Однофазный асинхронный электродвигатель:
Однофазный асинхронный электродвигатель — это асинхронный электродвигатель, который работает от электрической сети однофазного переменного тока без использования частотного преобразователя и который в основном режиме работы (после пуска) использует только одну обмотку (фазу) статора.
Несколько способов пуска асинхронного двигателя:
Прямой пуск
Подразумевает подключение намоток статора к электросети без «посредников». Подходит моторам с короткозамкнутым ротором. Это двигатели небольшой мощности, у которых при подключении напрямую к электросети статорных обмоток, образующимися пусковыми токами не вызывается перегрев, способный вывести технику из строя.
В асинхронных двигателях соотношение индуктивности обмоток к их сопротивлению (L/R) небольшое. И оно тем меньше, чем меньше мощность устройства. Поэтому во время запуска образующийся свободный ток быстро затухает, и им можно пренебречь. Брать в учет будет только ту силу тока, которая установилась в результате переходного процесса.
Ниже на рисунке (а) представлена схема магнитного пускателя, обозначенного буковой К. Технически это электромагнитный выключатель, часто применяемый при запуске электродвигателей с короткозамкнутым ротором. Он необходим для автоматического разгона по естественной механической характеристике (обозначим М) от начала запуска (точка П) до момента, когда М станет равным моменту сопротивления (Мс)
Пуск с понижением напряжения
Подходит для запуска электродвигателя высокой мощности, но так же оптимален для аналогов средней, если напряжение в рабочей сети не позволяем разогнать мотор с помощью прямого пуска.
Для понижения напряжения существует три способа:
- Переключение намоток статора с треугольника (нормальная схема) на звезду (пусковая схема). Запуск начинается со звезды, а при достижении номинальной частоты происходит переключение на треугольник. При этом напряжение, питающее фазы статорных обмоток, падает в 1,73 раз. Это позволяет уменьшиться во столько же раз фазным токам, а линейные сокращаются втрое.
- Запуск с добавочным сопротивлением, приводящим к падению вольтажа на статорной обмотке (рисунок а). На момент пуска в электроцепь включают реакторы или резисторы (реактивное и активное сопротивление соответственно).
- Пуск с подключением через трансформатор понижающего типа с несколькими автоматически переключаемыми ступенями (рисунок б).
Афанасьев Никита АТП-Т19
Способы пуска однофазного асинхронного двигателя
Введение
Строго говоря, именно однофазным называется такой асинхронный двигатель, который имеет на статоре одну рабочую обмотку, которая подключается к сети однофазного тока. Запуск осуществляется вращающимся магнитным полем, создающимся основной обмоткой и дополнительной (меньшей) пусковой обмоткой, которая подключается через ёмкость/индуктивность к основной сети на время пуска или замыкается накоротко (в двигателях малой мощности).
Преимуществом двигателя является простота конструкции (короткозамкнутый ротор). Недостатки — низкий КПД и невозможность генерации им магнитного поля, исполняющего вращение. По этой причине однофазный электромотор не запустится сам при подсоединении к сети.
Применяются в основном в вентиляторах малой мощности (настольных, оконных, для ванных комнат и т. п.). Самым массовым советским вентилятором такого типа (и двигателем для него) был «ВН-2» мощностью 15 Ватт. Особенностью его конструкции является установка шарикового подшипника только с одной стороны вала двигателя (противоположной крыльчатке вентилятора), в результате из-за значительных изгибающих нагрузок подшипник (и двигатель) сильно шумит даже на малых оборотах.
Принцип работы однофазного АД.
Чтобы понять для чего нужна пусковая обмотка рассмотрим пример, когда двигатель подключен к сети 220В только на одну обмотку - рабочую.
Однофазный ток I1 этой обмотки создает пульсирующие магнитное поле, которое можно разложить на два поля Фа и Фв, имеющие равные амплитуды и вращаются в противоположные стороны с одинаковой скоростью.
При неподвижном роторе магнитные поля Фа и Фв создают одинаковые по величине, но противоположны по знаку крутящиеся моменты М1 и М2 . Поэтому при пуске результирующий момент ( Мn = M1 – M2 ) равен нулю, и двигатель не может прийти во вращение даже без нагрузки на волу.
В связи с этим для пуска однофазного АД и используется дополнительная пусковая обмотка, которая позволяет получить вращающееся магнитное поле, за счет которого обеспечивается начальный пусковой момент, который определяет направление вращение вала
Способы пуска однофазного асинхронного двигателя
Подключение однофазного двигателя
С пусковым сопротивлением
Двигатель с расщепленной фазой - однофазный асинхронный двигатель, имеющий на статоре вспомогательную первичную обмотку, смещенную относительно основной, и короткозамкнутый ротор .
Однофазный асинхронный двигатель с пусковым сопротивлением - двигатель с расщепленной фазой, у которого цепь вспомогательной обмотки отличается повышенным активным сопротивлением
1 рис (Омический сдвиг фаз, биффилярный способ намотки пусковой обмотки)
2 рис (Разное сопротивление и индуктивность обмоток)
Для запуска однофазного двигателя можно использовать пусковой резистор, который последовательно подключается к пусковой обмотки. В этом случае можно добиться сдвига фаз в 30° между токами главной и вспомогательной обмотки, которого вполне достаточно для пуска двигателя. В двигателе с пусковым сопротивлением разность фаз объясняется разным комплексным сопротивлением цепей.
Также сдвиг фаз можно создать за счет использования пусковой обмотки с меньшей индуктивностью и более высоким сопротивлением. Для этого пусковая обмотка делается с меньшим количеством витков и с использованием более тонкого провода чем в главной обмотке.
Отечественной промышленностью изготавливается серия однофазных асинхронных электродвигателей с активным сопротивлением в качестве фазосдвигающего элемента серии АОЛБ мощностью от 18 до 600 Вт при синхронной частоте вращения 3000 и 1500 об/мин, предназначенных для включения в сеть напряжением 127, 220 или 380 В, частотой 50 Гц.
С конденсаторным пуском
Двигатель с конденсаторным пуском - двигатель с расщепленной фазой, у которого цепь вспомогательной обмотки с конденсатором включается только на время пуска.
Чтобы достичь максимального пускового момента требуется создать круговое вращающееся магнитное поле, для этого требуется чтобы токи в главной и вспомогательной обмотках были сдвинуты друг относительно друга на 90°. Использование в качестве фазосдвигающего элемента резистора или дросселя не позволяет обеспечить требуемый сдвиг фаз. Лишь включение конденсатора определенной емкости позволяет обеспечить фазовый сдвиг 90°.
Литература
- https://tokar.guru/stanki-i-oborudovanie/dvigateli/odnofaznyy-asinhronnyy-dvigatel-ustroystvo-i-princip-deystviya.html#ustroystvo
- М.М.Кацман. Электрические машины и электропривод автоматических устройств: Учебник для электротехнических специальностей техникумов.- М.: Высш. шк., 1987.
- ГОСТ 27471-87 Машины электрические вращающиеся. Термины и определения.
Количев Илья АТП-Т19
Стандартный однофазный статор имеет две обмотки, расположенные под углом 90° по отношению друг к другу. Одна из них считается рабочей обмоткой, другая пусковой. В соответствии с количеством полюсов каждая обмотка может делиться не несколько секций.
На рисунке показан пример двухполюсной однофазной обмотки с четырьмя секциями в главной обмотке и двумя секциями во вспомогательной. При выборе типа запуска однофазного двигателя, необходимо руководствоваться поставленной задачей, исходя из того, что наиболее важно в данном случае: например, КПД, вращающий момент, рабочий цикл и т.д.
Например, из-за пульсирующего поля, однофазные электродвигатели CSIR и RSIR могут иметь более высокий уровень шума по сравнению с однофазными электродвигателями PSC и CSCR, которые работают намного тише, так как в них используется пусковой конденсатор. Конденсатор, через который производится пуск электродвигателя, способствует его плавной работе.
Выделяют четыре основных типа электродвигателей:
- Асинхронный двигатель с пусковым конденсатором (CSIR);
- Асинхронный двигатель с пусковым и рабочим конденсатором (CSCR);
- Асинхронный двигатель с реостатным пуском (RSIR);
- Асинхронный двигатель с постоянным разделением емкости(PSC);
Двухпроводные однофазные электродвигатели имеют две главные обмотки, пусковую обмотку и рабочий конденсатор. Такие двигатели широко применяются в США при использовании однофазных источниками питания: 115 В / 60 Гц или 230 В / 60 Гц. В наших сетях их можно применять на напряжение 220 В и 127В. При правильном включении двухпроводный тип двигателя можно использовать для разных схем электропитания.
Грачёв Данил АТП-Т19
По своему устройству однофазный асинхронный двигатель аналогичен трёхфазному и состоит из статора, в пазах которого уложена однофазная обмотка, и короткозамкнутого ротора. Особенность работы однофазного асинхронного двигателя заключается в том, что при включении однофазной обмотки статора C1-C2 в сеть МДC статора создаёт не вращающийся, а пульсирующий магнитный поток с амплитудой фmax, изменяющийся от +фmax до -фmax. При этом ось магнитного потока остаётся неподвижной в пространстве.
Для объяснения принципа действия однофазного двигателя пульсирующий поток фmax разложим на два вращающихся в противоположные стороны потока ф(пр) и ф(обр) (рис. 16.2), каждый из которых равен 0,5 фmax и вращается с частотой (об/мин)
n(пр) = n(обр) = f1 60/p = n1.
Условимся считать поток ф(пр), вращающийся в направлении вращения ротора, прямым, а поток ф(обр) — 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)/n = s.
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) = n1 — (-n2)/n1 = (n1+n2)/n1 = (n1+n1) — (n1+n2)/n1 = 2n1/n1 — (n1 — n2)/n1 = 2 — s.
Прямое поле наводит в обмотке ротора ЭДС E2(пр), а обратное поле — ЭДС E2(обр). Эти ЭДС создают в обмотке ротора токи I'2(пр) и I'2(обр).
Известно, что частота тока в роторе пропорциональна скольжению (f2 = sf1). Так как s(пр) < s(обр), то частота тока I'2(обр) намного больше частоты тока I'2(пр). Так, для однофазного двигателя с n1 = 1500 об/мин, n2 = 1450 об/мин и f1=50 Гц получим:
s(пр) = (1500 — 1450)/1500 = 0,033; f2(пр) = 0,033 * 50 = 1,65 Гц;
s(обр) = (1500 + 1450)/1500 = 1,96; f2(обр) = 1,96 * 50 = 98 Гц.
Индуктивное сопротивление обмотки ротора току I'2(обр) во много раз больше её активного сопротивления (потому что f2(обр) >> f2(пр)). Ток I'2(обр) является почти чисто индуктивным, оказывающим сильное размагничивающее действие на обратное поле ф(обр). В результате обратное поле и обусловленный им момент M(обр) оказываются значительно ослабленным и ротор однофазного двигателя вращается в направлении прямого поля под действием момента:
M = M(пр) — M(обр),
где M(пр) — электромагнитный момент, обусловленный прямым полем.
На рис. 16.3 представлен график зависимости вращающего момента M в функции скольжения s = s(пр). Этот график получен путём наложения графиков M(пр) = f(s(пр)) и M(обр) = f(s(обр)). При малых значениях скольжения s, что соответствует работе двигателя в пределах номинальной нагрузки, вращающий момент M создаётся главным образом моментом M(пр). При s(пр) = s(обр) = 1 моменты M(пр) и M(обр) 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 M = M(пр) — M(обр).
Приведённые на рис. 16.3 зависимости моментов показывают, что однофазный асинхронный двигатель не создаёт пускового момента. Чтобы этот момент появился, необходимо во время пуска двигателя создать в нём вращающееся магнитное поле. С этой целью на статоре двигателя помимо рабочей обмотки А применяют ещё одну обмотку — пусковую В. Эти обмотки располагают на статоре обычно так, чтобы их оси были смещены относительно друг на друга на 90 градусов. Кроме того, токи в обмотках статора I(A) и I(B) должны быть сдвинуты по фазе относительно друг от друга. Для этого в цепь пусковой обмотки включают фазосмещающий элемент (ФЭ), в качестве которого могут быть применены активное сопротивление, индуктивность или ёмкость (рис. 16.4). По достижении частотой вращения значения, близкого к номинальному, пусковую обмотку В отключают с помощью реле. Таким образом, во время пуска двигатель является двухфазным, а во время работы — однофазным.
Для получения вращающегося магнитного поля посредством двух обмоток на статоре, оси которых смещены относительно друг от друга на 90 эл.град, необходимо соблюдать следующие условия (рис. 16.5) :
а) МДС рабочей и пусковой обмоток F(A) и F(B) должны быть равны и сдвинуты в пространстве относительно друг друга на 90 эл.град;
б) Токи в обмотках статора I(A) и I(B) должны быть сдвинуты по фазе относительно друг друга на 90 градусов.
При строгом соблюдении указанных условий вращающееся поле статора является круговым, что соответствует наибольшему вращающему моменту двигателя. При частичном нарушении какого-либо из условий поле статора становится эллиптическим, содержащим обратную составляющую. Обратная составляющая поля создаёт тормозной момент и ухудшает пусковые свойства двигателя.
Из векторных диаграмм, приведённых на рис. 16.6, видно, что активное сопротивление и индуктивность в качестве ФЭ не обеспечивают получения фазового сдвига между токами в 90 градусов. Лишь только ёмкость C в качестве ФЭ обеспечивает фазовый сдвиг 90 градусов. Значение этой ёмкости выбирают таким, чтобы ток пусковой обмотки в момент пуска (s = 1) опережал по фазе напряжение на угол ф(B), дополняющий угол ф(A) до 90 градусов:
v = ф(A) + ф(B) = 90 градусов.
Если при этом обе обмотки создают одинаковые одинаковые по значению МДС, то в начальный период пуска вращающееся поле окажется круговым и двигатель будет развивать значительный начальный пусковой момент. Однако применение ёмкости в качестве ФЭ часто ограничивается значительными габаритами конденсаторов, тем более что для получения кругового поля требуются конденсаторы значительной ёмкости. Например, для однофазного двигателя мощностью 200 Вт необходима ёмкость 30 мкФ с рабочим напряжением 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 её конструкция вполне допустима. Пусковой момент этих двигателей обычно не превышает номинального, но это вполне приемлемо при пуске двигателей при небольшой нагрузке на валу.
Применение ёмкости в качестве ФЭ позволяет получить пусковой момент M(п) = (1,6 / 2,0) M(ном). На рис. 16.6, (г) приведены механические характеристики однофазного асинхронного двигателя при различных ФЭ. Для большей наглядности значения момента даны в относительных единицах.
Новиков Дмитрий ТОЭ-Т18