Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

«КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ИНСТИТУТ УПРАВЛЕНИЯ, АВТОМАТИЗАЦИИ И ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

КАФЕДРА ЭЛЕКТРОПРИВОДА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

Реферат

на тему: «Конденсаторные асинхронные двигатели и асинхронные двигатели с пусковыми обмотками»

Выполнил студент:

Рафиков М.Р.

Руководитель: Желонкин А.В.

Казань, 2015 г



Конденсаторные двигатели -- разновидность асинхронных двигателей, в обмотки которого включены конденсаторы для создания сдвига фазы тока. Конденсатор рассчитывают таким образом, чтобы в номинальном режиме вращающийся магнитный поток был круговым. Подключаются в однофазную сеть посредством специальных схем.

Как правило, одна из обмоток («фаза двигателя») запитывается напрямую от однофазной сети, а другая обмотки запитывается через электрический конденсатор, который сдвигает фазу подводимого тока почти на 90°.Чтобы результирующее вращающееся магнитное поле не было эллиптическим, последовательно с конденсатором включается переменный проволочный резистор, с помощью которого добиваются кругового вращающегося магнитного поля.

Рис.1. Схема (а) и векторная диаграмма (б) конденсаторного асинхронного двигателя: U, U_Б, U_C - напряжения; I_A, I_Б - токи; А и Б - обмотки статора; В - центробежный выключатель для отключения С₁ после разгона двигателя; C₁ и C₂ - конденсаторы.в)механическая характеристика.

асинхронный двигатель конденсатор обмотка

Энергетические показатели данного двигателя практически не уступают показателям трехфазного двигателя, а по сosц он даже превосходит его: сosц = 0,8 - 0,95; КПД = 70 - 80 %; Mмах/Mном = 1,8 - 2,5.(перегрузочная способность)

У конденсаторного двигателя обе обмотки являются рабочими. Из условия получения кругового поля их числа витков в общем случае различны. Выбор конденсатора может показаться достаточно сложной задачей. Для этого существует, как минимум, два способа.

Первый способ - подбор емкости конденсатора опытным путем. Критерии для оценки оптимального выбора емкости ток холостого хода и пусковой момент. Момент должен быть максимальный, а ток холостого хода минимальный. Обычно достаточно оценки по току холостого хода.

Двухфазный асинхронный двигатель, в отличие от трехфазного, имеет возможность плавного регулирования частоты вращения ротора.

Делается это одним из двух способов: амплитудным (изменением напряжения Uy) и фазным (изменением емкости конденсатора С).

Второй способ выбора емкости конденсатора - метод расчета. Остановимся на этом подробнее. В этом случае напряжения на обмотках должны быть сдвинуты по фазе на 90^о, поэтому

jU_a = U_в k_waw_a / k_wвw_в. (1)

Токи в обмотках I_a и I_в также будут сдвинуты по фазе на 90° и будут создавать МДС

jI_ak_waw_a =I_вk_wвw_в (2)

где w_a и w_в - числа витков обмоток б и в; k_wa и k_wв обмоточные коэффициенты для обмоток б и в.

Перемножая левые и правые части равенств (1) и (2), получаем

U_бI_б = U_вI_в

Т. е. полные мощности обеих обмоток будут равны. Так как обмотки находятся в одинаковых условиях по отношению к ротору, то развиваемые ими активные мощности также будут равны, т. е. U_бI_бcosц_б = U_вI_вcosц_в откуда следует, что ц_б = ц_в. Кроме того, согласно рис.

U_б = U₁

U_в+U_с = U₁

и угол сдвига между током I_в и напряжением на конденсаторе U_с составляет 90^о. Этим условиям соответствует векторная диаграмма. Согласно этой диаграмме

U_с = U_в /sinц_в

Емкость, необходимая для создания кругового поля, определяется из соотношения

I_в = U_с /x_c = (U_в / sinц_в) щC

откуда

C = I_в sinц_в / (щU_в)

Мощность конденсатора составляет

Q_C = U_с I_в = U_в I_в / sinц_в

Таким образом, мощность конденсатора равна полной мощности двигателя, Т. е. относительно велика. Следует обратить внимание, что при заданном значении емкости C круговое поле создается только при одной определенной нагрузке двигателя (при одном значении тока). При других нагрузках поле является эллиптическим и работа двигателя ухудшается. Можно регулировать емкость с изменением нагрузки, но это будет усложнять схему двигателя. Чтобы получить круговое поле при пуске и при какой-либо нагрузке, иногда конденсаторы включают в две параллельные ветви; при нагрузке работает одна ветвь, а при пуске включают обе.

Рис.2 Векторная диаграмма

У конденсаторных двигателей использование материалов почти такое же, как у трехфазного двигателя равной мощности, КПД их также примерно равны, аcosц несколько выше у конденсаторных двигателей.

Получение кругового поля в конденсаторном асинхронном двигателе

Рис.3. Схема включения конденсаторного двигателя (общий случай)



Рассмотрим двигатель с двумя обмотками А и В (рис.3.). Последовательно с обмоткой В кроме конденсатора С включено добавочное сопротивление R_д, а главная обмотка питается от сети через делитель напряжения.

Необходимым условием получения кругового поля является равенство нулю одной из последовательностей токов, например, обратной.

Ток прямой последовательности-трехфазный переменный ток образующий правое вращение намагничивающей силы в электрической машине.

Нулевой последовательности-входящий фазный ток, но не образующий намагничивающей силы. Присутствует при наличии нулевого провода. Ток обратной последовательности - вызывает вращение намагничивающей силы обратное прямому.

Возникающие при работе электрических машин гармоники тока(вызванные несинусоидальностью питания, магнитной системы и т.д.)

- ток обратной последовательности.

Это значит, что

Обозначим через коэффициент б отношение напряжения на обмотке А к напряжению сети U_B: б = U_A /U_B

Раскрывая полные сопротивления Z_B1 и Z_A1, получим



Выразим параметры обмотки В через параметры обмотки А:

Комплексное число равно нулю, если равны нулю действительная и мнимая части:

 

Таким образом, если одновременно выполнить условия и, поле в двигателе станет круговым.

На практике круговое поле в конденсаторном двигателе получают одним из следующих способов:

1) подбором емкости конденсатора С и коэффициента трансформации k;

2) подбором емкости конденсатора С и соотношения фазных напряжений б;

3) подбором емкости конденсатора С и добавочного сопротивления Rд.(параметрический)

1. Получение кругового поля подбором емкости конденсатора и коэффициента трансформации. При R_д = 0, б = 1 (рис. 4.) уравнения (1.2), (1.3) принимают вид 



Рис.4. Схема включения (а) и векторная диаграмма (б) конденсаторного двигателя при R_д = 0 и б = 1

Решая первое уравнение системы (3.4), найдем коэффициент трансформации

где ц_A - угол между током и напряжением фазы А.

Решая второе уравнение системы (3.4), найдем емкостное сопротивление конденсатора

Или с учетом k = x_A1 /r_A1; kІ x_A1 = x_B1

Зная x_c, легко определить емкость конденсатора, мкФ

C = 10⁶/(2рfx_c).

Поскольку полные сопротивления r_A1, x_A1, x_B1 зависят от скольжения, а коэффициент трансформации и емкость конденсатора должны иметь конкретные значения, круговое поле в двигателе будет иметь место лишь при определенном скольжении S. Таким скольжением чаще всего выбирают скольжение S = 1 или S = S_ном. Во всех остальных режимах, т.е. при всех остальных скольжениях, поле в микродвигателе будет эллиптическим.

На рис. 5.,б построена векторная диаграмма асинхронного конденсаторного двигателя при круговом поле, из которой можно определить рабочее напряжение конденсатора - второй, после емкости, важный параметр конденсатора

2. Получение кругового поля подбором емкости конденсатора и соотношения фазных напряжений

Рис.5. Схема включения конденсаторного двигателя при R_Д = 0 и б ? 1

В этом случае (рис. 5.) уравнения (3.2), (3.3) принимают следующий вид



Решая систему (1.5), найдем

3.Получение кругового поля подбором емкости конденсатора и добавочного сопротивления

Рис.6. Схема включения конденсаторного двигателя при R_Д = 0 и б = 1

Схема включения показана на рис. 6. Уравнения (3.2), (3.3) принимают вид

 

Откуда находим:



Данный способ имеет одно ограничение: разность kx_A1 - kІr_A1 должна быть > 0.

Необходимо еще раз подчеркнуть, что все три способа позволяют получить круговое поле только при одном скольжении. При всех других оно становится эллиптическим.

Преимущества и Недостатки

Преимущества.

Высокие энергетические показатели: сosц = 0,8 - 0,95; КПД = 70 - 80 %; Mмах/Mном = 1,8 - 2,5.(перегрузочная способность).

Практически единственный способ реализации асинхронного двигателя в обычной бытовой однофазной сети.

Недостатки.

Ёмкость конденсатора подобрана для случая оптимальной частоты вращения двигателя. В случае, если частота вращения ниже оптимальной (пуск или большая механическая нагрузка, особенно переменная) противо-ЭДС в обмотке, подключенной через конденсатор, отклоняется от идеального значения, что разбалансирует всю схему и приводит к появлению эллиптического магнитного поля с сильным падением мощности.

Поэтому схема применима только для небольших или для практически постоянных нагрузок, как, например, в проигрывателе виниловых дисков или же отопительном циркуляционном насосе. В таком бытовом приборе, как пылесос, это невозможно, и потому там применяется коллекторный двигатель.

Кроме того, конденсаторный двигатель, как и любой асинхронный, предъявляет довольно высокие требования к качеству синусоиды и частоте питающего напряжения. Потому устройства, содержащие такие двигатели (например, большинство современных отопительных и водонагревательных агрегатов, да даже и обычный напольный вентилятор) нельзя подключать к дешевому ИБП.

Ограниченный ресурс конденсатора.

Трёхфазные асинхронные двигатели, включенные в однофазную сеть

Трёхфазные двигатели переделываются под однофазную сеть обычно в частном порядке или мелкосерийном производстве в силу массовости таких типов двигателей и сетей, выбирая при этом между сложностью схемы и недоиспользованием мощности двигателя.

Такие двигатели используются в основном в бытовой технике малой мощности: советские стиральные машины, двигатели бобинных и стационарных кассетных магнитофонов, недорогих проигрывателях виниловых дисков и другой подобной технике.

Трёхфазные асинхронные двигатели в однофазную электрическую сеть включают через фазосдвигающий конденсатор.

Вывод одной обмотки электродвигателя подключается к «фазовому» проводу, вывод второй обмотки -- к нейтральному проводу. Вывод третьей обмотки подключается через конденсатор, ёмкость которого подбирается по формулам, в зависимости от того, как соединены обмотки двигателя -- «звездой» или «треугольником».

Рабочая емкость конденсатора для 3-фазного двигателя определяется по формуле С_р = 2800 *I/U (мкФ), если обмотки соединены по схеме "звезда", или С_р = 4800 *I/U (мкФ), если обмотки соединены по схеме "треугольник". При известной мощности двигателя ток можно определить из выражения:

I=P/1,73*U*n*cos@, где:

P - мощность двигателя, Вт

U - напряжение сети, В

n - к.п.д

cos - коэффициент мощности. Емкость пускового конденсатора С_п=(2,5 - 3)*С_р. Рабочее напряжение конденсаторов должно быть в 1,5 раза выше напряжения сети; конденсаторы устанавливаются обязательно бумажные. Во всех схемах напряжение конденсатора должно быть по крайней мере на 15 % больше напряжения сети.

Рис.7. Схема включения в однофазную сеть трехфазного асинхронного двигателя с обмотками статора, соединенными по схеме "звезда" (а) или "треугольник" (б): B₁ Переключатель направления вращения (реверс), В₂ - Выключатель пусковой емкости; С_р - рабочий конденсатор; C_п - пусковой конденсатор; АД - асинхронный электродвигатель.

Асинхронные двигатели с пусковыми обмотками

Т.к у однофазного АД отсутствует пусковой момент,а раскручивать ротор вручную неудобно, поэтому на статоре располагают две обмотки: главную (ГО) и пусковую (ПО).Главная обмотка занимает 2/3, пусковая -1/3 пазов статора. Пусковая обмотка выполняется более тонким проводом, сдвинута по окружности статора относительно главной обмотки на 90 электрических градусов и подключается к сети переменного тока через фазосдвигающий элемент.

В качестве пусковых элементов применяются пусковая обмотка повышенного сопротивления или пусковой конденсатор. Двигатели с пусковой обмоткой повышенного сопротивления просты по конструкции и дешевы, не имеют дополнительного фазосдвигающего элемента. Время подключения пусковой обмотки к сети обычно не должно превышать 5 с. Двигатели имеют достаточно хорошие пусковые характеристики (кратность начального пускового момента -- до 1,5), однако кратность пускового тока достигает 10 и более. К недостаткам двигателей данного типа следует отнести пониженную надежность по сравнению с конденсаторными двигателями из-за возможного выхода из строя пусковой обмотки.

Асинхронный двигатель с пусковым конденсатором

Для улучшения пусковых характеристик последовательно с пусковой обмоткой включается пусковой конденсатор С_п. Двигатель пускают как однофазный, а при достижении определенной частоты вращения вспомогательную обмотку отключают и он продолжает работать как однофазный (рис.8.) Так как после пуска конденсатор отключается, то остальные характеристики двигателя сохраняются такими же, как и у двигателя с пусковой обмоткой повышенного сопротивления.



Рис. 8. 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. Часто в двухфазных двигателях обмотки А и В занимают неодинаковое число пазов статора. Так, в двигателях с пусковым элементами рабочая обмотка укладывается в 2/3 пазов статора (N_ZA = 2/3·N_ZC), а пусковая - в 1/3 пазов (N_ZВ = 1/3·N_ZC). В этом случае:

r_cB= k²a· (k_обА/k_обВ)²r_cA;x_cB= k²a· (k_обА/k_обВ)²x_cA,

где: a = N_ZA/N_ZB, - соотношение числа пазов, занимаемых обмотками статора; k = w_B/w_A- коэффициент трансформации, равный отношению числа физических витков обмотки В к числу физических витков обмотки А.



Рис.9 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. Поскольку q= 90^о, F ~ I, параметры фазы А постоянны, получается, что

М_П ~ I_BK·sinb.

Согласно рис. 8.1, I_BK·sinb ~ ab. Таким образом,

МП ~ ab.	(3.7)

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 %, сosц = 0,5 - 0,6; M_мах/M_ном = 1,4 - 2.

Асинхронный двигатель с пусковым сопротивлением

Двигатель пускается как несимметричный двухфазный, а при достижении частоты вращения, близкой к номинальной, пусковая обмотка автоматически отключается (рис. 10.).

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

Рис.10. 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 витков наматывают бифилярно. Это еще больше усиливает разность x_SП и x_SР.



Рис.11. Круговая диаграмма пусковых токов асинхронного двигателя с пусковым сопротивлением

На рис. 11 приведена круговая диаграмма пусковых токов асинхронного двигателя с пусковым сопротивлением. Согласно (9.1) и здесь пусковой момент пропорционален отрезку ab

М_П ~ ab.

Максимальный пусковой момент будет определяться отрезком a_mb_m, поученным на линии, проведенной параллельно ab через 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 %; cosц = 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.

Асинхронный двигатель с расщепленными полюсами

Асинхронный двигатель с расщепленными 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. 12,а). Статор, собираемый из тонких листов электротехнической стали, имеет явно выраженные 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. 12,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.10,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 в. К тому же потоки _ЭК и ' сдвинуты в пространстве на угол и(рис. 12,а). Таким образом, в двигателе имеются два потока, сдвинутых в пространстве и во времени. Этого достаточно, чтобы даже при сосредоточенной однофазной обмотке в двигателе образовалось вращающееся магнитное поле. Поскольку углы в и и далеко не 90є, это поле эллиптическое.

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

Рис. 12. Асинхронный двигатель с экранированными полюсами:а- поперечный разрез (ОВ - обмотка возбуждения; КЗВ - короткозамкнутый виток; МШ - магнитный шунт); в-векторная диаграмма 1-статор 2-обмотка возбуждения 3-полюса 4-кз витки 5-ротор.

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 ц - 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 волну НС, в которой сильно выражена 3-я гармоника (рис. 12,а). Эта гармоника образует свой вращающий момент, из-за чего в пусковой характеристике двигателя возникает глубокий провал (рис. 12, б). По этой причине вполне вероятно застревание ротора при скорости вращения примерно равной 1/3 синхронной.

Короткозамкнутый виток приводит к большим потерям мощности, поэтому КПД двигателя составляет всего 25 - 40 %. Его сosц = 0,4 - 0,6.Большие потоки рассеяния обмотки ротора, которые замыкаются через полюсные наконечники, приводят к большим индуктивным сопротивлениям этой 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. 13. 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. 13). Однако, несмотря на все усовершенствования, пусковые и рабочие свойства двигателей остаются невысокими.

Рис. 13. Асинхронные двигатели с несколькими витками (а) и с неравномерным воздушным зазором (б)



Список литературы

1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МИКРОМАШИНЫ к.т.н., профессор Шишкин В.П.

2.http://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/97707/Конденсаторный

3.https://ru.wikipedia.org/wiki/Конденсаторный_двигатель

Размещено на Allbest.ru

...