Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике  
 
 


 

Справочник электрика / Трансформаторы и электрические машины

 

Характеристики однофазных асинхронных электродвигателей



Однофазные асинхронные двигатели находят широкое применение в технике и быту. Производство однофазных асинхронных электродвигателей мощностью от долей ватта до сотен ватт составляет более половины производства всех машин малой мощности, и их выпуск непрерывно возрастает.

Однофазные двигатели принято делить на две категории:

  • двигатели общего назначения» к которым относят электродвигатели промышленного и битового назначения;

  • двигатели автоматических устройств - управляемые и неуправляемые двигатели переменного тока и специализированные электрические машины малой мощности (тахогенераторы, вращающиеся трансформаторы, сельсины и т.п.).

Однофазный асинхронный электродвигатель

Значительная часть асинхронных электродвигателей - это двигатели общего назначения, которые предназначены для работы от однофазной сети переменного тока. Однако существует довольно обширная группа универсальных асинхронных электродвигателей, предназначенных для работы как в однофазных, так и в трехфазных сетях.

Конструкция универсальных двигателей практически не отличается от традиционной конструкции трехфазных асинхронных машин. При работе от трехфазной сети эти двигатели имеют характеристики подобные характеристикам трехфазных двигателей.

Однофазные двигатели имеют короткозамкнутый ротор, а обмотка статора может выпускаться в различных вариантах. Наиболее часто на статоре укладывается рабочая обмотка, заполняющая две трети пазов, и пусковая обмотка, заполняющая оставшуюся треть пазов. Рабочая обмотка рассчитывается для продолжительного режима, а пусковая — лишь на период пуска. Поэтому она выполняется проводом малого сечения и содержит значительное число витков. Для создания пускового момента а пусковую обмотку включают фазосдвигающие элементы - резисторы или конденсаторы. 

Асинхронные двигатели малой мощности могут выполняться двухфазными, когда рабочая обмотка, укладываемая на статоре, имеет две фазы, смешённые в пространстве на 90°. В одну до фаз постоянно включен фазосмещающий элемент - конденсатор или резистор, обеспечивающие определенный фазовый сдвиг между токами обмоток.

Двигатель с постоянно включённым в одну из фаз конденсатором обычно называется конденсаторным. Емкость фазосмещающего конденсатора может иметь постоянную величину, но в ряде случаев величина ёмкости может быть различной для пуска и для рабочего режима.

Особенностью однофазных асинхронных двигателей является возможность вращения ротора в различных направлениях. Направление вращения определяется направлением пускового момента.

При малых сопротивлениях ротора (Sкр < 1) однофазный двигатель, таким образом, не может работать в режиме противовключения. Двигательный режим соответствует частоте вращения ротора 0 < n < nc при более высокой частоте вращения имеет место режим генератора.

Особенностью однофазных двигателей является и то, что его максимальный момент зависит от сопротивления ротора. С ростом активного сопротивления ротора максимальный момент уменьшается, а при больших величинах сопротивления Sкр > 1 становится отрицательным.

При выборе типа электродвигателя для привода прибора или механизма необходимо знать его характеристики. Основными являются моментные характеристики (начальный пусковой момент, максимальный вращающий момент, минимальный вращающий момент), частота вращения, виброакустические характеристики. В отдельных случаях необходимыми также являются энергетические и весовые характеристики.

В качестве примера рассчитаны характеристики однофазного двигателя имеющего следующие параметры:

  • число фаз - 1;

  • частота сети - 50 Гц;

  • напряжение сети - 220 В;

  • активное сопротивление обмотки статора - 5 Ом;

  • индуктивное сопротивление обмотки статора - 9,42 Ом;

  • индуктивное сопротивление обмотки ротора - 5,6 Ом;

  • осевая длина машины - 0,1 м; 

  • число витков в обмотке статора -320;

  • радиус расточки статора - 0,0382 м;

  • число пазов - 48;

  • воздушный зазор - 1,0 х 103 м.

  • коэффициент индуктивности ротора 1,036.

Однофазная обмотка заполняет две трети пазов статора.

На рис. 1 показаны зависимости тока однофазного электродвигателя и электромагнитного момента от скольжения. В режиме идеального холостого хода ток двигателя потребляемый из сети а основном для создания магнитного поля, имеет относительно большую величину.

Для моделируемого двигателя величина намагничивающего тока составляет около 30 % пускового тока, для трехфазных двигателей такой же мощности - 10-15%. Электромагнитный момент в режиме идеального холостого хода имеет отрицательную величину, которая растёт с увеличением сопротивления роторной цепи. При скольжении = 1 электромагнитный момент равен нулю, что подтверждает правильность работы модели.

Огибающие векторного потенциала и магнитной индукции в зазоре двигателя при скольжении s=1

Рис.1. Огибающие векторного потенциала и магнитной индукции в зазоре двигателя при скольжении s=1

Зависимость тока и электромагнитного момента однофазного асинхронного двигателя от скольжения

Рис. 2. Зависимость тока и электромагнитного момента однофазного асинхронного двигателя от скольжения

Зависимости полезной и потребляемой мощностей от скольжения (рис. 3) имеют традиционный характер. КПД двигателя в режиме идеального холостого хода имеет отрицательный знак в соответствии с отрицательным моментом, а коэффициент мощности в этом режиме имеет весьма малую величину (0,125 для моделируемого двигателя).

Заниженное, по сравнению с трёхфазными двигателями, значение коэффициента мощности объясняется большой величиной намагничивающего тока. По мере увеличения нагрузки величина коэффициента мощности возрастает и становится соизмеримой с аналогичным показателем трехфазных двигателей (рис. 4).

Зависимость полезной и потребляемой мощности однофазного асинхронного двигателя от скольжения

Рис. 3. Зависимость полезной и потребляемой мощности однофазного асинхронного двигателя от скольжения

Зависимость коэффициента полезного действия и коэффициента мощности однофазного асинхронного двигателя от скольжения

Рис. 4. Зависимость коэффициента полезного действия и коэффициента мощности однофазного асинхронного двигателя от скольжения

С ростом активного сопротивления ротора величина электромагнитного момента уменьшается, а при критических скольжениях, превышающих единицу, становится отрицательным.

На рис. 5 показаны зависимости электромагнитного момента однофазного двигателя от скольжения для различных величин электропроводности вторичной среды двигателя.

Зависимость электромагнитного момента однофазного двигателя от скольжения при различных сопротивлениях ротора

Рис. 5. Зависимость электромагнитного момента однофазного двигателя от скольжения при различных сопротивлениях ротора (1 - 17 х 106 См/м, 2 - 1,7 х 106 См/м)

Конденсаторные электродвигатели имеют две постоянно включенные в сеть обмотки. Одна из них включается в сеть непосредственно, вторая - последовательно с конденсатором, обеспечивающим необходимый фазовый сдвиг.

Обе обмотки занимают одинаковое число пазов статора, а число их витков и ёмкость конденсатора рассчитывается таким образом, чтобы при определенном скольжении обеспечивалось круговое вращающееся магнитное поле. Наиболее часто в качестве такого скольжения принимается номинальное. Однако в таком случае пусковой момент оказывается значительно меньше номинального.

Магнитное поле в режиме пуска является эллиптическим, в значительной мере сказывается влияние обратно бегущих составляющих магнитного поля. Если емкость конденсатора увеличить, выбрав ей из условия получения кругового поля при пуске, то происходит уменьшение момента и снижение энергетических показателей при номинальном скольжении.

Возможен и третий вариант, когда круговое поле соответствует скольжению большей величины, чем при номинальном режиме. Но и этот путь не является оптимальным, так как увеличение момента сопровождается значительным увеличением потерь. Увеличение пускового момента конденсаторного двигателя может быть достигнуто за счёт увеличения активного сопротивления ротора. Этот способ приводит к увеличению потерь при любых скольжениях, вследствие чего снижается КПД двигателя.

Зависимость токов конденсаторного двигателя от скольжения

Рис. 6. Зависимость токов конденсаторного двигателя от скольжения (Iр.о - ток рабочей обмотки, Iк.о - ток конденсаторной обмотки, Is - ток двигателя)

Зависимость потребляемой P1 и полезной P2 мощности конденсаторного двигателя от скольжения

Рис. 7. Зависимость потребляемой P1 и полезной P2 мощности конденсаторного двигателя от скольжения

Зависимость коэффициента полезного действия и коэффициента мощности и электромагнитного момента конденсаторного двигателя от скольжения

Рис. 8. Зависимость коэффициента полезного действия и коэффициента мощности и электромагнитного момента конденсаторного двигателя от скольжения

Конденсаторный двигатель обладает вполне удовлетворительными энергетическими показателям, высоким коэффициентом мощности, величина которого превосходит коэффициент мощности трехфазного двигателя, а при повышенном сопротивлении ротора и значительной ёмкости - высоким пусковым моментом. При этом, как было указано выше, двигатель имеет пониженное значение КПД.

Векторная диаграмма конденсаторного двигателя при скольжении s = 0,1

Рис. 9. Векторная диаграмма конденсаторного двигателя при скольжении s = 0,1

Векторная диаграмма (рис. 9) показывает, что при выбранном значении емкости конденсатора ток конденсаторной обмотки является опережающим по отношению к напряжению сети, а ток рабочей обмотки - отстающим. На диаграмме также видно, что при скольжении, близком к номинальному, магнитное поле двигателя имеет эллиптический характер. Для получения кругового поля величина емкости конденсатора должна быть уменьшена с таким расчетом, чтобы токи обеих обмоток были равны по модулю.

Смотрите также по этой теме: Многоскоростные однофазные конденсаторные электродвигатели