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

Подождите немного. Документ загружается.

имеет конденсатора и питается от симметричной двухфазной сети, дос-

таточно одной схемы замещения для его исследования. Схема замеще-

ния другой фазы будет точно такой же.

Путем подбора параметров обмоток и добавочных резисторов в це-

пи вспомогательной обмотки можно получить круговое вращающееся

магнитное поле и тем самым свести к минимуму пульсации магнитного

потока и вращающего момента. В этом случае говорят о симметричном

режиме работы асинхронного двигателя с однофазным питанием.

Круговое вращающееся поле в КАД можно получить при помощи

одного из трех способов:

1) выбора чисел витков вспомогательной и главной обмоток - коэф-

фициента трансформации

W/Wk



и емкости конденсатора C при за-

данном напряжении сети U;

2) правильного выбора напряжений фаз - отношения

U/U и

емкости конденсатора С при заданном коэффициенте трансформации k;

3) включения последовательно с конденсатором добавочного рези-

стора

R и правильного выбора емкости конденсатора C.

Емкость конденсатора в каждом из этих трех способов получения

кругового вращающегося поля будет различной, причем значение ее

зависит не только от способа получения кругового поля, но и от режи-

ма работы (угловой скорости ротора двигателя). При заданных k, U и

R (соответственно первый, второй и третий способы) независимо от

емкости конденсатора круговое вращающееся поле можно получить

только для одного режима работы двигателя. При изменении режима

работы КАД изменяются токи в фазах и для получения кругового поля

вместе с емкостью конденсатора С нужно менять k или

, или

R , что

практически выполнить невозможно. С точки зрения ресурсо- и энер-

госбережения третий способ является наименее эффективным.

Для получения наилучших рабочих свойств КАД его характеристи-

ки обычно рассчитываются так, чтобы получить круговое вращающее-

ся поле при номинальном режиме или при режиме, близком к нему. Та-

кое исполнение обеспечивает высокие энергетические показатели дви-

гателя при нагрузке, однако не позволяет получить достаточный пуско-

вой момент - он обычно не превосходит 30-40% номинального момен-

та.

Если же при запуске двигателя необходимо обеспечить повышенное

значение пускового момента, параллельно рабочему конденсатору на

время пуска включается пусковой конденсатор С

. При достижении

двигателем частоты вращения, соответствующей критическому момен-

ту на валу, пусковой конденсатор C

отключается с помощью реле

или центробежного выключателя. Отключение пускового конденсато-

ра в функции тока не используется из-за разброса параметров об-

моток КАД и емкости конденсатора.

Включение пускового конденсатора приводит к значительному воз-

растанию магнитного потока вспомогательной фазы при пуске, а, сле-

довательно, и вращающего момента. Пусковой конденсатор C

необ-

ходимо отключать, так как в рабочем режиме поле становится эллип-

тическим и тем самым значительно уменьшается к.п.д. двигателя.

Емкость конденсатора С, необходимую для создания кругового по-

ля, можно определить из векторной диаграммы (рис. 13)

)φcos/(φcos/

AAABC

UUU







;

)]ω/(1[ CkIXIU

BCBC









Из этих двух выражений находим

)/(φcos

UIC









Рис. 13. Принципиальная схема и векторная диаграмма конденсаторного

асинхронного двигателя при круговом поле, полученном с помощью изме-

нения напряжения на фазе B и емкости конденсатора C

Соотношения между напряжениями и токами фаз

k=U



)=tg





;

/k.

После подстановки этих выражений получаем

)/(φsin

UkIC  .

Емкость конденсатора прямо пропорциональна току в главной обмот-

ке. Из векторной диаграммы можно выявить, что напряжение на кон-

денсаторе

1 k





 при круговом поле больше напряжения

сети U и растет с увеличением коэффициента трансформации k и

уменьшением



Для создания кругового вращающегося поля, особенно при пуске,

даже у двигателей сравнительно небольшой мощности (100 - 200 Вт)

требуются конденсаторы с емкостями 10-50 мкФ и напряжением 500 В.

Часто габариты конденсаторов переменного тока высоких напряжений

превышают габариты КАД. Проблема больших габаритов может быть

успешно решена, если использовать электролитические конденсаторы.

3.3. АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ТРЕХФАЗНОЙ

ОБМОТКОЙ

При отсутствии трехфазной питающей сети асинхронный двигатель

с трехфазной обмоткой можно использовать в режиме однофазного пи-

тания (см.лаб.раб.№7). В этом случае две из трех фаз непосредственно

включаются в сеть, а третья подключается к напряжению питания че-

рез пусковой или рабочий конденсаторы. При одном и том же значении

мощности вспомогательной обмотки емкость фазосдвигающего кон-

денсатора для двигателя с трехфазной обмоткой в 3/4 раз больше ем-

кости конденсатора для двигателя с двухфазной обмоткой. Поэтому

предпочтение следует давать последнему. В системах автоматики при-

меняются универсальные асинхронные двигатели серии УАД, которые

могут работать как от трехфазной, так и однофазной сети.

В отличие от трехфазных асинхронных двигателей, для которых ха-

рактерны симметричное пространственное расположение и одинаковые

параметры обмоток на статоре, в двигателях с однофазным питанием

главная и вспомогательная обмотки имеют различные параметры.

3.3.1. ОБМОТКА С КВАЗИСИММЕТРИЧНЫМИ ФАЗАМИ

Число пазов, занимаемых каждой фазой обмотки статора, отличает-

ся незначительно. Обмоточные коэффициенты фаз и масса проводни-

ков фаз практически одинаковы, тогда как активное и индуктивное со-

противления главной и вспомогательной фаз имеют разные значения.

3.3.2. ОБМОТКА СТАТОРА С НЕСИММЕТРИЧНЫМИ ФАЗАМИ

У этого типа обмоток число пазов, занимаемых каждой фазой, число

проводников в одноименных пазах и сечение провода отличается суще-

ственно. Поэтому главная и вспомогательные обмотки имеют различ-

ные количества витков, обмоточные коэффициенты, массы, сопротив-

ления. Характерным примером такой обмотки является обмотка, в ко-

торой 2/3 пазов статора занимает главная и 1/3 - вспомогательная об-

мотки.

На рис. 14 приведены сравнительные характеристики двух- и трех-

фазных двигателей одинаковых габаритов при различных схемах вклю-

чения обмоток. По оси ординат отложено относительное значение час-

тоты вращения ротора

n\n , по

оси абсцисс - момента M\

M , где

M - максимальный момент трех-

фазного двигателя,

n - частота

вращения магнитного поля стато-

ра.

Двигатель с однофазной об-

моткой (кривая 1) имеет самые

плохие характеристики: пусковой

момент отсутствует, максималь-

ный момент в 5 раз меньше и час-

тота вращения холостого хода

ниже, чем у трехфазного двигате-

ля. Несколько лучше механиче-

ская характеристика двигателя с

пусковым сопротивлением в це-

пи вспомогательной обмотки

(сопротивление фазосдвигающе-

Рис. 14. Механические характеристики

асинхронных двигателей: 1 - с однофаз-

ной обмоткой; 2-с экранированными по-

люсами; 3 и 4 - конденсаторного с двух-

и трехфазной обмоткой; 5 - трехфазного

го резистора в три раза больше полного сопротивления вспомогатель-

ной обмотки). Продолжительная работа двух последних двигателей при

номинальной частоте вращения недопустима из-за перегрева вследст-

вие повышенного скольжения. Примерно одинаковые характеристики

имеют конденсаторные двигатели с двухфазной (кривая 3) и трехфаз-

ной обмоткой, включенной в однофазную сеть по схеме «звезда» с

рабочим конденсатором (кривая 4). При номинальной частоте враще-

ния они имеют практически одинаковые мощность на валу и к.п.д., но

емкость конденсатора для двигателя с трехфазной обмоткой примерно

в два раза больше. Наилучшая характеристика у трехфазного двигателя

с обмоткой, соединенной по схеме «звезда» (кривая 5), поскольку в

условиях кругового поля отсутствует тормозной момент, создаваемый

обратным полем.

4. РЕВЕРС И РЕГУЛИРОВАНИЕ

УГЛОВОЙ СКОРОСТИ РОТОРА

Реверсирование КАД достигается путем переключения выводов

вспомогательной обмотки (рис. 15). Двигатель отключается для оста-

новки ротора. Несоблюдение этого условия приводит к тому, что КАД

переходит в точку 2 механической характеристики (рис. 16), сохраняя

а б

Рис.15. Схемы включения обмоток

для вращения двигателя по часо-

вой (а) и против часовой (б)

стрелки

Рис. 16. Механические ха-

рактеристики двигателя М

и рабочего механизма

M для разных направле-

ний вращения: — прямо-

го; - - - обратного

прежнее направление вращения (вместо точки 2' при обратном направ-

лении вращения). При реверсе многообмоточного двигателя все его

обмотки должны быть обесточены, поскольку при протекании тока хо-

тя бы в одной обмотке двигатель также создает вращающий момент.

Способы регулирования угловой скорости ротора



определяются

из выражения p/f)s(

π21









. Регулировать угловую скорость

ротора можно путем изменения скольжения s, числа пар полюсов р об-

мотки статора и частоты

f .

Одним из способов изменения скольжения s является изменение на-

пряжения питания. При этом момент на валу двигателя меняется про-

порционально квадрату напряжения питания, а угловая скорость хо-

лостого хода ротора изменяется мало. Данный способ используют ино-

гда в электроприводах вентиляторов, нагрузочная характеристика ко-

торых позволяет получить устойчивый режим работы двигателя в диа-

пазоне скольжений, которые больше критического значения. При этом

вентилятор одновременно охлаждает двигатель, в котором выделяются

дополнительные тепловые потери. Для получения значительного сни-

жения угловой скорости обмотку ротора изготавливают из материала с

большим сопротивлением.

Напряжение на обмотках двигателя можно регулировать с помощью

трансформаторов, добавочных резисторов, тиристоров или симисторов.

Применение последних приводит к резкому ухудшению гармоническо-

го состава токов и напряжений обмоток, а, следовательно, к увеличе-

нию потерь и снижению к.п.д. электропривода.

Ступенчатое изменение напряжения питания позволяют реализовать

схемы, в которых секции обмоток статора переключаются с последова-

тельного соединения на параллельное (рис. 17). Главная обмотка стато-

ра состоит из двух секций, которые при большом значении напряжения

питания включены последовательно, а при малом - параллельно. Пере-

ключатель имеет достаточно простое конструктивное исполнение. Схе-

мы обеспечивают соотношение напряжений питания 2:1 и близкие зна-

чения угловых скоростей ротора.

Ограниченное число фиксированных угловых скоростей ротора мо-

жет быть получено с помощью многоскоростных КАД, в которых об-

мотка статора переключается на различное число пар полюсов. Беличья

клетка ротора автоматически образует число полюсов, равное числу

полюсов статора.

Используются две конструкции многоско-

ростных КАД: с несколькими гальванически

не связанными между собой главными обмот-

ками статора и с одной главной обмоткой. В

многообмоточных двигателях неэффективно

используется обмотка статора (при включении

одной обмотки другая - не используется), за-

полнение паза статора проводниками непол-

ное, но можно получить различные соотноше-

ния угловых скоростей ротора.

Многоскоростные однообмоточные двига-

тели с переключением секций обмотки статора

на различное число полюсов более просты и

дешевы, но требуют более сложного переклю-

чателя. Переключение числа пар полюсов в

однообмоточном двигателе можно реализовать

только в случае применения двухслойных об-

моток, поскольку после переключения числа

пар полюсов должен сохраняться угол про-

странственного смещения осей главной и

вспомогательной обмоток по окружности ста-

тора, равный 90 эл.град. Наиболее просто осу-

ществляется переключение пар полюсов в со-

отношении 1:2. В этом случае обмотка выпол-

няется в виде двух секций. Изменение направ-

ления тока в одной из секций позволяет изме-

нить число пар полюсов в два раза.

В качестве примера можно привести двига-

тель для стиральной машины, в которой в ре-

жиме стирки требуется мощность около

100 Вт, а в режиме отжима белья (центрифу-

га)- 300 Вт. В обоих режимах к.п.д. должен

быть не менее 50 %. В связи с тем, что прихо-

дится применять переключатели сложной кон-

струкции, предпочтение отдается гальваниче-

ски не связанным обмоткам статора с различ-

ным числом пар полюсов.

Рис.17. Схемы для из-

менения напряжения

питания обмотки

двигателя: а - большое

напряжение; б - мень-

шее напряжение

Переключение с одного числа пар полюсов на другое может привести

к самовозбуждению контура, состоящего из отключенной обмотки и при-

соединенного к ней конденсатора. В результате самовозбуждения появля-

ется тормозной момент. Чтобы исключить появление тормозного момен-

та, необходимо отсоединять конденсатор от обмотки при ее отключении.

Наиболее эффективным способом регулирования угловой скорости

ротора является изменение частоты колебаний тока обмотки статора f

Реализация данного способа позволяет плавно регулировать угловую

скорость ротора в большом диапазоне с сохранением жесткости меха-

нических характеристик, но требует использования дорогих полупро-

водниковых преобразователей частоты. Условием постоянства вра-

щающего момента во всем диапазоне изменения частоты колебаний то-

ка статора является неизменность магнитного потока U/f

=const (выве-

дено академиком М.П.Костенко), т.е. одновременно с изменением час-

тоты f

пропорционально изменяют и значение напряжения питания U.

Полученная зависимость U/f

=const выведена при условии, что актив-

ное сопротивление обмотки статора равно нулю. На практике активное

сопротивление обмотки статора оказывает заметное влияние, особенно

при малых частотах f

. Поэтому необходимо учитывать падение на-

пряжения в обмотке статора (схемы с IR - компенсацией) или разме-

щать датчики для получения информации непосредственно о магнит-

ном потоке (схемы со стабилизацией магнитного потока).

Хорошие результаты стабилизации магнитного потока могут быть по-

лучены при поддержании постоянным отношения частот колебаний токов

ротора и статора

f/f . Частоту колебаний тока ротора

f определяют

по разности между частотой колебаний тока статора и частотой вращения

ротора. Для измерения последней на валу двигателя устанавливается им-

пульсный датчик. Все эти мероприятия приводят к усложнению систем

частотного управления, которые обычно строятся как замкнутые.

Стабилизация угловой скорости ротора осуществляется при помощи

регулирования тока в обмотках статора. Относительно простым является

импульсное регулирование тока в цепи обмотки статора путем автомати-

ческого шунтирования добавочного резистора в цепи обмотки статора с

помощью центробежного выключателя. Реализация этого способа позво-

ляет получить простую и дешевую схему регулятора, недостатком которо-

го является наличие радиопомех. Более дорогой является схема полупро-

водникового коммутатора с датчиком частоты вращения.

ПРОГРАММА РАБОТЫ

А. Экспериментальные исследования

1. Ознакомиться с лабораторным стендом, конструкцией двигате-

ля и его паспортными данными, измерить сопротивления главной и

вспомогательной обмоток в холодном состоянии.

2. Собрать схему (рис. 20), определить коэффициент трансформации

двигателя.

3. В однофазном режиме работы двигателя снять рабочие характе-

ристики

PIPn φcos,η,,,,

в зависимости от М при напряжении пи-

тания

U =220.

4. Исследовать работу двигателя в симметричном режиме и снять

рабочие характеристики

tgPIIPPPn φ,φcos,φcos,η,,,,,,,

зависимости от М при



= const и

UkU





= const.

5. Собрать схему (рис. 21). Исследовать работу двигателя с конден-

сатором, емкость которого равна

C : а) получить круговое поле при

частоте вращения, для которой ktg



φ ; б) провести опыт нагрузки и

снять рабочие характеристики конденсаторного двигателя

,φcos,η,,,,,,,,

PIIIPPPn φcos,φcos

в зависимости от М при



=const, C=C

6. Собрать схему (рис. 22). Исследовать работу двигателя с конден-

сатором, емкость которого равна

C : а) получить круговое вращаю-

щееся поле за счет изменения напряжения

U (при



U const) и емко-

сти конденсатора

C для скольжения s=0,l (или иного скольжения); б)

провести опыт нагрузки и снять рабочие характеристики двигателя

PIIIPPPn φcos,η,,,,,,,,

в зависимости от M при



const, U

расч

=const.

7. Провести опыт нагрузки и снять механическую характеристику

)M(fn



двигателя с конденсатором емкостью

C при напряжениях

U =180, 140 В.

8. Провести опыт короткого замыкания и снять зависимость пуско-

вого момента

от значения емкости конденсатора C. Измерить со-

противления главной и вспомогательной обмоток в горячем состоянии.

Б. Расчеты и построения

1. Рассчитать коэффициент трансформации двигателя и сравнить

его с паспортным значением.

2. Рассчитать среднюю температуру обмоток для пп.1, 8 программы.

3. Построить график зависимости

=f(C) согласно п.5 программы.

4. Построить и сравнить между собой графики зависимостей

)M(fn



P =f(M),

=f(M),

cos

=f(M),

I =f(M) при различ-

ных вариантах включения: а) однофазном; б) симметричном двухфаз-

ном; в) конденсаторном (согласно п.п. 6, 7, 8 программы).

5. Построить две векторные диаграммы КАД для пп.6, 7 программы.

6. Построить графики зависимости )M(fn



при напряжениях

U =220, 180, 140 В для пп. 6, 8.

7. Сравнить экспериментальные и номинальные данные КАД, сде-

лать заключение о его пригодности к эксплуатации.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

Стенд состоит из станины с исследуемым двигателем, электромаг-

нитного тормоза, строботахометра, комплекта измерительных прибо-

ров, источника питания. Объектом испытаний является двигатель типа

КД180-4/56РКУХЛ4 с двухфазной распределенной обмоткой статора.

Он может использоваться в электроприводах общего назначения (ре-

жим работы продолжительный S1), а также бытовых машин и прибо-

ров (повторно-кратковременный режим S3).

Структура условного обозначения:

КД - конденсаторный двигатель; 180 - номинальная мощность на

валу, Вт; 4 - число полюсов; 56 - высота оси вращения, мм; Р - с рас-

пределенной обмоткой статора; К - с подшипниками качения; УХЛ -

исполнение для умеренного и холодного климата; 4 - категория разме-

щения (в закрытых отапливаемых помещениях).

КД180-4/56РКА - модификация двигателя со шпонкой на высту-

пающем конце вала.

Двигатель изготовляется в климатическом исполнении УХЛ или О

(общеклиматическое) категории размещения 4 по ГОСТ 15150-69.

Условия эксплуатации:

- высота над уровнем моря не более 1000 м; температура ок-