Однофазный асинхронный двигатель

Передача и распределение электрической энергии в основном осуществляется трехфазной системой напряжений и токов. Но на транспорте и в быту применяют однофазные асинхронные двигатели, выпускающиеся промышленностью в количестве нескольких десятков миллионов в год. Они применяются в вентиляторах, в холодильниках, кондиционерах, насосах, кухонных приборах и других бытовых приборах.

Однофазный асинхронный двигатель имеет на статоре однофазную обмотку, а на роторе – обмотку в виде беличьей клетки, как у трехфазного короткозамкнутого двигателя. Если представить, что однофазный асинхронный двигатель получается из трехфазного путем отключения одной фазы статора (рис. 13.1), то две оставшиеся фазы статора с фазной зоной по 60° составят вместе однофазную обмотку с фазной зоной 120°.

Рис. 13.1. Однофазный асинхронный двигатель
с обмоткой в виде беличьей клетки на роторе

Режим работы однофазного двигателя можно исследовать как несимметричный режим работы трехфазного двигателя [1]. В соответствии с рис. 13.1 .

Симметричные составляющие тока фазы А статора:

– прямая последовательность

(13.1)

– обратная последовательность

(13.2)

– нулевая последовательность

(13.3)

где

Тогда выражения (13.1) и (13.2) примут вид:

(13.4)

(13.5)

Согласно выражениям (13.4) и (13.5) ток статора I₁ раскладывается на две составляющие: вектор тока прямой и вектор тока обратной последовательностей, которые имеют одинаковую амплитуду, но вращаются в разные стороны с одинаковой скоростью. Таким образом, при протекании по однофазной обмотке двигателя переменного тока частотой f₁ возникает пульсирующая магнитодвижущая сила (МДС) F₁, которую можно разложить на две вращающиеся в противоположные стороны МДС F_1пр и F_1обр вызывают появление вращающихся магнитных потоков: прямого Ф_пр и обратного Ф_обр направлений. Если ротор неподвижный S = 1, то вращающиеся поля индуктируют в обмотке ротора одинаковые токи, которые создают одинаковые, но направленные встречно электромагнитные моменты: М_пр и М_обр (рис. 13.2) взаимно уравновешивающие друг друга. Таким образом, однофазный двигатель не развивает начального пускового момента,
М = М_пр–М_обр= 0 и не может самостоятельно начать вращаться.

Если ротор посторонним усилием привести во вращение в направлении прямого поля Ф_пр, то прямое поле будет индуктировать в обмотке ротора эдс Е_2пр частоты f = f₁S, так как частота вращения ротора n меньше частоты вращения магнитного поля статора n₁, поэтому скольжение ротора относительно вращающегося поля Ф_пр.

. (13.6)

Обратный поток Ф_обр вращается противоположно ротору, поэтому частота вращения ротора n относительно Ф_обр– отрицательная, а скольжение ротора относительно Ф_обр определяется выражением

. (13.7)

Обратное поле Ф_обр будет также индуктировать в обмотке ротора эдс Е_2обр с частотой f_2обр= f₁(2–S).

Эдс Е_2пр и Е_2обр создадут в обмотке ротора два тока этих же частот Sf₁ и f₁(2–S), причем первый из них будет почти совпадать по фазе с эдс Е_2пр, а второй будет отставать от эдсЕ_обрпочти на 90°, что объясняется влиянием индуктивности рассеяния.

Токи ротора создают свои МДС, которые, складываясь с МДС статорной обмотки, усиливают прямое поле и ослабляют обратное. В результате момент от прямого поля превышает момент от обратного поля и двигатель имеет возможность вращаться самостоятельно, преодолевая нагрузку на валу.

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

Приведенные на рис. 13.2 зависимости моментов показывают, что асинхронный двигатель не создает пускового момента. Чтобы пусковой момент появился, необходимо во время пуска двигателя создать в нем вращающееся магнитное поле. Для этого на статоре двигателя, кроме рабочей обмотки А, применяют еще одну обмотку – пусковую В (рис. 13.3, а), оси этих обмоток должны быть расположены под углом 90 эл. град, а токи, протекающие в обмотках статора и , должны быть сдвинуты по фазе относительно друг друга (причем лучший вариант, когда сдвиг по фазе на 90°); для этого в цепь пусковой обмотки включают фазозамещающий элемент (ФЭ).

В качестве фазозамещающего элемента могут быть использованы активное (Z_п= R), индуктивное (Z _п = jωL) и емкостное (Z _п = –j X_c) сопротивления. Учитывая, что сопротивления самих обмоток имеют активные и индуктивные составляющие, то при Z_n= R и Z_n= –j (1/ωC) ток I_в будет опережать ток I_А, а при Z_n= jωL ток I_вбудет отставать от I_А. Сдвиг ψ = 90° может быть достигнут только при емкостном сопротивлении. В двух других случаях всегда создаются два поля, вращающиеся в обратные стороны, но одно из них будет сильнее, в результате чего развивается пусковой момент М. При Z_п= jωL направление вращения будет обратным по сравнению с двумя другими случаями. По достижении частотой вращения значения, близкого к номинальному, пусковую обмотку В отключают с помощью реле времени, токового реле, центробежного выключателя или вручную.

Рис. 13.3. Схемы однофазных асинхронных двигателей:
а – с пусковой обмоткой; б – конденсаторного

Пусковые условия будут лучшими при включении емкости в пусковую фазу. Однако необходимая величина емкости С довольно велика, в вследствие чего размеры и стоимость конденсатора также велики. Поэтому конденсаторный пуск применяется тогда, когда есть необходимость в большом пусковом моменте. Пуск с помощью индуктивного сопротивления дает наихудшие результаты и в настоящее время почти не используется. Чаще всего применяется пуск с помощью активного сопротивления. При этом обычно сама пусковая обмотка выполняется с повышенным активным сопротивлением (уменьшение сечения обмоточного провода).