Однофазный асинхронный двигатель с расщепленными полюсами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Общие сведения

2. Образование вращающегося магнитного поля

3. Пуск в ход однофазного асинхронного двигателя

4. Механическая характеристика

5. Однофазный асинхронный двигатель с экранированными (расщеплёнными) полюсами

6. Способы пуска однофазного асинхронного двигателя

1. Общие сведения

В настоящее время широко применяются однофазные асинхронные двигатели, которые являются основными в сети однофазного переменного тока. Статор такого двигателя имеет 2 обмотки: рабочую и пусковую (вспомогательную). Обе обмотки размещены в пазах сердечника так, что их оси смещены пространственно по окружности статора на 90є. Ротор имеет одну короткозамкнутую обмотку. Устройство ротора однофазного двигателя такое же, как у трёхфазного. Двигатели, выпускаемые промышленностью, имеет малую мощность: от 1 Вт (серия УАД) до 400 Вт (серия АВЕ) и даже 600 Вт (серия АОЛБ). Однофазные асинхронные двигатели применяются в схемах автоматического управления, в различного рода бытовых устройствах, в приводах механизмов малой мощности.

2. Образование вращающегося магнитного поля

Для получения вращающего магнитного поля пусковая обмотка соединяется последовательно с конденсатором или активным сопротивлением и подключается параллельно рабочей обмотке. Подключение конденсатора или активного сопротивления даёт сдвиг фаз между токами в обмотках, близкий к 90є, что вызывает появление вращающегося магнитного поля статора. В момент времени, когда в пусковой обмотке сила тока, а следовательно, и магнитный поток достигают максимума, в рабочей обмотке ток (магнитный поток) равен нулю. Суммарный магнитный поток соответствует 1-у магнитному потоку. Через четверть периода максимум тока (магнитный поток) будет в рабочей обмотке, а в пусковой обмотке ток и магнитный поток в данный момент будут равны нулю. Суммарный магнитный поток соответствуют 2-у магнитному потоку. Ещё через четверть периода максимум силы отрицательного тока (магнитного потока) будет в пусковой обмотке, а в рабочей обмотке ток (магнитный поток) равен нулю. Суммарный магнитный поток соответствует 3-у магнитному потоку и т.д. Таким образом, при непрерывном синусоидальном изменении тока в рабочей и пусковой обмотках суммарный магнитный поток будет вращаться против хода часовой стрелки. Если амплитуды магнитных потоков рабочей и вспомогательной обмоток равны, то вращение магнитного поля будет круговым, при неравенстве амплитуд - эллиптическим.

Если статор имеет лишь одну обмотку, питаемую от сети синусоидальным током, тогда МДС этой обмотки создаёт пульсирующий в пространстве магнитный поток, который наводит переменную ЭДС и ток в короткозамкнутой обмотке ротора. МДС статора и ротора будут равны и противоположны по направлению, результирующая МДС равна нулю и, следовательно, пусковой момент равен нулю, ротор не вращается. Однако если ротор при помощи какой-либо посторонней силы привести во вращение, то в дальнейшем он будет вращаться, хотя эта сила будет снята. Он сам увеличит частоту вращения до номинальной и может преодолеть механическое торможение. Это явление можно объяснить, если представить пульсирующее магнитное поле в виде суммы двух вращающихся в противоположных направлениях магнитных полей. Оба магнитных потока создают равные по значению и противоположные по направлению вращающие моменты ротора. Поэтому ротор не может сам прийти в движение. Вращающий момент влево меньше вращающего момента вправо, и ротор будет вращаться вправо. Если придать начальное вращение ротору влево, ротор потом сам будет продолжать вращаться влево. Амплитудные значения вращающихся полей одинаковы и равны половине амплитудного значения пульсирующего поля.

3. Пуск в ход однофазного асинхронного двигателя

После пуска двигателя обмотка с конденсатором остаётся включенной. Двигатели с конденсатором получили название однофазных конденсаторных двигателей.

В маломощных однофазных асинхронных двигателях сдвиг фаз в обмотках статора обеспечивается путём насадки на часть полюса медного кольца. В медном кольце возбуждается индукционный ток, обратный основному току обмотки, а, следовательно, и магнитный поток кольца, противоположный магнитному потоку полюса, что создаёт сдвиг фаз и нарушение симметрии в магнитном потоке и обеспечивает вращающий момент ротора.

Пуск однофазного двигателя может осуществляться путём приведения ротора во вращение внешней силой. Рабочая обмотка статора, включённая в сеть однофазного переменного тока, даёт пульсирующее магнитное поле. Оно не может привести ротор во вращение. Если магнитный поток возрастает, то в витке, расположенном в вертикальной плоскости, ЭДС индукции будет равна нулю, а в витке, расположенном в горизонтальной плоскости, будут максимальные ЭДС индукции и сила тока. На эти проводники действуют силы направленные к оси вращения, они не приводят ротор во вращение. Каждый проводник правой половины ротора имеет симметричный ему проводник на левой половине ротора с противоположным направлением тока. Поэтому силы, действующие на эти проводники, уравновешиваются.

4. Механическая характеристика

Рассматривая вращающиеся поля независимо, можно установить, что одно поле, взаимодействуя с ротором, создаёт вращающий момент одного направления, а другое поле - момент противоположного направления.

Механическая характеристика однофазного двигателя находится графическим сложением механических характеристик этих направлений. Из механической характеристики однофазного двигателя видно, что пусковой момент равен нулю. Для того чтобы однофазный двигатель пустить в ход, не прибегая к сторонней силе, на статоре размещают вторую обмотку, сдвинутую в пространстве на 90є относительно первой. В цепь второй обмотки включён второй конденсатор, создающий в цепи этой обмотки сдвиг тока по фазе. Первая обмотка - рабочая, вторая - пусковая. Токи образуют вращающееся магнитное поле, создающее при взаимодействии с ротором вращающий момент, приводящий ротор двигателя во вращение. После разгона двигателя пусковая обмотка отключается от сети.

5. Однофазный асинхронный двигатель с экранированными (расщеплёнными) полюсами (конструкция)

На рис.1 показано сечение двигателя с двумя сосредоточенными или катушечными обмотками, расположенными на полюсах статора. Каждая обмотка (главная 1 и вспомогательная 2) образована двумя катушками, расположенными на противоположных полюсах. Катушки надевают на полюса и вставляют в ярмо машины, имеющее в данном случае квадратную форму. Со стороны рабочего воздушного зазора катушки удерживаются специальными выступами, выполняющими функцию полюсных башмаков 3. Благодаря им кривая распределения индукции магнитного поля в рабочем воздушном зазоре приближается к синусоиде. Без этих выступов форма указанной кривой близка к прямоугольной. В качестве фазосдвигающего элемента для такого двигателя можно использовать как конденсатор, так и резистор. Можно также закорачивать вспомогательную обмотку. В этом случае двигатель преобразуется в асинхронную машину с расщепленными полюсами.

Рисунки 1, 2

Двигатели с расщепленными полюсами используются чаще всего, благодаря своей конструктивной простоте, высокой надежности и низкой стоимости. Такой двигатель также имеет на статоре две обмотки (рис.2). Главная обмотка 3 изготовлена в виде катушки и включена непосредственно в питающую сеть. Вспомогательная обмотка 1 закорочена накоротко и содержит от одного до трех витков на полюс. Она охватывает часть полюса, чем и объясняется название двигателя. Вспомогательная обмотка изготовлена из медного провода круглой или плоской формы сечением в несколько квадратных миллиметров, который изгибается в витки соответствующей формы. Затем концы обмотки соединяют посредством сварки. Ротор двигателя выполнен короткозамкнутым, причем на его концах крепят ребра охлаждения, которые улучшают отвод тепла от обмоток статора.

Варианты конструктивного исполнения двигателей с расщепленными полюсами показаны на рис.3 и 4. В принципе главная обмотка может располагаться симметрично или асимметрично относительно ротора. На рис.6 изображена конструкция двигателя с асимметричной главной обмоткой 5 (1 - крепежное отверстие; 2 - магнитный шунт; 3 - короткозамкнутая обмотка; 4 - отверстия крепления и юстировки; 6 - каркас обмотки; 7 - ярмо). Такой двигатель имеет значительное рассеяние магнитного потока во внешней магнитной цепи, поэтому его КПД не превышает 10 - 15%, и его изготавливают на мощность не более 5 - 10 Вт.

С точки зрения технологичности двигатель с симметрично расположенной главной обмоткой является более сложным. В двигателях мощностью 10 - 50 Вт используют составной статор (рис.7, где: 1 - кольцо ярма; 2 - короткозамкнутое кольцо; 3 - полюс; 4 - ротор с обмоткой "беличья клетка"; 5 - магнитный шунт). Ввиду того что полюсы двигателя охвачены ярмом и обмотки расположены внутри магнитной системы, магнитные потоки рассеяния здесь значительно меньше, чем в конструкции на рис.6. КПД двигателя 15-25%.

Рисунки 3, 4

Рисунок 5

Для изменения частоты вращения двигателя с расщепленными полюсами используют схему с перекрестными полюсами (рис.5). В ней достаточно просто реализуется переключение числа пар полюсов обмотки статора, для изменения которых достаточно согласно включенные обмотки включить встречно. В двигателях с расщепленными полюсами используется также принцип регулирования частоты вращения, заключающийся в переключении катушек обмотки с последовательного соединения на параллельное.

Однофазный асинхронный двигатель с экранированными (расщепленными) полюсами.

Статор 1 такого двигателя имеет явно выраженные полюсы, на которых расположена рабочая обмотка РО. Каждый полюс как бы расщеплен на две неравные части, одна из которых узкая, а другая - широкая. На узкой части помещен короткозамкнутый виток wк (рис. 6, а). Ротор двигателя короткозамкнутый, обычной конструкции. Пульсирующий магнитный поток Фґ₁, созданный переменной МДС рабочей обмотки статора, пронизывает короткозамкнутый виток и наводит в нем ЭДС Ек, которая вызывает появление тока в витке и магнитного потока Ф_к (рис. 6, б). Этот поток сдвинут по фазе относительно потока рабочей обмоткиФЅ₁, складываясь с ним создает в зоне короткозамкнутого витка результирующий магнитный поток Фрез, сдвинутый по фазе относительно потока Ф₁ . В результате под полюсом есть два магнитных потока Ф₁ и Фрез, разнесенные в пространстве и сдвинутые по фазе (во времени), что обеспечивает получение вращающегося поля.

Технические данные подобных двигателей хуже, чем трехфазных ([ з = 0,1ч0,4; cosц = 0,5ч0,6, Мп = (0,1ч1) Мном ), поэтому они выпускаются на мощности до нескольких десятков ватт.

Рисунок 6

6. Способы пуска однофазного асинхронного двигателя

двигатель ток асинхронный однофазный

Однофазные асинхронные двигатели по сравнению с трёхфазными таких же размеров имеют большую мощность, худшие пусковые качества, более низкий КПД и меньший коэффициент мощности.

Трёхфазный асинхронный двигатель может работать в однофазной сети переменного тока. Для подключения трёхфазного двигателя в однофазную сеть нужно из трёх фазных обмоток статора создать рабочую и пусковую обмотки. Рабочая обмотка подключается к сети, а пусковая соединяется с конденсатом и подключается параллельно рабочей обмотке. Для получения вращающегося магнитного поля необходимо, чтобы магнитные потоки рабочей и вспомогательной обмоток были смещены в пространстве на 90є и сдвинуты по фазе во времени на 90є (ц=90є).В зависимости от технических данных двигателя и напряжения сети существует несколько схем включения трёхфазного асинхронного двигателя в однофазную сеть. При этом нужно, чтобы допустимое фазное напряжение двигателя было равно или близко к напряжению сети. Следовательно: (1) асинхронный двигатель, в паспорте которого указано Y-220/127, включается в однофазную сеть напряжением 220В звездой. При таком включении на каждую фазу рабочей обмотки приходится по 110В, а номинальное фазное напряжение двигателя 127 В. Двигатель будет работать.

(2) Трёхфазный асинхронный двигатель (Y -220/127) лучше включать в однофазную сеть 220В, где при включении улучшаются механические характеристики двигателя. Реверсирование осуществляются изменением направления тока в рабочей или пусковой обмотке, т.е. переключением начала и конца фазы.

(3) Трёхфазный асинхронный двигатель (Y - 380/220) подключается в однофазную сеть 220В, где фазные обмотки статора соединяются параллельно и подключаются в однофазную сеть. При этом в одну из фаз рабочей обмотки включается последовательно конденсатор, а в другую - активное сопротивление и конденсатор. Для облегчения сдвига фаз между магнитными потоками рабочей и вспомогательной обмоток во времени и пространстве, близкого к 90є, ёмкость конденсатора определяется по формуле:

С1 = 1600 Iф / Uф; С2 = 2С1, а С2 = 0,58Uф / Iф

Для нормальной работы трёхфазного асинхронного двигателя, включённого в однофазную сеть, необходимо правильно подобрать ёмкость конденсаторов. При круговом вращении магнитного поля активная мощность конденсатора должна быть равна полной мощности двигателя Р=СщUІ. Из этой формулы:

С=РЧ

где Р-мощность двигателя, кВт; f-частота тока в сети, Гц; U-напряжение сети, В; С-ёмкость конденсатора, мкФ.

Таким образом, ёмкость конденсатора прямо пропорциональна силе тока и обратно пропорциональна напряжению сети. Из практики установлены следующие формулы определения ёмкости конденсаторов для различных схем включения трёхфазных асинхронных двигателей в однофазную сеть. Например, для (1):

С

Грубо можно определить ёмкость конденсаторов из расчёта 5 - 6,5 мкФ на каждые 100 Вт мощности двигателя. Напряжение конденсатора должно быть несколько выше напряжения сети. Для подключения к асинхронным двигателям применяются конденсаторы типов: КБГ-МН, МБГ4, КБГ. Для пуска двигателя под нагрузкой необходимо параллельно рабочему конденсатору подключать пусковой конденсатор. Пусковой конденсатор включается на 2 - 3 с во время пуска двигателя. Ёмкость пускового конденсатора Сn = (1,5 - 2)Ср. В качестве пусковых конденсаторов применяются электролитические конденсаторы типа ЭП, специально предназначенные для этой цели. Пусковая обмотка после пуска двигателя может быть отключена. Подключение пусковой обмотки на весь период работы двигателя улучшает его механические характеристики. Мощность трёхфазного двигателя при однофазном включении зависит от соs ц. Для двигателя с соs ц = 0,6 эта мощность равна 90%, а при соs ц = 0,8-50% номинальной мощности трёхфазного двигателя. Частота вращения двигателя при однофазном включении не отличается от частоты при трёхфазном включении. Примечание. Принцип действия трёхфазных электродвигателей основан на применении вращающегося магнитного потока. В асинхронных двигателях обмотка состоит из трех катушек, расположенных на неподвижной станине-статоре, внутри которого помещён стальной барабан-ротор; в пазах ротора уложены провода, соединённые между собой на обоих торцах кольцами. Вращающийся магнитный поток, пересекая провода обмотки ротора, наводит в них э.д.с., и в проводах возникает ток. Ток, взаимодействуя с вращающимся магнитным потоком. С ростом частоты вращения ротора уменьшается скорость, с которой магнитные линии пересекают проводники ротора; если бы ротор достиг той же частоты вращения, что и магнитный поток статора, то пересечения проводников не происходило бы и ток в роторе стал бы равен нулю; следовательно, при наличии тормозного момента магнитный поток и ротор не могут вращаться с одинаковой частотой (синхронно); частота вращения ротора всегда несколько меньше. Поэтому двигатели такого типа называют асинхронными (т.е. несинхронными).

Размещено на Allbest.ru