Однофазний асинхронний електродвигун
Однофазний асинхронний електродвигун - це асинхронний електродвигун. який працює від електричної мережі однофазного змінного струму без використання частотного перетворювача і який в основному режимі роботи (після пуску) використовує тільки одну обмотку (фазу) статора.
Основними компонентами будь-якого електродвигуна є ротор і статор. Ротор - обертається частина електродвигуна, статор - нерухома частина електродвигуна, за допомогою якого створюється магнітне поле для обертання ротора.
Основні частини однофазного двигуна: ротор і статор
Статор має дві обмотки, розташовані під кутом 90 ° відносно один одного. Основна обмотка називається головною (робочої) і зазвичай займає 2/3 пазів сердечника статора, інша обмотка називається допоміжної (пусковий) і зазвичай займає 1/3 пазів статора.
Двигун фактично є двофазним, але так як робочої є тільки одна обмотка, електродвигун називають однофазним.
Ротор зазвичай представляє з себе короткозамкненим обмотку, також через схожість званої "білячою кліткою". Мідні або алюмінієві стрижні якого з торців замкнуті кільцями, а простір між стрижнями найчастіше заливається сплавом алюмінію. Так само ротор однофазного двигуна може бути виконаний у вигляді порожнього немагнитного або полого феромагнітного циліндра.
Однофазний двигун з допоміжною обмоткою має 2 обмотки розташовані перпендикулярно відносно один одного
Для того щоб краще зрозуміти роботу однофазного асинхронного двигуна. давайте розглянемо його тільки з одним витком у головній і допоміжної обмотки.
Проаналізуємо випадок з двома обмотками мають по оному витка
Розглянемо випадок коли в допоміжній обмотки не тече струм. При включенні головною обмотки статора в мережу, змінний струм, проходячи по обмотці, створює пульсуюче магнітне поле, нерухоме в просторі, але змінюється від + Фmах до -Фmах.
Розкладання пульсуючого магнітного потоку на два обертових
Дія пульсуючого поля на обертовий ротор
Розглянемо випадок коли ротор, що знаходиться в пульсуючому магнітному потоці, має початкове обертання. Наприклад, ми вручну розкрутили вал однофазного двигуна, одна обмотка якого підключена до мережі змінного струму. В цьому випадку при певних умовах двигун буде продовжувати розвивати крутний момент, так як ковзання його ротора щодо прямого і зворотного магнітного потоку буде неоднаковим.
Будемо вважати, що прямий магнітний потік ФПР. обертається в напрямку обертання ротора, а зворотний магнітний потік Фобр - в протилежному напрямку. Так як, частота обертання ротора n2 менше частоти обертання магнітного потоку n1. ковзання ротора відносно потоку ФПР буде:
- де S пр - ковзання ротора щодо прямого магнітного потоку,
- n2 - частота обертання ротора, об / хв,
- s - ковзання асинхронного двигуна
Прямий і зворотний обертові магнітні потоки замість пульсуючого магнітного потоку
Магнітний потік Фобр обертається зустрічно ротора, частота обертання ротора n2 щодо цього потоку негативна, а ковзання ротора відносно Фобр
- де sобр - ковзання ротора щодо зворотного магнітного потоку
Обертове магнітне поле пронизує ротор
Струм індукований в роторі змінним магнітним полем
Відповідно до закону електромагнітної індукції прямої ФПР і зворотний Фобр магнітні потоки, створювані обмоткою статора, наводять в обмотці ротора ЕРС. які відповідно створюють в короткозамкненим роторі струми I2пр і I2обр. При цьому частота струму в роторі пропорційна ковзанню, отже:
- де f2пр - частота струму I2пр наводимого прямим магнітним потоком, Гц
- де f2обр - частота струму I2обр наводимого зворотним магнітним потоком, Гц
Таким чином, при роторі, електричний струм I2обр. наводиться зворотним магнітним полем в обмотці ротора, має частоту f2обр. набагато перевищує частоту f2пр струму ротора I2пр. наведеного прямим полем.
Приклад: для однофазного асинхронного двигуна, що працює від мережі з частотою f1 = 50 Гц при n1 = 1500 і n2 = 1440 об / хв,
ковзання ротора щодо прямого магнітного потоку S пр = 0,04;
частота струму наводимого прямим магнітним потоком f2пр = 2 Гц;
ковзання ротора щодо зворотного магнітного потоку sобр = 1,96;
частота струму наводимого зворотним магнітним потоком f2обр = 98 Гц
Відповідно до закону Ампера. в результаті взаємодії електричного струму I2пр з магнітним полем ФПР виникає крутний момент
- де Mпр - магнітний момент створюваний прямим магнітним потоком, Н ∙ м,
- СM - постійний коефіцієнт, який визначається конструкцією двигуна
Електричний струм I2обр. взаємодіючи з магнітним полем Фобр. створює гальмуючий момент Мобрей. спрямований проти обертання ротора, тобто зустрічно моменту Мпр:
- де Mобр - магнітний момент створюваний зворотним магнітним потоком, Н ∙ м
Результуючий обертальний момент, що діє на ротор однофазного асинхронного двигуна,
Довідка: В наслідок того, що в обертовому роторі прямим і зворотним магнітним полем буде наводитися струм різної частоти, моменти сил діючі на ротор в різних напрямках будуть не рівні. Тому ротор буде продовжувати обертатися в пульсуючому магнітному полі в тому напрямку в якому він мав початкове обертання.
Гальмівну дію зворотного поля
При роботі однофазного двигуна в межах номінальної навантаження, тобто при невеликих значеннях ковзання s = S пр. крутний момент створюється в основному за рахунок моменту Мпр. Гальмівну дію моменту зворотного поля Мобрей - незначно. Це пов'язано з тим, що частота f2обр багато більше частоти f2пр. отже, індуктивний опір розсіювання обмотки ротора х2обр = x2 sобр току I2обр набагато більше його активного опору. Тому струм I2обр. має велику індуктивну складову, робить сильний розмагнічуюче дію на зворотний магнітний потік Фобр. значно послаблюючи його.
- де r2 - активний опір стрижнів ротора, Ом,
- x2обр - реактивний опір стрижнів ротора, Ом.
Якщо врахувати, що коефіцієнт потужності невеликий, то стане, ясно, чому Мобрей в режимі навантаження двигуна не має значного гальмуючого дії на ротор однофазного двигуна.
За допомогою однієї фази можна запустити ротор
Ротор має початкове обертання буде продовжувати обертатися в поле створюваному однофазним статором
Дія пульсуючого поля на нерухомий ротор
При нерухомому роторі (n2 = 0) ковзання S пр = sобр = 1 і МПР = Мобрей. тому початковий пусковий момент однофазного асинхронного двигуна Мп = 0. Для створення пускового моменту необхідно привести ротор в обертання в ту чи іншу сторону. Тоді s ≠ 1, порушується рівність моментів Мпр і Мобрей і результуючий електромагнітний момент набуває деяке значення.
Одним із способів створення пускового моменту в однофазному асинхронному двигуні. є розташування допоміжної (пусковий) обмотки B, зміщеною в просторі щодо головної (робочої) обмотки A на кут 90 електричних градусів. Щоб обмотки статора створювали обертове магнітне поле струми IA і IB в обмотках повинні бути зрушені по фазі відносно один одного. Для отримання фазового зсуву між струмами IA і IB в ланцюг допоміжної (пусковий) обмотки В включають фазосмещающій елемент, в якості якого використовують активний опір (резистор), індуктивність (дросель) або ємність (конденсатор) [1].
Після того як ротор двигуна розженеться до частоти обертання, близької до сталої, пускову обмотку У відключають. Відключення допоміжної обмотки відбувається або автоматично за допомогою відцентрового вимикача, реле часу, токового або диференціального реле, або ж вручну за допомогою кнопки.
Таким чином, під час пуску двигун працює як двофазний, а після закінчення пуску - як однофазний.
Двигун з розщепленої фазою - однофазний асинхронний двигун. має на статорі допоміжну первинну обмотку, зміщену щодо основної, і короткозамкнений ротор [2].
Однофазний асинхронний двигун з пусковим опором - двигун з розщепленої фазою, у якого ланцюг допоміжної обмотки відрізняється підвищеним активним опором.
Омічний зрушення фаз, біффілярний спосіб намотування пусковий обмотки
Різне опір і індуктивність обмоток
Для запуску однофазного двигуна можна використовувати пусковий резистор, який послідовно підключається до пускової обмотки. В цьому випадку можна домогтися зсуву фаз в 30 ° між струмами головною і допоміжної обмотки, якого цілком достатньо для пуску двигуна. У двигуні з пусковим опором різниця фаз пояснюється різним комплексним опором ланцюгів.
Також зрушення фаз можна створити за рахунок використання пусковий обмотки з меншою індуктивністю і більш високим опором. Для цього пускова обмотка робиться з меншою кількістю витків і з використанням більш тонкого дроту ніж в головній обмотці.
Вітчизняною промисловістю виготовляється серія однофазних асинхронних електродвигунів з активним опором в якості фазосдвигающей елемента серії АОЛБ потужністю від 18 до 600 Вт при синхронній частоті обертання 3000 і 1500 об / хв, призначених для включення в мережу напругою 127, 220 або 380 В, частотою 50 Гц.
Двигун з конденсаторним пуском - двигун з розщепленої фазою. у якого ланцюг допоміжної обмотки з конденсатором включається тільки на час пуску.
Ємнісний зрушення фаз з пусковим конденсатором
Щоб досягти максимального пускового моменту потрібно створити круговий обертове магнітне поле, для цього потрібно щоб струми в головній і допоміжної обмотках були зрушені один щодо одного на 90 °. Використання в якості фазосдвигающей елемента резистора або дроселя не дозволяє забезпечити необхідний зрушення фаз. Лише включення конденсатора певної ємності дозволяє забезпечити фазовий зсув 90 °.
Серед фазосдвигающих елементів, тільки конденсатор дозволяє домогтися найкращих пускових властивостей однофазного асинхронного електродвигуна.
Двигуни в ланцюг яких постійно включений конденсатор використовують для роботи дві фази і називаються - конденсаторними. Принцип дії цих двигунів заснований на використанні обертового магнітного поля.
Двигун з екранованими полюсами - двигун з розщепленої фазою. у якого допоміжна обмотка короткозамкнена.
Статор однофазного асинхронного двигуна з екранованими полюсами зазвичай має явно виражені полюса. На явно виражених полюсах статора намотані котушки однофазної обмотки збудження. Кожен полюс статора розділений на дві нерівні частини аксіальним пазом. Меншу частину полюса охоплює короткозамкнений виток. Ротор однофазного двигуна з екранованими полюсами - короткозамкнений у вигляді "білячої" клітини.
При включенні однофазного обмотки статора в мережу в муздрамтеатрі двигуна створюється пульсуючий магнітний потік. Одна частина якого проходить по неекранованої Ф ', а інша Ф "- по екранованої частини полюса. Потік Ф" наводить в короткозамкненим витку ЕРС Ek. в результаті чого виникає струм Ik відстає від Ek по фазі через індуктивності витка. Струм Ik створює магнітний потік Фk. спрямований зустрічно Ф ", створюючи результуючий потік в екранованої частини полюса Фе = Ф" + Фk. Таким чином, в двигуні потоки екранованої і неекранованої частин полюса зрушені в часі на деякий кут.
Просторовий і часовий кути зсуву між потоками Фе і Ф 'створюють умови для виникнення в двигуні обертового еліптичного магнітного поля, так як Фе ≠ Ф'.
Пускові і робочі властивості розглянутого двигуна невисокі. ККД набагато нижче, ніж у конденсаторних двигунів такої ж потужності, що пов'язано зі значними електричними втратами в короткозамкненим витку.
Статор такого однофазного двигуна виконується з яскраво вираженими полюсами на несиметрична шіхтованного осерді. Ротор - короткозамкнений типу "біляча клітина".
Даний електродвигун для роботи не вимагає використання фазосдвигающих елементів. Недоліком даного двигуна є низький ККД.