угол между напряжением сети и общим током одинаковы. Поэтому векторная диаграмма конденсаторного двигателя выглядит так, как показано на рис. 3.97. Напряжение на конденсаторе.

а напряжение в фазе, а равно напряжению сети: U_a = U.

Тогда.

Рис. 3.97. Векторная диаграмма конденсаторною двигателя.

где из векторной диаграммы sin ф_а = sin срр.

Емкость конденсатора, необходимая для получения кругового поля, определится из выражения После подстановки формулы (3.139) в формулу (3.140) имеем.

Емкость, необходимая для получения кругового поля, достаточно большая и занимает объем, близкий к объему самого двигателя, что является недостатком конденсаторных двигателей.

Энергетические показатели конденсаторного двигателя благодаря круговому нолю в воздушном зазоре такие же, как и у трехфазного двигателя. Таким же оказывается и использование материалов.

Конденсаторные двигатели выпускаются большими сериями как с пусковой, так и с рабочей емкостью, на мощности от 18 до 600 Вт.

Рис. 3.98. Однофазный двигатель с короткозамкнутым витком на полюсе.

Одной из разновидностей однофазных асинхронных двигателей являются двигатели с экранированными полюсами или, как их еще называют, однофазные двигатели с короткозамкнутым витком па полюсе. В таких двигателях статор имеет явно выраженные полюсы, на которых располагается однофазная катушечная обмотка 1 (рис. 3.98). Каждый полюс продольным пазом разделен на две неравные части. Меньшую часть полюсного наконечника охватывает короткозамкнутый виток 2. Штампованный из листов электротехнической стали магнитопровод статора образует полюсные наконечники и спинку статора. Ротор двигателя — обычный, с короткозамкнутой обмоткой.

Ток, протекающий в обмотке статора Д, создает пульсирующий поток, который наводит в короткозамкнутом витке ток /_к. Индуктивные и активные сопротивления обмотки и короткозамкнутого витка различны, поэтому токи Д и Д сдвинуты во времени, а оси обмоток сдвинуты в пространстве.

Из-за пространственного сдвига обмоток статора и временного сдвига потоков в воздушном зазоре между ротором и полюсным наконечником образуется вращающееся поле. Оно имеет прямую и обратную составляющие и отличается от пульсирующего поля, которое было бы в зазоре при отсутствии короткозамкнутого витка.

Однофазные двигатели с экранированными полюсами имеют при пуске момент, равный (0,2-Н), 5) М_ном. Двигатель имеет низкий КПД, равный 25—40%. Однофазные двигатели с экранированными полюсами в основном выпускаются на мощности 20—50 Вт, а иногда до 300 Вт. Такие двигатели применяются в вентиляторах, кондиционерах, проигрывателях и других установках с вентиляторной характеристикой момента нагрузки.

Двигатели с экранированными полюсами нереверсивные. Направление вращения ротора у них определенное — от широкой части полюсного наконечника к короткозамкнутому витку (см. рис. 3.98).

Однофазные двигатели с короткозамкнутым витком на полюсе имеют целый ряд модификаций: с двумя или гремя короткозамкнутыми витками, несимметричной магнитной системой и др.

Однофазные асинхронные двигатели в отличие от двухфазных и трехфазных — несимметричные электрические машины. В этих машинах электрический угол сдвига второй обмотки может быть равен 90°, а параметры — индуктивные и активные сопротивления обмоток — могут различаться. Поэтому в этих машинах есть пространственная, электрическая и магнитная несимметрия. Несимметрия приводит к появлению обратного поля, что является причиной ухудшения энергетических характеристик таких машин.

Рис. 3.99. Схемы включения трехфазных двигателей в однофазную сеть Трехфазные двигатели могут использоваться как однофазные. Наиболее распространенные схемы включения трехфазных двигателей в однофазную сеть даны на рис. 3.99. При таком включении обмотки сдвинуты относительно друг друга на электрический угол 90°, а конденсатор обеспечивает сдвиг токов, поэтому поле в зазоре близко к круговому. Двигатели, которые могут использоваться как трехфазные и однофазные, называются универсальными.