Виды асинхронных двигателей

Помимо трехфазных находят применение и другие виды асинхронных электродвигателей. Остановимся на их особенностях.

Однофазные асинхронные двигатели. В различных бытовых и промышленных приборах широко применяют однофазные асинхронные двигатели малой мощности. Однофазные асинхронные двигатели имеют на статоре две обмотки: рабочую, подключаемую к однофазной сети переменного тока, и вспомогательную (пусковую), которую чаще всего соединяют с однофазной сетью.

Рис. 2.35. Зависимость электромагнитных моментов О АД от скольжения.

переменного тока кратковременно только в период пуска двигателя. Роторную обмотку, как правило, выполняют короткозамкнутой в виде беличьей клетки. Отличительная особенность однофазных асинхронных двигателей (ОАД) от трехфазных—создание статором не вращающегося, а пульсирующего поля и магнитодвижущей силы (МДС). Пульсирующее поле может быть условно разложено на два круговых поля, вращающихся в противоположные стороны с одинаковой скоростью. Амплитуда каждого из этих полей равна половине амплитуды пульсирующего поля. Индуктируемые в обмотках ротора с помощью двух вращающихся полей статора токи вступают во взаимодействие с этими полями и создают при неподвижном двигателе равные и взаимно противоположные электромагнитные моменты М и Л/₂ (рис. 2.35). Скольжение ротора относительно прямого поля равно s, а относительно обратного поля — 2 —s.

При этом начальный результирующий суммарный момент М равен нулю, и однофазный электродвигатель при таком конструктивном исполнении и схеме соединения не может тронуться с места, даже в случае отсутствия тормозного момента на валу. При вращении ротора в каком-либо направлении одна из вращающихся МДС перемещается в том же направлении, что и ротор. Она обеспечивает тот же характер изменения момента на валу М в зависимости от скольжения s, что и в трехфазном асинхронном двигателе. В то же время вращающаяся в обратном направлении относительно ротора МДС создает электромагнитный тормозной момент. При этом в роторе наводятся токи повышенной частоты, что обусловливает увеличение индуктивного сопротивления ротора. Соответственно момент М₂, создаваемый обратно вращающейся МДС, снижается от А/_тах. Результирующий момент М= М — М₂, направленный в сторону вращения ротора, считают положительным (выше оси абсцисс). Тормозной момент М₂ направлен в противоположном направлении, это отрицательная величина (ниже оси абсцисс). Как видно из приведенной характеристики, условия работы однофазного асинхронного двигателя при вращении ротора в ту или другую сторону одинаковы.

Для того чтобы двигатель пришел во вращение, необходимо создать некоторый начальный вращающий момент. Направление вращения ротора при этом будет определяться направлением этого момента. Для пуска двигателя, в том числе и под нагрузкой, необходимо предусмотреть специальные меры, направленные на усиление прямого поля и ослабление обратного, чтобы при s = 1.

Наилучших условий достигают при отсутствии обратного поля, создающего тормозной момент на валу двигателя и препятствующего тем самым вращению двигателя. Разные виды однофазных двигателей отличаются друг от друга способами создания пускового момента.

Двигатели с пусковой обмоткой. Среди однофазных — это наиболее распространенные двигатели. Для создания вращающегося поля в этих двигателях на статоре кроме основной обмотки 1 размещена вспомогательная пусковая обмотка 2 (рис. 2.36, а).

Рабочая обмотка занимает 2/3 полюсного деления, пусковая— 1/3, пространственный сдвиг между осями обмоток —90° (электрический угол). Последовательно с пусковой обмоткой включают фазосмещающий элемент 2J, для создания временного сдвига между токами пусковой /_п и рабочей /_раб фаз (угол ср на рис. 2.36, б). По своему физическому значению элемент Zj, может представлять собой резистор (К), катушку индуктивности (/©?) или конденсатор (-/(c)С). Для уничтожения обратного поля необходимо и достаточ;

Рис. 2.36. Схема (а) и диаграммы (б) однофазного асинхронного двигателя но, чтобы МДС рабочей и пусковой фаз были равны и имели пространственный и временной <�р сдвиг по 90° (электрический угол). Круговое вращающееся поле в однофазном двигателе можно получить только при включении в цепь пусковой обмотки конденсатора, поэтому пусковые условия будут лучшими при включении емкости в пусковую фазу. Однако необходимая емкость С довольно велика, вследствие чего размеры и стоимость конденсатора также велики. Конденсаторный пуск применяют сравнительно редко, лишь при необходимости большого пускового момента. В двух других случаях всегда создаются прямое и обратное поля, причем прямое поле усиливается, а обратное ослабляется, так что М> М_с двигатель будет запускаться. Пуск с помощью индуктивного сопротивления дает наихудшие результаты и его почти не используют. Чаще всего применяют пуск с помощью активного сопротивления, при этом обычно саму пусковую обмотку выполняют с повышенным активным сопротивлением (уменьшенная площадь сечения обмоточного провода, а также намотка части витков катушек в бифиляр). В этом случае отпадает необходимость в фазосмещающем элементе 2^, вместо которого используют саму пусковую обмотку. После того как двигатель при пуске достигнет определенной частоты вращения, пусковая обмотка отключится с помощью реле времени, токового реле или вручную. При этом двигатель будет работать только с рабочей обмоткой.

Асинхронный конденсаторный двигатель. Он имеет на статоре две одинаковые рабочие обмотки, занимающие по половине полюсного деления и смещенные в пространстве на 90° (электрический угол), как и в предыдущем случае. Последовательно с одной из обмоток включают конденсатор, емкость которого рассчитывают так, чтобы обеспечить создание кругового поля при номинальной нагрузке (двигатель с рабочей емкостью). Однако емкость, подобранная по рабочему режиму, оказывается недостаточной для подавления обратного поля при пуске. Поэтому в ряде случаев на время пуска параллельно с рабочим конденсатором включают дополнительный пусковой, как это показано на схеме асинхронного конденсаторного двигателя (рис. 2.37).

Необходимая для кругового поля емкость.

Мощность этой емкости довольно велика и совпадает с полной мощностью, потребляемой двигателем при круговом поле.

Рис. 2.37. Схема асинхронного конденсаторного двигателя (а) и диаграмма (б) при круговом поле.

В таблице 2.2 приведены некоторые технические данные однофазных асинхронных двигателей.

2.2. Технические данные однофазных АД

Примечание. Р_н — номинальная мощность; п — синхронная частота вращения; т_к — кратность критического (максимального) момента; — кратность пускового момента.

Для работы от однофазной сети могут быть использованы также трехфазные двигатели. К числу одной из лучших схем включения таких двигателей относят схему, в которой обмотки двух фаз соединены последовательно, а к третьей подключен через коммутирующий аппарат конденсатор, как это показано на рисунке 2.38. Двигатели с таким соединением обмоток практически равноценны двигателям, которые спроектированы для работы как однофазные. Номинальная мощность при этом составляет 40…50% мощности в симметричном трехфазном режиме. После окончания пуска фаза С отключается.

Рис. 2.38. Схема включения трехфазного двигателя в однофазную сеть.

Емкость конденсатора, обеспечивающая круговое поле,.

Для номинального режима при однофазном питании следует принимать Uкак линейное напряжение при соединении в «звезду», /_1н — номинальный фазный ток двигателя, <�р_н —угол между фазным током и напряжением в номинальном трехфазном режиме.

Асинхронный двигатель с массивным ротором. Ротор этого двигателя представляет собой сплошной ферромагнитный цилиндр и одновременно магнитопровод и токопровод. Вращающееся магнитное поле проникает на определенную глубину в тело ротора и индуктирует в нем вихревые токи. Эти токи при взаимодействии с магнитным полем образуют электромагнитный момент.

Вследствие сильно выраженного поверхностного эффекта вихревые токи протекают в сравнительно тонком слое на глубине проникновения электромагнитного поля в тело ротора. Для двигателя, рассчитанного на частоту 50 Гц, эквивалентная глубина проникновения при пуске (s = 1) составляет только 1,0…3 мм, в рабочем режиме при s = 0,05 — примерно 5… 15 мм. В линейном приближении глубина проникновения тока ротора изменяется обратно пропорционально -Js, где 5 —скольжение. Это приводит к соответствующему изменению площади сечения слоя, по которому протекают вихревые токи, активного сопротивления массивного ротора R'₂, и его индуктивного сопротивления рассеяния Х'₂. Поэтому при пуске R₂ весьма велико, а Х₂ мало, причем с уменьшением скольжения сопротивление R₂ уменьшается, а Х₂ увеличивается.

В результате такого проявления поверхностного эффекта пусковой момент в двигателе с массивным ротором достаточно велик (MJM_H = 1,5…2,0), и он уступает двигателю с короткозамкнутой обмоткой на роторе только по своим рабочим свойствам — КПД и коэффициенту мощности. Объясняется это тем, что в номинальном режиме при скольжении s = 0,02…0,1 двигатель имеет большие электрические потери в роторе и большой намагничивающий ток.

Для улучшения рабочих характеристик иногда прикрепляют с двух сторон к торцевым поверхностям цилиндрического ротора медные короткозамыкающие кольца, выполняющие ту же роль, что и торцевые короткозамыкающие кольца беличьей клетки. В результате активное сопротивление массивного ротора уменьшается благодаря увеличению электрической проводимости торцевых частей. С этой же целью в микродвигателях прибегают к покрытию внешней поверхности массивного ротора тонким слоем меди толщиной 0,1…0,3 мм. Кроме того, можно добиться улучшения рабочих характеристик подбором материала для массивного ротора, который обладал бы оптимальными электрической и магнитной проводимостями.

Двигатели с массивным ротором получили применение в качестве исполнительных двигателей в системах автоматического управления. Применение массивного ротора, обладающего большой механической прочностью, позволяет построить асинхронные двигатели на весьма высокие частоты вращения (10 000…100 000 об/мин и более). Такие двигатели запитывают от источников повышенной частоты (400…1500 Гц и более) и применяют в специальных электроприводах, например гироскопических устройствах. Несмотря на технологичность конструкции двигателей с массивным ротором, в общепромышленном электроприводе их широко не используют из-за недостаточно высоких энергетических показателей в рабочих режимах.

Краткие выводы. Развитие асинхронного электропривода и вытеснение им других типов управляемых электроприводов в первую очередь связано с эксплуатационными свойствами асинхронного электродвигателя, отличающегося от двигателей постоянного тока простотой и надежностью. Используя асинхронный электропривод, можно одинаково успешно удалять навоз из коровника и управлять графитовыми стержнями ядерного реактора.

Асинхронный двигатель дешев. Он не имеет подвижных контактов, что определяет его высокую надежность, а управляя им с помощью преобразователей частоты, можно создать высоконадежную систему бесступенчатого регулирования. Полная защита от пыли и влаги (род защиты 1Р 65) позволяет устанавливать подобные системы в самых жестких условиях и экстремальных рабочих средах (в запыленной, взрывоопасной и агрессивной среде, в вакууме и под водой). Поскольку необходимые для бесступенчатого регулирования составные элементы объединены в корпусе преобразователя частоты, то его можно устанавливать независимо от расположения самого привода в любом легкодоступном месте.