Однофазные асинхронные двигатели

В системах автоматического управления, бытовых приборах и промышленных устройствах находят применение однофазные асинхронные двигатели малой мощности. Для питания однофазных двигателей требуется однофазная сеть, имеющая два провода вместо трех проводов трехфазной сети, что дает в одних случаях экономическую выгоду, в других — удобство в эксплуатации. Однофазные двигатели применяются и в установках средней мощности (несколько десятков киловатт), где их использование целесообразно экономически (два провода вместо трех) и по условиям эксплуатации, например в транспортных устройствах шахт. Среди большого разнообразия однофазных двигателей наибольшее распространение получили двигатели с короткозамкнутой обмоткой ротора: ротор и его обмотка выполнены так же, как и у трехфазных двигателей. Статор таких двигателей бывает с явновыраженными полюсами и короткозамкнутым витком (рис. 10.39, а) — его далее будем называть двигателем А и с неявновыраженными полюсами и двумя обмотками (рис. 10.39, б) его далее будем называть двигателем Б.

Двигатели имеют рабочую 1 и пусковую 2 обмотки. Рабочая обмотка двигателя А (см. рис. 10.39, а) состоит из определенного числа витков изолированного провода и включается в сеть однофазного тока. Пусковая обмотка имеет всего один виток толстой проволоки, охватывающей часть сечения полюса.

Рабочая и пусковая обмотки двигателя Б (рис. 10.39, б) расположены в пазах, как и у трехфазных двигателей. Обмотки сдвинуты в пространстве на 90°. Рабочие обмотки 1 двигателей

Рис. 10.39. Устройство однофазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым витком ( а ) и с пусковой обмоткой ( б )

А и Б включаются в сеть однофазного тока. Ток, возникающий в обмотках 1 двигателей, создает неподвижное в пространстве пульсирующее с частотой сети магнитное поле, которое наводит в обмотке ротора ЭДС и ток. Однако легко показать, используя правила правой и левой руки, что в результате взаимодействия тока ротора с магнитным полем возникают силы (рис. 10.40, а), результирующий момент которых относительно оси вращения оказывается равным нулю. Без дополнительных устройств двигатели не развивают момента и самостоятельно разогнаться не могут. Если же ротору внешним усилием придать небольшую скорость, он начнет развивать момент и разгонится самостоятельно до установившейся скорости, определяемой моментом нагрузки. Это объясняется тем, что в обмотке ротора вследствие того, что она пересекает магнитное поле, возникают еще одна ЭДС и ток и в результате взаимодействия этого тока с полем статора создается вращающий момент. Для выяснения характера зависимости n = f (М) (механической характеристики двигателя) производят разложение пульсирующего магнитного потока на два вращающихся потока. Неподвижный в пространстве, изменяющийся во времени синусоидально магнитный поток эквивалентен двум одинаковым неизменным по значению и вращающимся в разные стороны с постоянной угловой частотой магнитным потокам (рис. 10.40, б), которые равны половине амплитудного значения неподвижного потока.

Докажем справедливость такой эквивалентности. Результирующий магнитный поток (см. рис. 10.40, б) равен герметической сумме составляющих Ф и Ф₂:

Ф = Ф₁ + Ф₂.

Рис 10.40 К пояснению принципа действия однофазного двигателя ( а ) и ( б ), механические характеристики однофазного асинхронного двигателя ( в )

Так как Ф₁ = Ф₂ = Ф ' _m /2, то

Ф = 2Ф₁ cos (90° - ω t) = 2Ф _m /2 cos (90° - ω t) = Ф _m sin ω t.

Разложив таким образом неподвижный в пространстве изменяющийся во времени по закону синуса магнитный поток Ф на два вращающихся в разные стороны с одинаковой угловой частотой потока, можно рассматривать однофазный двигатель как состоящий из двух трехфазных двигателей с одним валом. У одного из них поток Ф₁ вращается по часовой стрелке (прямое поле), у другого поток Ф₂ вращается против часовой стрелки (обратное поле). Каждый из двигателей развивает момент, действующий в сторону вращения магнитного поля, и имеет механическую характеристику, как и двигатель трехфазного тока (рис 10.40, в). Результирующий момент, создаваемый двигателем, будет равен сумме моментов:

M = M ₁ + M ₂.

Из рис. 10.40, в видно, что при n = 0 момент М = 0. Для создания начального момента и улучшения механической характеристики двигатель А снабжен короткозамкнутым витком 2 (см. рис. 10.39, а), а в цепь пусковой обмотки 2 двигателя Б (см. рис. 10.39, б) последовательно включается конденсатор С (рис. 10.41, а). По этой причине такие однофазные двигатели называют конденсаторными. Короткозамкнутый виток двигателя А и пусковая обмотка конденсаторного двигателя Б создают дополнительные магнитные потоки.

На рис. 10.41, б изображена векторная диаграмма для двигателя А, а на рис. 10.41, в — для конденсаторного двигателя Б.

Рис. 10.41. Схема включения однофазного конденсаторного асинхронного двигателя ( а ); векторные диаграммы, поясняющие принцип действия однофазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым витком ( б ) и конденсаторного ( в )

Часть главного магнитного потока Ф', сцепленная с короткозамкнутым витком, наводит в нем ЭДС Е _к. Эта ЭДС вызывает в витке ток I _к, отстающий по фазе от ЭДС Е _к на угол φ_к. Ток в свою очередь создает магнитный поток Ф_к. Результирующий поток Ф'_к, равный геометрической сумме потоков Ф_к и Ф', отстает по фазе от главного потока на угол ψ.

Емкость конденсатора, включенного последовательно с пусковой обмоткой двигателя (Б), подбирают такого значения, при котором его емкостное сопротивление больше индуктивного сопротивления пусковой обмотки. В результате ток в пусковой обмотке будет опережать по фазе напряжение на угол φ_п, а в рабочей обмотке отставать от него на угол φ_р. Каждый из токов создаст магнитный поток, сдвиг по фазе между которыми составит

ψ = φ_п + φ_р

В двигателе А с короткозамкнутым витком дополнительный поток Ф_к сдвинут в пространстве на угол θ (см. рис 10.39, а) и по фазе на угол ψ (см. рис. 10.41, б). В конденсаторном двигателе Б поток Ф_п сдвинут в пространстве на угол 90° и по фазе на угол ψ(см. рис. 10.41, в). Основной и дополнительный магнитные потоки создают результирующий поток, который вращается, так же как в трехфазном двигателе, с постоянной частотой, но амплитуда его магнитной индукции в отличие от трехфазного двигателя не остается постоянной. В результате принцип действия однофазного двигателя можно объяснить так же, как и трехфазного двигателя.

Рис. 10.42. К пояснению образования вращающеюся магнитного поля однофазного конденсаторного двигателя ( а — д ) и механические характеристики однофазного двигателя ( е )

Возникновение вращающегося магнитного поля покажем, например, для конденсаторного двигателя Б. Допустим, что индуктивность рабочей и пусковой обмоток и емкость конденсатора подобраны такими, что ток рабочей обмотки отстает, а ток пусковой обмотки опережает по фазе напряжение на угол 45°. График мгновенных значений токов обмоток при этом будет иметь вид, изображенный на рис. 10.42, а. Картины результирующего магнитного поля двигателя для моментов времени периода переменного тока, отмеченных точками 1—4 (рис. 10.42, а), изображены соответственно на рис. 10.42, б — д. Картина магнитного поля в конце периода (точка 5) будет такой же, как и в начале периода (точка 1)

Сравнивая картины результирующего магнитного поля для различных моментов времени периода переменного тока, легко убедиться в том, что результирующее магнитное поле двухполюсного конденсаторного двигателя вращается и за один период переменного тока совершает один оборот.

Примерный вид механической характеристики однофазного конденсаторного двигателя изображен на рис. 10.42, е.

В системах автоматики применяются однофазные двигатели малой мощности (несколько единиц и десятков ватт) с повышенным сопротивлением короткозамкнутой обмотки ротора. Эти двигатели имеют две обмотки статора и устроены так же, как и конденсаторные однофазные двигатели, но отличаются тем, что их обмотка ротора имеет значительно большее сопротивление. В отличие от однофазного эти двигатели обладают тем свойством, что при включении лишь одной обмотки статоpa ротор не может разогнаться самостоятельно даже в том случае, когда ему сообщена начальная скорость.

 

Рис. 10.43. Схема включения однофазного конденсаторного двигателя для регулирования частоты вращения ( а ) и его регулировочные механические характеристики ( б )

Сопротивление обмотки ротора подбирают такой величины, при которой критическое скольжение составляет 1,5 — 2, в результате чего при одной включенной обмотке составляющие моментов М' ₁ и М' ₂имеют вид, изображенный пунктирными линиями на рис. 10.40, в. Результирующий момент М', равный сумме составляющих моментов, как видно из рис. 10.40, в, при любой скорости будет тормозным.

Когда же включены обе обмотки, например, по схеме, изображенной на рис. 10.43, а, двигатель работает так же, как конденсаторный, и развивает движущий момент.

Рис. 10.44. Однофазный асинхронный двигатель с полым ротором

Указанные двигатели хороши тем, что позволяют регулировать путем изменения амплитуды или фазы напряжения на одной из обмоток, частоту вращения ротора в значительном диапазоне. На рис. 10.43, а изображена одна из возможных схем включения, а на рис. 10.43, б — механические характеристики такого двигателя. Обмотка возбуждения ОВ через конденсатор С подключена к сети с напряжением U ₁, обмотка управления ОУ через потенциометр r _п — к сети с напряжением U ₂. Напряжения могут быть одинаковыми или различными по значению. Регулирование частоты вращения осуществляется изменением напряжения на обмотке ОУ с помощью потенциометра r _п.

Остановимся кратко на двигателях с полым ротором (рис. 10.44). Они могут быть однофазными, двухфазными и трехфазными. Статор и обмотка статора таких двигателей выполняются соответственно как в трехфазных или однофазных двигателях, ротор же представляет собой полый цилиндр, изготовленный из латуни, меди или алюминия и расположен в зазоре сердечника статора. Двигатель состоит из корпуса 1, внешнего 2 и внутреннего 3 сердечников статора, между которыми расположен полый ротор 4, обмотки статора 5, подшипниковых щитов 6, вала 7 и подшипников 8. Принцип действия и характеристики подобных двигателей аналогичны принципам действия и характеристикам двигателей с короткозамкнутым ротором. Главное их отличие — малая инерционность ротора, что очень важно в системах, быстро реагирующих на вводимый сигнал.

 

 

СЕЛЬСИНЫ

Асинхронные машины широко используются не только в качестве двигателей, но и в качестве регуляторов напряжения, фазовращателей, тахогенераторов и устройств синхронной свя­зи.
В силовых электроприводах, системах управления электро­приводами, системах автоматики возникает необходимость со­гласованного вращения или поворота на заданный угол двух или нескольких не связанных между собой механически валов механизмов или осей.
В системах синхронного вращения тех или иных производ­ственных механизмов используются обычные трехфазные асинхронные двигатели с фазным ротором.

Рис 10 47 Однофазный сельсин с явновыраженными полюсами и контактными кольцами

1 — статор, 2 — обмотка возбужде­ния, 3 — ротор, 4 —трехфазная об­мотка синхронизации

В системах дистанционной передачи угловых перемещений могут быть использованы или обычные трехфазные асинх­ронные двигатели с контактными кольцами малой мощности, или сельсины. Сельсины устроены примерно так же, как и трехфазные двигатели. Статор имеет однофазную обмотку, называемую обмоткой возбуждения, а ротор — трехфазную обмотку, называемую обмоткой синхронизации, выполненную так же, как и у асинхронного двигателя с фазным ротором, или, на­оборот, ротор имеет однофазную, а статор — трехфазную обмотку. Такие сельсины называются однофазными.

Обмотки возбуждения могут быть сосредоточенными или распределенными. Сельсины бывают с контактными кольцами и бесконтактными. Контактные кольца и щетки из-за их невысокой надежности и возникновения трения между ними снижают надежность и точность системы регулирования, особенно в индикаторном режиме работы. В системах синхронного вращения или дистанционной передачи угла участвуют две или более машины. Одна из них является датчиком, задающим частоту вращения или угол поворота, остальные — приемниками. В системах синхронного вращения приемники должны вращаться со скоростью датчика, в системах индикаторных — поворачиваться на тот же угол, что и датчики.

В системах дистанционной передачи угловых перемещений различают два режима работы сельсинов: индикаторный и трансформаторный. Индикаторный режим имеет место в тех случаях, когда на валу сельсина-приемника отсутствует тормозной момент, например на его валу укреплена указательная стрелка. Когда на валу сельсина-приемника значительный момент, который он не в состоянии преодолеть, система выпол­няется так, что сельсин дает только сигнал управления, а механизм приводится в действие от отдельного двигателя. Сельсин-приемник в этом случае управляет двигателем механизма так, что двигатель поворачивает механизм на угол, заданный сельсином-датчиком.

На рис. 10.47 изображено устройство однофазного сельсина с явновыраженными полюсами с контактными кольцами, на рис. 10.48 — бесконтактного сельсина.

Рис. 10.48. Бесконтактный сельсин: 1 - магнитопровод потока возбуждения,
2 - немагнитный цилиндр;
3 - сердечник статора, 4 - трехфазная обмотка синхронизации; 5 - обмотка возбуждения, 6 — сердечник ротора, 7 — немагнитная прокладка

Обмотка возбуждения 2 контактного сельсина однофазная неподвижная, обмотка ротора 4 трехфазная, соединена звездой, три конца обмотки припаяны к контактным кольцам, установленным на оси ротора. Однофазная обмотка возбуждения 5 бесконтактного сельсина также неподвижна, но магнитный поток возбуждения, создаваемый ею, поворачивается при повороте ротора. Трехфазная обмотка ротора 4 бесконтактного сельсина, уложенная в пазах статора, неподвижна.

Принцип действия сельсина с контактными кольцами (см. рис. 10.47) состоит в следующем. Ток обмотки возбуждения, подключенной к сети переменного напряжения U, создает неподвижный в пространстве пульсирующий с частотой сети магнитный поток Ф_в. Магнитный поток пронизывает трехфазную обмотку и наводит в каждой ее фазе переменную ЭДС той же частоты, что и в обмотке возбуждения. Значение ЭДС обмотки каждой фазы зависит от взаимного расположения трехфазной обмотки относительно магнитного потока Ф_в однофазной.

 

Рис. 10.49. К пояснению принципа действия сельсина

Допустим, трехфазная обмотка расположена так, как это изображено на рис. 10.49, а. В этом случае обмотка фазы АХ будет пронизываться всем потоком возбуждения и в ней возникнет наибольшая ЭДС, обмотки BY и CZ, как это видно из рис. 10.49, а, б, пронизываются меньшим потоком и в них возникнет ЭДС меньшая, чем в фазе АХ. Если повернуть ротор сельсина на угол α, то изменится взаимное расположение трехфазной и однофазной обмоток и, естественно, изменятся значения ЭДС, наводимых в обмотках фаз. Например, если повернуть ротор на 90°, то магнитный поток, сцепленный с обмоткой фазы АХ, будет равен нулю и ЭДС в ней возникать не будет. Легко показать, что, если при α = 0 обмотки расположены, как на рис. 10.49, а, то при повороте на угол α ЭДС каждой фазы будут иметь следующие выражения:

Е_А = E cos α; Е_B = Е

cos(α + 120°);

Е_С = Е cos (α + 240°),

где Е — действующее значение ЭДС, возникающее в фазе обмотки АХ при α = 0.

 

Таким образом, значения ЭДС фаз трехфазной обмотки однофазного сельсина зависят от угла α, во времени же они совпадают по фазе.

Принцип действия бесконтактного сельсина ничем не отличается от контактного. Разница лишь в том, что в контактном сельсине поворачивается ротор с трехфазной обмоткой относительно неподвижного потока возбуждения, в бесконтактном поворачивается ротор с потоком возбуждения относительно неподвижной трехфазной обмотки статора.

В трехфазных сельсинах, где обмотка возбуждения трехфазная и подключена к трехфазной сети, действует вращающееся магнитное поле с неизменной амплитудой и значения ЭДС в фазах синхронизирующей обмотки не зависят от угла поворота, изменяются лишь фазы ЭДС во времени.

Схема соединения сельсина-датчика и сельсина-приемника для дистанционной передачи угла поворота изображена на рис. 10.50. До поворота ротора сельсина-датчика ЭДС в каждой фазе трехфазных обмоток сельсина-датчика и сельсина-приемника совпадали по фазе и ток в их обмотках отсутствовал:

Ē_{А д} - Ē_{А п} = 0.

При повороте датчика на угол αв в каждой фазе появится ток, так как ЭДС фаз не совпадают по фазе, например в фазе А

IA =	| ĒА д - ĒА п |	.
z д + z п

Ток взаимодействует с магнитным потоком возбуждения соответствующего сельсина, в результате чего возникает момент, который стремится повернуть ротор сельсина-приемника на тот же угол, на который повернут датчик, момент же, действующий на ротор датчика, стремится повернуть его в исходное положение, когда α_д = 0. Датчик удерживается внешней силой в положении α_д , приемник поворачивается на угол α_п . Точность отработки угла α_п зависит от момента сил сопротивления на валу приемника.

Рис. 10.50. Схема включения сельсинов для дистанционной передачи угла поворота

Рис. 10.51. Схема включения сельсинов, работающих в трансформаторном режиме

Если М _с = 0, то α_п = α_д, если М _с ≠ 0, то α_п < α_д. Трансформаторный режим работы сельсинов осуществляется по схеме, изображенной на рис. 10.51. В этом режиме работы в однофазной обмотке сельсина приемника возникает ЭДС, пропорциональная углу поворота сельсинадатчика.

Когда угол поворота сельсина-датчика α_д = 0, токи в фазах имеют такое значение, что ось создаваемого ими результирующего магнитного поля и в сельсине-датчике, и в сельсине-приемнике совпадает с осями соответственно ОВД и ОВП. В результате в обмотке ОВП сельсина приемника возникает наибольшая ЭДС, равная примерно напряжению обмотки ОВД. При угле αд ≠ 0 значения токов в фазах обмоток будут иными и ось создаваемого ими магнитного поля не будет совпадать с осью ОВП и в ней возникнет ЭДС меньшего значения, чем при α_д = 0. Когда угол α_д = 90°, ось результирующего магнитного поля будет перпендикулярна оси обмотки ОВП сельсина-приемника и ЭДС в ней окажется равной нулю. В системах автоматического управления удобнее, чтобы при согласованном положении роторов датчика и приемника был нулевой сигнал. Для этого при согласованном положении оси сельсинов расположены под углом 90° и угол поворота ротора датчика α_д отсчитывается от этого положения. Напряжение на выходе сельсина приемника в этом случае имеет выражение

U _вых ≈ Е sin α_д.

 

СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

⇐ Предыдущая38394041424344454647Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: