Однофазные асинхронные двигатели

Однофазные асинхронные двигатели получили распространение в бытовых установках, питаемых однофазным током. Такие двигатели имеют однофазную обмотку на статоре и короткозамкнутую обмотку на роторе, как у обычного трехфазного асинхронного двигателя. Однофазный двигатель можно получить из трехфазного, если использовать одну или две фазы статора (рис. 4.40).

При прохождения по обмотке статора однофазного тока создается пульсирующее магнитное поле, которое может быть представлено двумя вращающимися в противоположные стороны полями. Эти поля создают моменты прямой и обратной последовательностей (рис. 4.41). Если ротор неподвижен ( ), то моменты и равны по величине, но противоположны по знаку, поэтому результирующий момент будет равен нулю. Это основной недостаток однофазных асинхронных двигателей. Если двигатель привести во вращение в ту или иную сторону, то один из моментов будет преобладать и двигатель сможет нести нагрузку. Но энергетические показатели однофазного двигателя хуже, чем у трехфазного. При одинаковых габаритах номинальная мощность однофазного двигателя составляет от номинальной мощности трехфазного двигателя. Это связано с тем, что обмотка статора однофазного двигателя занимает не все пазы и, кроме того, в однофазном двигателе существует обратное поле, которое снижает вращающий момент, увеличивая потери и нагрев.

Если у трехфазного двигателя при работе с номинальной нагрузкой произойдет обрыв одной фазы статора, то токи двух других фаз существенно возрастут и двигатель может быстро выйти из строя.

Действительно, трехфазный двигатель имеет мощность

,

где - КПД и коэффициент мощности в трехфазном режиме.

Мощность однофазного двигателя

,

где - КПД и коэффициент мощности однофазного режима.

Если учесть, что и , то ток однофазного режима возрастает более чем в раз. Работа трехфазного двигателя «на двух фазах» является частой причиной выхода его из строя. Но если мощность двигателя снизить, то его можно использовать как однофазный. Для получения пускового момента однофазных двигателей применяют специальные пусковые устройства. Часто в качестве пускового устройства используется свободная фаза с подключенным к ней конденсатором (рис. 4.42, а).

При таком включении магнитные оси обмоток А и ВС сдвинуты относительно друг друга на 90° (рис. 4.42, б), а конденсатор обеспечивает сдвиг токов во времени тоже на 90° (рис. 4.42, в). Поэтому созданное ими поле будет близко к круговому. Действительно, первая гармоника МДС фазы А

.

Изобразим пространственную волну на комплексной плоскости вектором

,

совместив вещественную ось с магнитной осью фазы А. Аналогично первую гармонику МДС фаз В и С

на комплексной плоскости можно представить вектором

.

Результирующая МДС

,

где ; .

Если , то результирующая МДС создает круговое вращающееся поле

.

Если , то наряду с прямо вращающимся полем будет существовать обратно вращающееся поле . Сумма этих полей образует эллиптическое поле

.

Очевидно, что пусковой момент будет максимальным при круговом поле. Для получения такого поля серийно выпускаемые однофазные асинхронные двигатели (рис. 4.43) содержат на статоре две взаимно ортогональные обмотки и . Чтобы обеспечить сдвиг во времени между токами в обмотках и тоже на 90°, в одну из обмоток включают конденсатор . Такие двигатели называются конденсаторными.

Конденсаторный двигатель в сущности является двухфазным двигателем, который с помощью конденсатора подключается к однофазной сети и при номинальной нагрузке имеет двухфазную симметричную систему токов. При других нагрузках симметрия фаз нарушается и в машине появляется обратное поле. Чтобы сохранить симметрию, необходимо изменять емкость. Емкость , подобранная по рабочему режиму, оказывается недостаточной для получения кругового поля при пуске. Поэтому часто параллельно с на время пуска включают пусковую емкость .

Определим величину рабочей емкости , при которой образуется круговое поле при постоянной нагрузке.

При круговом поле напряжения и токи фаз сдвинуты на 90° (рис. 4.44). Мощность обмоток и их МДС равны, поэтому справедливы следующие соотношения:

; .

Отсюда получаем связь между напряжениями на обмотках:

.

Напряжение на конденсаторе

отстает от тока на 90°. При этом согласно векторной диаграмме (рис. 4.44) углы между напряжениями и токами в фазах a и b должны быть равны,

,

и связаны с числом витков фаз соотношением

.

С учетом этих условий емкость конденсатора определится из выражения

.

Согласно векторной диаграмме

; ; .

Используя эти соотношения, получим окончательное выражение для емкости :

.

Мощность этой емкости

равна полной мощности двигателя,

.

Поэтому конденсаторы занимают объем, близкий к объему самого двигателя, что является недостатком конденсаторных двигателей. Но технико-экономические показатели таких двигателей близки к показателям трехфазных двигателей.