Лавриненко В.А. (сост.). Электрические двигатели для бытовой техники

Подождите немного. Документ загружается.

технической стали способствует снижению потерь от вихревых токов.

Распределенная обмотка статора 3 наматывается и укладывается в пазы

на станках. Обмотка ротора в КАД всегда выполняется коротко-

замкнутой (чаще всего в виде “беличьей клетки”). “Беличья клетка”

состоит из отдельных алюминиевых стержней, расположенных в пазах

равномерно по окружности ротора. Стержни замыкаются с торцов при

помощи колец 4 из того же материала. Короткозамкнутые обмотки из-

готавливаются, как правило, путем заливки под давлением алюминия в

пазы сердечника ротора. Вместе со стержнями отливают и замыкаю-

щие кольца с вентиляционными выступами 5, которые частично вы-

полняют функцию вентилятора. При большом количестве выделяемого

тепла для охлаждения двигателя используется встроенный вентилятор.

Различают двигатели с протяжной и замкнутой системами вентиля-

ции. Увеличение пускового момента достигается за счет увеличения

сопротивления обмотки ротора, поэтому для обмотки ротора часто ис-

пользуют алюминий, легированный кремнием. При эксплуатации дви-

гателей в агрессивных средах или при повышенной температуре для

изготовления обмотки ротора используется бронза или медь. В пакет

ротора запрессовывается вал, соб-

ранный ротор помещается в расточку

статора, затем устанавливаются под-

шипниковые щиты 6.

В отличие от предыдущей конст-

рукции КАД с явно выраженными

полюсами (рис.3) имеет двухфазную

сосредоточенную обмотку статора.

Катушки этой обмотки расположены

на полюсах и попарно объединены в

первую 2 и вторую 4 фазы. Сердеч-

ник статора 1 изготавливается разъ-

емным. КАД явнополюсной конст-

рукции имеют более простую техно-

логию изготовления, но уступают по

энергетическим и массо-габаритным

показателям двигателям с распреде-

ленной обмоткой.

Рис. 3. Конденсаторный асинхрон-

ный двигатель с явно выраженны-

ми полюсами: 1 -

сердечник статора;

2 -

катушка главной обмотки;

3 - короткозамкнутый ротор; 4 - ка-

тушка вспомогательной обмотки

3. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

3.1. АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ОДНОФАЗНОЙ

ОБМОТКОЙ НА СТАТОРЕ

При протекании переменного тока через однофазную обмотку соз-

дается не вращающаяся, а пульсирующая волна магнитного поля В

(рис.4). Неподвижная в пространстве и изменяющаяся во времени по

синусоидальному закону пульсирующая волна магнитного поля может

быть представлена в виде вектора магнитной индукции

, неподвиж-

ного в пространстве, длина которого периодически изменяется во вре-

мени.

Если в пазах статора асинхронного двигателя разместить две фазы,

смещенные в пространстве относительно друг друга, и пропустить по

ним токи, сдвинутые во времени относительно друг друга, то в воздуш-

ном зазоре машины образуется вращающееся магнитное поле В. На

рис. 5 показано перемещение волны вдоль оси x и вращение вектора

магнитной индукции

вдоль окружности воздушного зазора от точки,

соответствующей моменту времени

t , до точки

t .

Принцип действия асинхронного двигателя с однофазной обмоткой

статора удобно объяснять при помощи теории вращающегося магнит-

ного поля. Для представления пульсирующего магнитного поля италь-

янский ученый Феррарис предложил использовать два магнитных поля

с амплитудами

B =

B /2, вращающихся в противоположные сто-

роны с одинаковыми угловыми скоростями



(рис. 6).

Рис. 4. Графическое

представление пуль-

сирующего поля

Рис. 5. Графическое представление кругового

вращающегося поля В в воздушном зазоре асин-

хронного двигателя

Если пренебречь насыщением

магнитной цепи и сложить два кру-

говых поля, получится пульсирую-

щее магнитное поле асинхронного

двигателя с однофазной обмоткой.

Результирующий электромагнитный

момент двигателя равен сумме мо-

ментов

M и

M . Анализ механиче-

ской характеристики (рис. 7) позво-

ляет сделать следующие выводы:

- результирующий момент всегда

меньше момента двигателя с круго-

вым полем из-за наличия тормозно-

го момента

M ;

- асинхронный двигатель с од-

нофазной обмоткой не создает пус-

кового момента и для его запуска

необходимо использовать вспомога-

тельную обмотку (фазу).

После раскручивания вала влево

или вправо при помощи внешнего

момента асинхронный двигатель с

однофазной обмоткой начинает

вращаться самостоятельно.

В этом случае пульсирующее

магнитное поле в воздушном зазоре

преобразуется во вращающееся маг-

нитное поле, создающее полезный

момент на валу. Поле, вращающееся

в сторону вращения ротора, называ-

ется прямым

B , а поле противопо-

ложного направления-обратным

B .

Рис.6.Изображение пульсирующего

поля В в виде двух вращающихся

в противоположные стороны кру-

говых полей

, BB

Скольжение ротора относи-

тельно прямого магнитного по-

ля определяется из выражения









пр

ss ,

где





/p – угловая ско-

рость магнитного поля статора;

– частота сети; p – число пар

полюсов;



- угловая скорость

ротора.

Скольжение ротора относительно обратного магнитного поля

обр









 2

Частота

2 f)s(f





тока ротора, индуктированного обратным

магнитным полем, имеет большое значение в диапазоне скольжений

0<s



1. При работе двигателя возникает эффект вытеснения тока в

стержнях обмотки ротора, что приводит к дополнительным потерям и

перегреву. Поэтому роторы с двойной беличьей клеткой или с глубо-

кими пазами в асинхронных двигателях с однофазной обмоткой стато-

ра не используются.

Из-за добавочных потерь, обусловленных обратным полем, элек-

трические потери однофазного двигателя больше, частота вращения

холостого хода и к.п.д. его меньше, чем трехфазного. Другой особенно-

стью двигателя с однофазной обмоткой является зависимость макси-

мального момента от значения активного сопротивления обмотки рото-

ра, вследствие взаимодействия моментов от прямого и обратного по-

лей.

 Частота вращения ротора четырехполюсного двигателя равна 1400

об/мин, частота питающей сети 50 Гц. С каким скольжением переме-

щается ротор по отношению к прямой и обратной волнам магнитных

полей статора?

Рис.7. Механические характеристики

асинхронного двигателя с однофазной

обмоткой на статоре

3.2. АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ДВУХФАЗНОЙ

ОБМОТКОЙ СТАТОРА

Для создания пускового момента однофазные двигатели имеют

вспомогательную обмотку (фазу), смещенную в пространстве относи-

тельно главной. Сдвиг во времени токов главной и вспомогательной

обмоток получается за счет включения во вспомогательную обмотку

фазосдвигающего устройства, в качестве которого могут использо-

ваться резистор с активным сопротивлением R, индуктивность L, кон-

денсатор C и симистор. Главная обмотка (фаза) подключается к пи-

тающей сети непосредственно (рис. 8, а).

Если в качестве фазосдвигающего элемента используется резистор с

активным сопротивлением R, ток

I будет отставать от напряжения се-

ти U на угол

, меньший угла

(рис. 9, а). Угол сдвига токов

I и

I во времени

φφ





в этом случае всегда меньше 90 эл.град.

В рассматриваемом случае в двигателе не может быть получено круго-

вое вращающееся поле. Магнитное поле машины может быть только

эллиптическим. Вращение двигателя осуществляется в направлении от

обмотки с отстающим током к обмотке с опережающим током.

Если в качестве фазосдвигающего элемента включается индуктив-

ность L, ток вспомогательной фазы

будет отставать от напряжения

сети U на угол

, больший угла

(рис. 9, б). Угол сдвига токов

а б в

Рис

. 8. Принципиальные схемы двухфазного асинхронного двигателя:

а - с фазосдвигающим устройством; б - с конденсаторным пуском; в - с пуско-

вым С

и рабочим С

конденсаторами

φφ





также меньше 90 эл.град. И в этом случае не может быть

получено круговое вращающееся поле. Двигатель будет вращаться в

противоположном направлении по сравнению с двигателем, у которого

вспомогательная обмотка содержит фазосдвигающий резистор или

конденсатор.

Включение симистора во вспомогательную фазу (только на время

пуска) позволяет получить векторную диаграмму, похожую на ту, что

представлена на рис. 9, б.

Круговое магнитное поле может быть получено только при включе-

нии конденсатора С в качестве фазосдвигающего элемента. Ток вспо-

могательной фазы

опережает напряжение сети U (рис. 9,в).

Угол

φφ





при определенных соотношениях между

X и

может быть равен 90 эл.град. Положительным свойством конденсатора

как фазосдвигающего

элемента является не

только способность

обеспечить получение

кругового вращающе-

гося поля, но и воз-

можность получения

заданного вращающе-

го момента при ми-

нимальном токе, по-

требляемом дви-

гателем из однофаз-

ной сети (рис. 10).

Приближенно

можно считать, что

вращающие моменты,

развиваемые двигате-

лем при различных

фазосдвигающих эле-

ментах, будут одина-

ковы, если активные

составляющие токов

акт

(проекции на век-

тор напряжения U) не

а б в

Рис. 9. Векторные диаграммы однофазного

двигателя с различными фазосдвигающими

элементами Z

ФС

: а - R; б -

L; в - 1/

Рис. 10. Токи, потребляемые двигателем из одно-

фазной сети, при различных фазосдвигающих

элементах

изменяются. Из рис. 10 видно, что при одном и том же вращающем

моменте двигатель потребляет из сети наибольший ток

I в случае

применения индуктивности L в качестве фазосдвигающего элемента, а

наименьший (

I ) - при использовании конденсатора С. Конденсатор

является наилучшим фазосдвигающим элементом для ОАД. Однако

выпускаются ОАД, у которых в качестве фазосдвигающих элементов

используются резисторы.

 При работе конденсаторного асинхронного двигателя произошел об-

рыв цепи вспомогательной обмотки. Оцените изменение тока в глав-

ной обмотке статора, если мощность на валу двигателя осталась

неизменной.

3.2.1. ДВИГАТЕЛЬ С ПУСКОВЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ

Увеличение активного сопротивления вспомогательной обмотки

достигается при помощи включения дополнительного резистора, либо

изготовления вспомогательной обмотки из провода меньшего сечения

или намотки части витков в противоположных направлениях и увели-

чения длины провода (бифилярная обмотка). Ток вспомогательной об-

мотки является опережающим по отношению к току главной обмотки.

После запуска двигателя вспомогательная обмотка отключается во из-

бежание перегрева. Обычно главная обмотка занимает 2/3 пазов, а

вспомогательная пусковая - 1/3. Такие двигатели надежней конденса-

торных. Однако использование бифилярной обмотки приводит к по-

вышенному расходу медного провода и не позволяет обеспечить сдвиг

во времени токов главной и вспомогательной обмоток на 90 эл. град.

Двигатели с повышенным активным сопротивлением пусковой обмот-

ки широко применяются для привода компрессоров бытовых холо-

дильников, где они работают в среде хладагента.

3.2.2. ДВИГАТЕЛЬ С ФАЗОСДВИГАЮЩИМ РЕАКТОРОМ

Двигатели с фазосдвигающим дросселем не имеют практического

применения из-за сложности получения дросселя с большой индуктив-

ностью и низкого к.п.д.

3.2.3. ДВИГАТЕЛЬ С КОРОТКОЗАМКНУТОЙ

ВСПОМОГАТЕЛЬНОЙ ОБМОТКОЙ НА СТАТОРЕ

Сдвиг токов во времени в двух обмотках можно получить за счет

короткого замыкания вспомогательной обмотки. В этом случае главная

и вспомогательная обмотки должны иметь магнитную связь (угол меж-

ду обмотками должен быть меньше 90 эл.град.). Вследствие чего при

подключении главной обмотки к питающей сети во вспомогательной

обмотке наводится э.д.с. и возникает ток, отстающий от тока главной

обмотки. Ротор двигателя начинает вращаться в направлении от глав-

ной к вспомогательной обмотке. Этот принцип сдвига токов во време-

ни при однофазном питании положен в основу работы двигателя с эк-

ранированными полюсами.

3.2.4. КОНДЕНСАТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Главная А и вспомогательная В обмотки КАД занимают одинако-

вое количество пазов, но имеют различные сопротивления (рис. 11). В

цепь питания вспомогательной обмотки В включают конденсатор С,

получая при этом оптимальный угол сдвига фаз токов в обмотках,

равный 90 эл.град. Конденсатор, постоянно включенный в цепь пита-

ния вспомогательной обмотки, называется рабочим. В отличие от од-

нофазных двигателей с пусковыми элементами вспомогательная об-

мотка в конденсаторных

двигателях остается под-

ключенной к сети как при

пуске в ход, так и в режиме

нагрузки.

В двигателях с конден-

саторным пуском (англ.-

capacitor start motor) ис-

пользуется только пуско-

вой конденсатор

(рис.

8, б), который после на-

чала вращения двигателя

отключается.

Рис.11.Принципиальная схема конденсаторно-

го асинхронного двигателя

В общем случае магнитное поле КАД является эллиптическим, а

при определенных условиях - круговым. Для создания кругового поля

необходимо, чтобы одновременно выполнялись два условия: 1) ампли-

туды пульсирующих полей обеих фаз A и B были равны друг другу

(

BmAm



); 2) угол сдвига во времени

токов в фазах дополнял угол

пространственного сдвига фаз

до 180 эл.град.: (

)=180 эл. град.

Электрический угол связан с геометрическим через число пар полюсов

р:

эл

=р

геом

Круговое поле в КАД с двухфазной обмоткой статора

будет максимальным в случае, если угол пространственного сдвига фаз

равен 90 эл.град. Поэтому для получения оптимальной конструкции

двухфазного КАД смещают фазы обмотки в пространстве и токи во

времени на углы, равные 90 эл.град.

Если хотя бы одно из условий не выполняется, то поле получается не

круговым, а эллиптическим. Амплитуда эллиптического поля за один оборот

вала двигателя дважды принимает максимальное и минимальное значения,

что приводит к пульсации вращающего момента с удвоенной частотой на-

пряжения питания. Пульсация момента является причиной вибрации двига-

теля с частотой около 100 Гц при промышленной частоте 50 Гц.

Любое эллиптическое поле можно рассматривать как сумму двух

полей, отличающихся амплитудой, - прямого, создаваемого токами

и k

I =

(рис.11), и обратного, создаваемого токами

I и

I =

'I (k=W

- коэффициент трансформации). Прямое и об-

ратное поля вращаются в противоположные стороны с одинаковой уг-

ловой скоростью 

. Обратное поле двигателя создает момент, направ-

ленный навстречу основному моменту машины - моменту от прямого

поля. Оно увеличивает токи, потери в двигателе, уменьшает его к.п.д.

Реальные токи в обмотках A и B конденсаторного двигателя равны

сумме токов прямой и обратной последовательностей

I =

I +

I ;

I =

'I +

'I .

Напряжения

U =

U +

U =

Z +

Z ;

U =

U +

U =

Схема замещения сопротивлений главной обмотки А току прямой

последовательности ничем не отличается от схемы замещения обычно-

го (симметричного) асинхронного двигателя при скольжении s. В схеме

замещения сопротивлений обмотки А току обратной последовательно-

сти вместо скольжения s надо подставить (2- s).

Схемы замещения сопротивлений вспомогательной обмотки В токам

прямой и обратной последовательностей представлены на рис. 12.

- активное сопротивление конденсатора, обусловленное по-

терями в нем, или активное сопротивление, включенное последова-

тельно с обмоткой В.

- реактивное сопротивление конденсатора;

, X

- активное сопротивление и индуктивное сопротивление

рассеяния обмотки В статора;

, X

- активное сопротивление и индуктивное сопротивление

рассеяния обмотки ротора, приведенное к числу фаз статора и к числу

витков обмотки В статора.

При исследовании двухфазного несимметричного двигателя прихо-

дится оперировать четырьмя схемами замещения. Если двухфазный

двигатель симметричен по исполнению, т. е. имеет совершенно одина-

ковые обмотки А и В, сдвинутые в пространстве на 90 эл. град, не

Рис. 12. Схемы замещения сопротивлений Z

и Z