§ 5.12. ОДНОФАЗНЫЕ АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

В маломощном электроприводе (стиральные и холодильные машины, доильные аппараты, машины для стрижки овец, центрифуги, вентиляторы и др.) используются так называемые однофазные двигатели (до 600 Вт). Однофазный двигатель отличается от трехфазного тем, что его статор имеет однофазную обмотку (иногда еще и так называемую пусковую), а роторы их ничем не отличаются (они могут быть с короткозамкнутой «беличьей клеткой» либо с трехфазной обмоткой). Если обмотку статора однофазного двигателя включить в сеть, то под действием магнитного поля на половину стержней «беличьей клетки» ротора будут действовать электромагнитные силы, создающие вращающий момент одного направления, а на другую половину стержней — момент такой же по значению, но противоположный по направлению Через полпериода направление моментов от обеих половин «клетки» изменится на

Рис. 5-18

противоположное и ротор не придет во вращение, т. е. начальный момент такого двигателя равен нулю. Однако ротор будет продолжать вращение, если какой-либо силой извне ему сообщить некоторую скорость вращения.

Для объяснения этого явления воспользуемся теорией разложения пульсирующего магнитного поля, согласно которой неподвижный в пространстве пульсирующий магнитный поток, создаваемый однофазным переменным током, можно рассматривать как два потока, вращающиеся в противоположные стороны с угловой скоростью со и имеющие значение, равное половине амплитуды неподвижного потока.

Для доказательства этого утверждения предположим, что индукция пульсирующего магнитного поля пропорциональна току и изменяется по закону:

Пусть в некоторой точке О имеются два равномерно и противоположно вращающихся магнитных поля с постоянной индукцией (рис. 5-18). Тогда для некоторого произвольного момента t суммарное значение индукции В в точке О можно определить следующим образом.

Найдем проекции векторов на ось проекция суммарного вектора на ось равна

Найдем для того же момента времени проекции этих векторов на ось у:

проекция суммарного вектора на ось у равна

Тогда суммарная магнитная индукция в точке О равна

Таким образом, можно считать, что на подвижный ротор действуют два противоположно вращающихся магнитных потока: вращающийся в сторону вращения ротора и называемый прямым потоком и вращающийся навстречу ротору и называемый обратным потоком.

Рис. 5-19

Рис. 5-20

Прямой поток вращается относительно ротора с небольшой скоростью и индуцирует в обмотке ротора ЭДС и ток небольшой частоты (например, при скольжении частота тока Гц). Вращающий момент, создаваемый этим потоком,

велик, так как для тока небольшой частоты обмотка ротора оказывает почти чисто активное сопротивление, поэтому поток и индуцируемый им ток почти совпадают по фазе, т. е. значение велико, а значение тока определяется активным сопротивлением обмотки.

Обратный поток вращается относительно ротора, наоборот, с большой скоростью и индуцирует в обмотке ротора ЭДС и ток почти вдвое большей частоты питающего тока (например, при том же скольжении частота индуцируемого тока Гц). Вращающий момент, создаваемый обратным потоком,

мал, так как для тока большой частоты обмотка ротора обладает большим индуктивным сопротивлением поэтому между током и потоком будет большой сдвиг по фазе, т. е. мал, а ток определяется активным и большим индуктивным сопротивлениями обмотки. Итак, вращение ротора поддерживается вращающим моментом прямого потока (тормозное действие обратного потока незначительно). На практике однофазные асинхронные двигатели иногда применяют как двигатели очень малой мощности, разгоняемые вручную.

Усовершенствование однофазных асинхронных двигателей привело к созданию специальных устройств для их предварительного разгона. Работа большинства из этих устройств основана на использовании свойства двух магнитных потоков (смещенных в пространстве на 90° и сдвинутых по фазе на создавать вращающееся магнитное поле. Рассмотрим некоторые из таких устройств.

Однофазные двигатели с пусковой обмоткой. На статоре такого двигателя дополнительно к рабочей обмотке РО добавляется так называемая пусковая обмотка ПО, сдвинутая в пространстве относительно главной обмотки на угол 90° (рис. 5-19). В момент пуска

пусковая обмотка замыкается кнопкой К накоротко, в результате трансформаторной связи в ней возникает ток, сдвинутый по фазе относительно питающего тока почти на у. Эти токи создают вращающее магнитное поле, которое и разгоняет ротор. После разгона пусковая обмотка размыкается и в дальнейшей работе не участвует. Двигатели с таким пуском встречаются иногда в приводе бытовых машин (стиральные машины и т. д.).

В некоторых двигателях последовательно с рабочей обмоткой РО включают резистор R, а последовательно пусковой — индуктивность L (или наоборот), пусковая обмотка ПО на время пуска включается кнопкой К. на напряжение сети (рис. 5-20). В других двигателях такого типа (узкопленочные кинопроекторы и др.) проволочный резистор связан с центробежным механизмом и при достижении определенной скорости ротора автоматически отключается.

Конденсаторные двигатели. В этих двигателях рабочая и пусковая обмотки смещены на статоре друг относительно друга на 90°.

На время пуска пусковую обмотку ПО включают на напряжение сети с помощью кнопки К через конденсатор С (рис. 5-21), благодаря которому ток в пусковой обмотке отличается по фазе от тока в рабочей обмотке РО на этим обеспечивается 2 разгон ротора (конденсаторный пуск).

В некоторых двигателях конденсатор остается включенным, поэтому во время работы двигателя обе обмотки являются рабочими (рис. 5-22). В этих двигателях пуск осуществляется с помощью конденсаторов , а во время работы включенным остается конденсатор значительно улучшающий пусковые и рабочие характеристики двигателя.

Конденсаторные двигатели имеют лучшие пусковые и рабочие характеристики по сравнению с другими однофазными двигателями, поэтому они получили более широкое распространение (кинотехника и т. д.). Мощные конденсаторные двигатели применяют в качестве тяговых двигателей рудничных электровозов переменного тока.

Однофазные двигатели с расщепленными полюсами. Статор двигателей очень малой мощности часто выполняют с явно выраженными полюсами, причем каждый полюс разрезан, а на одну его часть

Рис. 5-21

Рис. 5-22

Рис. 5-23

надето медное кольцо, играющее роль пусковой обмотки (рис. 5-23). Под действием переменного магнитного потока, создаваемого обмоткой статора, в кольце индуцируется ЭДС, отстающая по фазе от потока на . Она создает в кольце ток.

Полагая сопротивление кольца чисто активным, ток совпадает по фазе с ЭДС и отстает от потока обмотки тоже на . Этот ток в кольце создает свой магнитный поток, совпадающий с ним по фазе. Таким образом, под полюсом действуют два сдвинутых по фазе на магнитных потока, образуя вращающееся магнитное поле. Последнее увлекает за собой короткозамкнутый ротор.

В некоторых двигателях такого типа ротор изготовляют из магнитожесткой стали, благодаря чему на ротор действует гистерезисный момент и приводит его в синхронное с магнитным полем статора вращение.

Двигатели с расщепленными полюсами нашли широкое применение для маломощного привода (почти все радиолы и магнитофоны, механизмы электрических часов, самопишущих приборов, кинопроекционных аппаратов, вентиляторы и т. п.).

Включение трехфазных двигателей в однофазную сеть. Во многих практических случаях, когда нет трехфазной сети, можно использовать трехфазные асинхронные двигатели, включая их определенным образом в однофазную сеть переменного тока.

На рисунке 5-24, а и б приведены схемы, на которых у двигателей выведены лишь по три конца обмоток. Подключаемый конденсатор С создает дополнительный сдвиг по фазе между током и напряжением, обеспечивая начальный пусковой момент. На рисунке 5-24, в и г изображены схемы включения трехфазных асинхронных двигателей, у которых выведены все шесть концов статорной

Рис. 5-24

обмотки. Приведенные схемы включения обеспечивают получение от двигателей 40-50 % от мощности в симметричном трехфазном включении.