§ 96. Однофазные асинхронные двигатели

Однофазные асинхронные двигатели широко применяются при небольших мощностях (до 1 — 2 квт). Такой двигатель отличается от обычного трехфазного двигателя тем, что на статоре его помещается однофазная обмотка. Поэтому любой трехфазный асинхронный двигатель может быть использован в качестве однофазного. Ротор однофазного асинхронного двигателя может иметь фазную или короткозамкнутую обмотку.
Особенностью однофазных асинхронных двигателей является отсутствие начального или пускового момента, т. е. при включении такого двигателя в сеть ротор его остается неподвижным.
Если же под действием какой-либо внешней силы вывести ротор из состояния покоя, то двигатель будет развивать вращающий момент.
Отсутствие начального момента является существенным недостатком однофазных асинхронных двигателей. Поэтому эти двигатели всегда снабжаются пусковым устройством.
Чтобы получить начальный вращающий момент, можно разместить на статоре две обмотки, сдвинутые одна относительно другой на половину полюсного деления (90°). Эти обмотки должны быть присоединены к симметричной двухфазной сети, т. е. напряжения, приложенные к обмоткам катушек, должны быть равны между собой и сдвинуты на четверть периода по фазе.
В этом случае токи, протекающие по катушкам, окажутся также сдвинутыми по фазе на четверть периода, что в дополнение к пространственному сдвигу катушек дает возможность получить вращающееся магнитное поле. При наличии вращающегося магнитного поля двигатель развивает пусковой момент.

Простейшую двухфазную обмотку можно представить в виде двух катушек (рис. 121), оси которых смещены в пространстве на 90°. Если по этим катушкам, имеющим одинаковое число витков, пропустить равные по величине и сдвинутые по фазе на четверть периода синусоидальные токи, т. е.

то магнитные поля этих катушек будут также синусоидальны и сдвинуты по фазе на четверть периода, т. е.

При этом вектор В_A направлен по оси катушки А — X, а вектор В_B — по оси катушки В — Y.
В любой момент результирующее магнитное поле равно геометрической сумме магнитных полей катушек А и В, т. е.

Следовательно, при таком устройстве результирующее магнитное поле двухфазной обмотки имеет неизменное значение, равное амплитуде поля одной фазы.
Так как в пространстве магнитные поля взаимно перпендикулярны, то угол, образованный результирующим полем с осью катушки В, определяется из условия

откуда α = ωt т. е. угол между вектором результирующего поля и вертикальной осью линейно изменяется во времени и, следовательно, этот вектор вращается с постоянной скоростью

Но в действительности двухфазная сеть обычно отсутствует, а пуск однофазного двигателя осуществляется включением двух катушек в одну общую для них однофазную сеть. В таких условиях для получения угла сдвига фаз между токами в катушках, примерно равного четверти периода, одну из катушек (рабочую) включают в сеть непосредственно или с пусковым активным сопротивлением, а вторую катушку (пусковую) — через индуктивную катушку (рис. 122, а) или конденсатор (рис. 122, б).

Пусковая обмотка включается только на период пуска в ход. В момент, когда ротор приобретает определенную скорость, пусковая обмотка отключается от сети и двигатель работает как однофазный.
Пусковая обмотка отключается центробежным выключателем или специальным реле.
В качестве однофазного двигателя может быть использован любой трехфазный асинхронный двигатель (рис. 123, а). При работе трехфазного двигателя в качестве однофазного рабочая или главная обмотка, состоящая из двух последовательно соединенных фаз трехфазного двигателя, включается непосредственно в однофазную сеть, третья фаза, являющаяся пусковой или вспомогательной обмоткой, включается в ту же сеть через пусковой элемент — сопротивление (рис. 123, б), индуктивность (рис. 123, в) или конденсатор (рис. 123, г).

В однофазных двигателях малой мощности в качестве пусковой обмотки используют короткозамкнутые витки, укладываемые на полюсах статора. Статоры таких двигателей выполняют с явновыраженными полюсами (рис. 124) и рабочую обмотку укладывают на полюсы в виде катушек, подобно обмотке возбуждения машины постоянного тока.

Каждый полюс разделен на две части, на одной из которых помещают короткозамкнутые катушки. В этих катушках создаются токи, препятствующие прохождению магнитного потока в части полюса В, вследствие чего магнитный поток в части полюса А достигает максимального значения раньше, чем в части полюса В. Эти два несовпадающие по фазе потока возбуждают вращающееся магнитное поле.
В короткозамкнутых катушках возникают добавочные потери, что снижает к. п. д. двигателя. Поэтому такой способ пуска в ход используется только в двигателях очень малых мощностей (до 100 вт), где значение к. п. д. не является первостепенным.
Конденсатор ный двигатель представляет собой однофазный асинхронный двигатель с двумя обмотками на статоре и короткозамкнутым ротором (рис. 125, а). В отличие от способа пуска в ход однофазных двигателей через конденсатор, рассмотренного выше, в конденсаторных (двухфазных) двигателях вспомогательная обмотка рассчитана на длительное прохождение тока и остается включенной не только при пуске в ход двигателя, но и при работе. Наличие вращающегося поля при работе двигателя улучшает рабочие свойства этого двигателя в сравнении с однофазными.

Круговое вращающееся магнитное поле в конденсаторном двигателе будет получено в случае равенства намагничивающих сил двух катушек, причем намагничивающая сила катушки К₂ должна опережать намагничивающую силу катушки К₁ на π/2 во времени. Это будет при некоторой определенной нагрузке двигателя.
При изменении нагрузки нарушится условие получения кругового вращающегося поля. При этом помимо кругового прямого поля появляется обратное вращающееся поле, создающее тормозной момент, который уменьшает вращающий момент машины.
С увеличением емкости конденсатора возрастает и ток, т. е. повысится нагрузка двигателя, при которой будет создано круговое вращающееся поле. Поэтому повышение емкости конденсаторной батареи вызовет увеличение максимального момента машины, причем максимальный момент смещается в область больших нагрузок, т. е. больших скольжений (рис. 125, б).
При увеличении емкости возрастает также и пусковой момент двигателя. Однако увеличение емкости батареи конденсаторов в рабочем режиме нежелательно, так как это ведет к снижению скорости и понижает к. п. д. двигателя. Поэтому конденсаторные двигатели выполняют с двумя батареями конденсаторов — с постоянно включенной или рабочей емкостью С_р и пусковой емкостью С_п, включаемой только на период пуска в ход двигателя.

Контрольные вопросы

1. Объясните принцип действия асинхронного двигателя.
2. Может ли быть скорость вращения ротора асинхронного двигателя больше скорости вращения магнитного поля?
3. Как изменить направление вращения ротора двигателя?
4. Каково устройство асинхронного двигателя с фазным и корот-козамкнутым ротором?
5. Если напряжение питающей сети понизится на 10%, то в какой мере уменьшится вращающий момент двигателя?
6. Каково устройство двигателя с улучшенными пусковыми свойствами?
7. Каким образом регулируется скорость вращения асинхронных двигателей?
8. Почему однофазный асинхронный двигатель не имеет начального момента?
9. Какие способы пуска в ход однофазных двигателей известны Вам?
10. Может ли трехфазный асинхронный двигатель работать от однофазной сети?
11. Зачем конденсаторные двигатели снабжены двумя батареями конденсаторов?