ЛЕКЦИЯ 5
2. АСИНХРОННЫЕ МИКРОДВИГАТЕЛИ

§ 2.1. Общие сведения

Асинхронные микродвигатели (АМД) выполняют те же функции, что и обычные силовые двигатели средней и большой мощности. Поэтому к ним предъявляются аналогичные требования:

• высокие энергетические показатели (КПД, сosφ);
• хорошие пусковые свойства (большой пусковой момент при малом пусковом токе).

Двигатели получили большое распространение благодаря простоте конструкции, высокой надежности, хорошей технологичности.

В подавляющем большинстве случаев они имеют на статоре две обмотки, сдвинутые на 90 эл. градусов. Одна обмотка включается в сеть непосредственно и называется главной. Другая включается в сеть через фазосдвигающий элемент и называется вспомогательной (пусковой). Ротор всегда короткозамкнутый.

В зависимости от использования вспомогательной обмотки и от фазосдвигающего элемента асинхронные микродвигатели подразделяются на 5 групп:

1. с пусковым сопротивлением;
2. с пусковым конденсатором;
3. с пусковым и рабочим конденсатором;
4. с рабочим конденсатором;
5. с экранированными полюсами.

Двигатели первой и второй групп пускаются как двухфазные, но при достижении скорости, близкой к номинальной, вспомогательную обмотку отключают и они продолжают работать как однофазные.

§ 2.2. Принцип действия и основные особенности однофазных асинхронных микродвигателей

При питании однофазной обмотки статора переменным током возникает пульсирующее магнитное поле, которое можно представить двумя круговыми полями Ф_пр и Ф_об, вращающимися в разные стороны (рис.2.1). Каждое из этих полей индуцирует в обмотке ротора ЭДС и токи. Токи ротора, взаимодействуя с соответствующим полем статора, создают вращающие моменты (М₁ и М₂). При неподвижном роторе эти моменты совершенно одинаковы, поэтому результирующий момент микродвигателя равен 0.

Механическую характеристику однофазного двигателя можно получить сложением вращающих моментов прямого (М₁) и обратного (М₂) полей (рис.2.2). Анализ этой характеристики позволяет сделать следующие выводы:

• Однофазный двигатель не имеет собственного пускового момента. В этом его характерная особенность и главный недостаток.
• Двигатель не имеет определенного направления вращения. Оно зависит от первичного толчка.
• Для однофазного двигателя не возможен режим электромагнитного тормоза (при s_кр < 1).
• При одном и том же нагрузочном моменте, что и у симметричного трехфазного или двухфазного двигателя, однофазный будет иметь большее скольжение, следовательно, большие потери в роторе и меньший КПД.
• Перегрузочная способность однофазного двигателя зависит от активного сопротивления ротора. В последнем легко убедиться, рассматривая рис.2.3, где приведены механические характеристики двух двигателей с s_кр = 0,25 (а) и s_кр = 0,5 (б).

Рис.2.3. Зависимость максимального момента однофазного асинхронного двигателя от активного сопротивления ротора

Итак, при пуске однофазного двигателя (s = 1) в нем возникает пульсирующее магнитное поле. Но если привести его во вращение, поле станет эллиптическим. Объясняется это следующим образом.

При работе двигателя с небольшим скольжением, например s= 0,1, частота тока в роторе от прямого поля статора близка к нулю (при f₁ = 50 Гц f_P.1 = f₁·s = 5 Гц), а частота тока от обратного поля – близка к двойной частоте сети (f_P.2 = f₁·(2 – s) = 95 Гц).

Поскольку индуктивное сопротивление обмотки ротора пропорционально частоте, ток ротора (I_P.2), отстает от ЭДС (E_P.2), индуцированной в нем обратным полем статора (Ф_С.2), на угол близкий к 90^о (tgY_P.2 = x_P.2/r_P). Магнитный поток Ф_Р.2, созданный током I_P.2, находится почти в противофазе к обратному полю статора Ф_С.2 и в значительной мере его ослабляет.

Получается, что в двигателе имеет место прямое поле и небольшое обратное поле. Они вместе образуют одно результирующее поле – эллиптическое.

При работе двигателя в режиме холостого хода, когда скольжение близко к нулю (s ≈ 0), демпфирующее действие обратного потока ротора Ф_Р.2 оказывается на столько сильным, что обратное поле статора Ф_С.2 практически пропадает и результирующее поле становится почти круговым.

Схему замещения однофазного микродвигателя получим, если в (1.24) положим U_B = 0, Z_B1 = Z_B2. Тогда

(2.1)

Ток однофазного двигателя

(2.2)

Знаменатель выражения (2.2) является входным сопротивлением однофазного двигателя. Его можно представить (индекс А опущен) как

(2.3)

где: Z_c - полное сопротивление обмотки статора; Z_mр1, Z_mр2 - полные сопротивления контуров намагничивания и ротора токам прямой и обратной последовательностей.

Сопротивлению Z_вх (2.3) соответствует схема рис. 2.4, которая и будет схемой замещения однофазного микродвигателя.

Рис.2.4. Схемы замещения однофазного асинхронного микродвигателя

Задача 2.1. Во сколько раз (приблизительно) ток холостого хода однофазного двигателя отличается от тока холостого хода симметричного трехфазного двигателя ?

§ 2.3. Свойства фазосдвигающих элементов

Рассмотрим двигатель с двумя обмотками А и В, сдвинутыми в пространстве на 90 эл. градусов (рис. 2.5). Будем считать, что обмотки совершенно одинаковые, т.е. Z_A = Z_B (диаграмма токов для этого случая показана на рис. 2.6,а). Для того, чтобы образовалось вращающееся магнитное поле, необходим сдвиг токов во времени, поэтому в цепь обмотки В включим фазосдвигающий элемент Z_фс.

Рис. 2.5. К вопросу о свойствах фазосдвигающих элементов

Если использовать активное сопротивление (рис. 2.6,б), ток в фазе В уменьшится по величине, но станет более активным. Его вектор приблизится к вектору напряжения и между токами образуется временной сдвиг b. Если же использовать индуктивность (рис. 2.6,в), ток в фазе В тоже уменьшится по величине, но станет более реактивным. Его вектор отойдет от вектора напряжения и между токами опять образуется временной сдвиг b. В случае включения конденсатора, ток в фазе В станет опережающим (рис.2.6,г).

Анализ диаграмм токов на рис. 2.6 позволяет сделать вывод, что наилучшими фазосдвигающими свойствами обладает емкость. Только она обеспечивает сдвиг токов во времени на угол, близкий к 90º. К тому же она еще и улучшает сosφ двигателя.

Рис. 2.6. Диаграммы токов двухфазного двигателя с различными фазосдвигающими элементами

Активное сопротивление и индуктивность сдвигают токи на угол, далеко не равный 90º. Кроме того, индуктивность ухудшает соsφ двигателя.

Задача 2.2. Определить угол между векторами токов в фазах А и В, если U = 220 В, Z_A = Z_B = 20 + j20 Ом и : а) Z_фс = R = 20 Ом; б) Z_фс = X_L = j20 Ом; в) Z_фс = X_с = -j20 Ом.

§ 2.4. Получение кругового поля в конденсаторном микродвигателе

Рис.2.7. Схема включения конденсаторного двигателя (общий случай)

Рассмотрим двигатель с двумя обмотками А и В (рис.2.7). Последовательно с обмоткой В кроме конденсатора С включено добавочное сопротивление R_д , а главная обмотка питается от сети через делитель напряжения.

Необходимым условием получения кругового поля является равенство нулю одной из последовательностей токов, например, обратной

(2.4)

Это значит, что

(2.5)

Обозначим через коэффициент α отношение напряжения на обмотке А к напряжению сети U_B: α = U_A /U_B

Раскрывая полные сопротивления Z_B1 и Z_A1 , получим

Используя (1.21), выразим параметры обмотки В через параметры обмотки А :

Комплексное число равно нулю, если равны нулю действительная и мнимая части:

(2.7)

Таким образом, если одновременно выполнить условия (2.6) и (2.7), поле в двигателе станет круговым.

На практике круговое поле в конденсаторном двигателе получают одним из следующих способов:

1) подбором емкости конденсатора С и коэффициента трансформации k;

2) подбором емкости конденсатора С и соотношения фазных напряжений α ;

3) подбором емкости конденсатора С и добавочного сопротивления R_д .

1. Получение кругового поля подбором емкости конденсатора и коэффициента трансформации. При R_д = 0, α = 1 (рис. 2.8) уравнения (2.6), (2.7) принимают вид
   

   

   
   
   

   

   Рис.2.8. Схема включения (а) и векторная диаграмма (б) конденсаторного двигателя при R_д = 0 и α = 1

   
   

   Решая первое уравнение системы (2.8), найдем коэффициент трансформации

   

   
   

   где φ_A - угол между током и напряжением фазы А.

   Решая второе уравнение системы (2.8), найдем емкостное сопротивление конденсатора

   

   
   

   Или с учетом k = x_A1 /r_A1; k² x_A1 = x_B1

   

   
   

   Зная x_c , легко определить емкость конденсатора, мкФ

   C = 10⁶/(2πfx_c).

   Поскольку полные сопротивления r_A1, x_A1, x_B1 зависят от скольжения, а коэффициент трансформации и емкость конденсатора должны иметь конкретные значения, круговое поле в двигателе будет иметь место лишь при определенном скольжении S. Таким скольжением чаще всего выбирают скольжение S = 1 или S = S_ном. Во всех остальных режимах, т.е. при всех остальных скольжениях, поле в микродвигателе будет эллиптическим.

   На рис. 2.8,б построена векторная диаграмма асинхронного конденсаторного двигателя при круговом поле, из которой можно определить рабочее напряжение конденсатора - второй, после емкости, важный параметр конденсатора

   

2. Получение кругового поля подбором емкости конденсатора и соотношения фазных напряжений

   

   Рис.2.9. Схема включения конденсаторного двигателя при R_Д = 0 и α ≠ 1

   
   В этом случае (рис. 2.9) уравнения (2.6), (2.7) принимают следующий вид

   

   
   
   

   Решая систему (2.9), найдем

   

3. Получение кругового поля подбором емкости конденсатора и добавочного сопротивления

   

   Рис.2.10. Схема включения конденсаторного двигателя при R_Д = 0 и α = 1

   
   
   
   

   Схема включения показана на рис. 2.10. Уравнения (2.6), (2.7) принимают вид

   

   
   
   

   Откуда находим:

   

   
   

   Данный способ имеет одно ограничение: разность kx_A1 – k²r_A1 должна быть > 0.

Необходимо еще раз подчеркнуть, что все три способа позволяют получить круговое поле только при одном скольжении. При всех других оно становится эллиптическим.