Глава №4: Асинхронные микродвигатели

Вопрос №1: Чему равен пусковой момент «чисто» однофазного асинхронного двигателя?

АД содержит на статоре однофазную обмотку и короткозамкнутую обмотку на роторе. При питании обмотки статора от сети переменного тока создается пульсирующее магнитное поле, ось которого совпадает с осью однофазной обмотки, а значение магнитного потока изменяется от до .

При неподвижном роторе это пульсирующее поле наводит в короткозамкнутой обмотке ротора ЭДС и токи. Электромагнитные силы , действующие на ротор, взаимно уравновешиваются и не создают вращающего момента. Следовательно, ротор самостоятельно прийти во вращение не может.

Отсутствие пускового вращающего момента является характерной особенностью и основным недостатком «чисто» однофазного АД. Однако вращающий момент такого двигателя равен нулю только при неподвижном роторе. Если посредством посторонней силы ротор привести во вращение, то он будет вращаться самостоятельно, развивая определенный вращающий момент. Для объяснения этого явления воспользуемся методом симметричных составляющих и разложим пульсирующую МДС однофазной обмотки статора, на вращающиеся МДС прямой и обратной последовательностей ( ).

Работу однофазного АД можно представить как совместную работу двух совершенно одинаковых симметричных двигателей с круговыми вращающимися полями, имеющих общий вал. Поле одного двигателя вращается в ту же сторону, что и ротор, и создает вращающий момент , равный моменту от прямого поля однофазного двигателя. Поле другого двигателя вращается в обратную сторону и создает момент , равный моменту от обратного поля.

При неподвижном роторе (S = 1) оба поля, вращаясь относительно ротора с одинаковыми (синхронными) скоростями в разных направлениях, создают одинаковые вращающие моменты , и ), направленные встречно. Результирующий момент, действующий на ротор , будет равен нулю.

Вопрос №2: Изобразите механическую характеристику «чисто» однофазного асинхронного двигателя?

Механическая характеристика однофазного АД может быть получена путем сложения вращающих моментов, развиваемых прямыми ( ) и обратными ( ) полями.

Особенностью однофазного АД является то, что его ротор при критическом скольжении может вращаться в обе стороны. Направление вращения зависит от того, в какую сторону ротор приводится во вращение из неподвижного состояния силой извне. Однофазный АД таким образом при не имеет тормозного режима. Ему присущи только двигательный и генераторный режимы.

При критическом скольжении ротор однофазного АД вообще не может вращаться самостоятельно, так как в этом случае момент, развиваемый двигателем, всегда направлен против вращения. Таким образом, однофазный АД при может работать только в тормозном режиме.

Вопрос №3: Укажите особенности конструкции АД с пусковым двигателем?

АД с одной обмоткой на статоре не имеет пускового момента. Чтобы получить пусковой момент в АД при однофазном питании, необходимо выполнить условия образования вращающегося магнитного поля. Для этого в пазах статора размещают две обмотки, оси которых смещены в пространстве на угол π/2. Одна из обмоток, которая в рабочем режиме находится под напряжением, называется главной или рабочей, другая, используемая лишь на время пуска, — вспомогательной или пусковой. Фазовый сдвиг токов в обмотках достигается за счет включения последовательно с пусковой обмоткой фазосдвигающего

элемента (рис. 1). В большинстве случаев в качестве фазосдвигающего элемента используют либо резистор, либо конденсатор.

Так как в рабочем режиме под напряжением находится только одна главная обмотка А, то в целях лучшего использования двигателя под нее отводится обычно 2/3 пазов статора ). Пусковая обмотка работает только при пуске, поэтому она обычно занимает 1/3 пазов статора ( ). Иногда для лучшего использования стали пазы пусковой обмотки имеют меньшее сечение (рис. 2).

Рис.1. Схема включения АД с пусковыми элементами в однофазную сеть	Рис.2. Лист стали статора АД с пусковыми элементами

Вопрос №4: Как выглядит механическая характеристика АД с пусковыми элементами?

Рис.3. Механическая характеристика АД с пусковым сопротивлением

Механическая характеристика АД с пусковым сопротивлением показана на рис. 3. Двигатель пускается как несимметричный двухфазный.

При достижении ротором определенной частоты вращения (точка D на рис. 3) пусковая обмотка отключается и двигатель переходит в однофазный режим — от сети питается только обмотка А.

Вопрос №5: Каковы условия получения кругового вращающегося поля в АКД?

Учитывая, что

	(1)
	(2)

Условия образования кругового вращающегося поля в конденсаторном АД получаем, приравнивая нулю ток обратной последовательности . Принимая выделяя действительную и мнимую части в числителе (2) и приравнивая их нулю, находим:

(3)

Из этих равенств следует, что круговое вращающееся поле может быть получено при коэффициенте трансформации

(4)

и реактивном сопротивлении конденсатора

(5)

Последнее равенство говорит о том, что для получения кругового поля в АД, реактивное сопротивление конденсатора должно быть равно сумме полных реактивных сопротивлений его фаз. Зная реактивное сопротивление конденсатора, легко определяем его ёмкость, мкФ: .

Равенства (4) и (5) выражают два условия, которые необходимо выполнить, чтобы получить круговое поле. Невыполнение хотя бы одного из этих условий приводит к тому, что поле становится эллиптическим.

Вопрос №6: Возможно ли, изменив только ёмкость конденсатора, получить круговое поле в АКД?

Реактивное сопротивление конденсатора, необходимое для получения кругового поля, может быть выражено иначе, чем в (5). Из выражения (5), после подстановки А из (4), получим

(6)

Из выражений (4) и (6) видно, что коэффициент трансформации k и реактивное сопротивление конденсатора обеспечивающие круговое вращающееся ноле, зависят от угла — угла сдвига между током и напряжением главной обмотки.

Известно, что при изменении нагрузки любого двигателя его коэффициент мощности , а следовательно, и угол непрерывно изменяются. Это значит, что для сохранения вращающегося поля круговым при изменении нагрузки АКД необходимо одновременно изменять его коэффициент трансформации k и емкость конденсатора . Практически это выполнить невозможно, так как у любого реального двигателя коэффициент трансформации k, равный отношению чисел витков фаз, — величина постоянная. Таким образом, можно сделать следующий вывод.

В АКД с помощью конденсатора можно получить круговое вращающееся поле только для какого-либо одного вполне определенного режима (одной нагрузки, одной частоты вращения), при котором . При отклонении в ту или иную сторону от этого режима вращающееся поле будет уже не круговым, а эллиптическим, причем любое изменение емкости в том случае, если , не может привести к круговому полю.

Вопрос №7: Какое действие оказывает обратновращающееся поле на двигатель?

Обратновращающееся поле является противодействующим полем положительновращающегося. Момент в данном случае представляется не как обычная характеристика трёхфазного асинхронного двигателя, а так как показано в рис.:

Вывод: Механическая характеристика не имеет пускового момента, так же значение момента при той же скорости меньше, и характеристика-кривая M₂ выходит не из нуля.

Вопрос №8: Чем определяется напряжение на конденсаторе в АКД?

Рис. 4. Векторная диаграмма АКД при круговом поле

На рис. 4 построена векторная диаграмма токов и напряжений АКД при круговом поле. Из рис. 4 видно, что при круговом поле

а напряжение на конденсаторе

Из этого выражения видно, что напряжение на конденсаторе всегда больше напряжения сети и растет с увеличением коэффициента трансформации. Это необходимо учитывать при выборе конденсатора, чтобы предотвратить его пробой.

Вопрос №9: Какие АД называют универсальными?

Асинхронные двигатели, рассчитанные для работы от сети как трехфазного, так и однофазного тока, называются универсальными асинхронными двигателями (УАД).

Универсальные АД изготовляются как трехфазные, но их обмоточные данные рассчитываются так, чтобы при определенной схеме включения обмоток с использованием конденсатора обеспечивались приемлемые характеристики и при работе от однофазной сети. Номинальная мощность УАД при однофазном питании составляет 70—85% номинальной мощности трехфазного двигателя. Наиболее распространенные схемы включения трехфазных двигателей в однофазную сеть показаны на рис.5.

Вопрос №10: Изобразите схемы включения трёхфазных АД в однофазную сеть?

Широкое применение в схемах автоматики получили универсальные АД серии УАД. На практике для работы от однофазных сетей могут использоваться и обычные трехфазные двигатели. При этом рабочие емкости конденсаторов должны быть выбраны таким образом, чтобы фазные токи при нагрузке не превышали номинальных значений.

Рис. 5. Схема включения трехфазных двигателей в однофазную сеть

Приближенно значения рабочих емкостей, мкФ, можно определить по формулам:

—для схемы рис. 5, а,

—для схемы рис. 5, б;

—для схемы рис. 5, в,

где — номинальный ток трехфазного двигателя; — напряжение однофазной сети.

При тяжелых условиях пуска необходимо на время запуска параллельно с рабочей емкостью включать пусковую емкость .

Поскольку при работе УАД напряжение на конденсаторах может превышать напряжение сети, то при выборе их для рассматриваемых схем включения следует соблюдать условие , где рабочее напряжение конденсатора.

Вопрос №11: Каковы конструктивные особенности АД с экранированными полюсами?

Асинхронные двигатели с экранированными полюсами (АДЭП), называемые иногда двигателями с короткозамкнутыми витками, широко применяются в электроприводах малой мощности с легкими условиями пуска.

Рис. 6. Конструкция статоров АДЭП:

а — без магнитных шунтов; б — с магнитными шунтами;

в — с составным статором

Сердечник статора АДЭП набирается из листов электротехнической стали и имеет явновыраженные полюсы (рис. 4.16). На полюсах статора 1 располагаются катушки однофазной обмотки возбуждения 2. Каждый полюс статора разделяется на две в общем случае неравные части продольным (аксиальным) пазом. Меньшую часть полюса охватывает замкнутая накоротко катушка, чаще всего состоящая из одного короткозамкнутого витка 3. Короткозамкнутые витки, экранирующие часть полюсов, изготавливаются из меди или алюминия. Ротор двигателя — обычный короткозамкнутый с обмоткой, выполненной в виде беличьей клетки.

Статоры АДЭП могут выполняться без магнитных шунтов (рис. 6, а); с вставными магнитными шунтами 4, соединяющими разноименные полюсы (рис. 6, б), составными, состоящими из крестовины 5 и внешнего ярма 6 (рис. 6, в).

Вопрос №12: Объясните назначение короткозамкнутых витков и магнитных шунтов в АДЭП?

Для улучшения формы магнитного поля в рабочем зазоре на полюсах статора иногда устанавливают не один, а два и более короткозамкнутых витков, охватывающих разные части полюсов и имеющих разные сечения (рис. 4.17, а). С этой же целью в ряде случаев под неэкранированной частью полюса делают больший или ступенчатый зазор (рис. 4.17, б). Кроме того, в магнитных шунтах выполняют прорези, оставляя узкие перемычки (мостики насыщения), благодаря чему часть магнитного потока ответвляется в воздушный зазор. Указанные меры позволяют приблизить форму магнитного потока в рабочем зазоре к синусоидальной и снизить влияние высших пространственных гармоник поля.

Рис. 7. Конструктивные схемы однофазных АД:

а и б—с экранированными полюсами: в - без экранов на полюсах

Вопрос №13: Каким образом в АДЭП создаётся вращающееся поле?

При питании АДЭП намагничивающий ток, протекающий по обмотке возбуждения, создает пульсирующий магнитный поток , одна часть которого , проходя по неэкранированной части полюса, не сцепляется с короткозамкнутым витком; другая часть проходит по экранированной части полюса, сцепляется с короткозамкнутым витком и наводит в нем электродвижущую силу , отстающую во времени на четверть периода от потока . Под действием ЭДС короткозамкнутого витка по нему протекает ток , отстающий вследствие индуктивности витка от ЭДС на некоторый угол .

Рис. 8. Временная диаграммы потоков в АДЭП

Ток короткозамкнутого витка создаёт магнитный поток , который по фазе совпадает с током. Таким образом, поток экранированной части полюса складывается из двух потоков: и ( ) . Поток , как это видно из векторной диаграммы, представленной на рис. 8, сдвинут во времени относительно потока на некоторый угол β. В пространстве потоки экранированной и неэкранированной ) частей полюсов смещены на угол .

Таким образом, в двигателе с экранированными полюсами имеются два потока, сдвинутых во времени и в пространстве. Это значит, что результирующее магнитное поле двигателя будет вращающимся. Вследствие неравенства потоков и . и недостаточного сдвига их во времени и в пространстве вращающееся магнитное ноле двигателя будет не круговым, а эллиптическим, однако этого вполне достаточно для того, чтобы двигатель развивал некоторый пусковой момент.

Вопрос №14: В какую сторону вращается ротор АДЭП?

В АДЭП магнитное поле, а следовательно ротор всегда вращается в сторону короткозамкнутого витка (в сторону отстающего во времени потока . Таким образом эти двигатели не обладают свойством реверсивности.

Вопрос №15: Как влияет на свойства АДЭП третья пространственная гармоника магнитного поля?

Одной из основных характеристик АДЭП является механическая характеристика. Механическая характеристика АДЭП аналогична характеристике несимметричного АД при эллиптическом поле. Она отличается лишь тем, что имеет провал при частоте вращения примерно равной 1/3 синхронной (при ). Причиной этого провала является момент от высших пространственных гармоник в кривой МДС, особенно третьей, которая появляется вследствие того, что обмотка возбуждения — сосредоточенная, а не распределенная (выполняется в виде катушек, а не распределяется по пазам). У некоторых двигателей провал в кривой момента настолько велик, что вращающий момент при меньше пускового и ротор двигателя при определенных моментах сопротивления на валу разгоняется только до частоты вращения (точка D на рис. 9). В целях уменьшения влияния высших пространственных гармоник поля на механические характеристики АДЭП устанавливаются магнитные шунты между наконечниками полюсов.

Рис. 9. Механическая характеристика АДЭП

Вопрос №16: Каковы конструктивные особенности асинхронных линейных двигателей?

Асинхронные ЛД но конструктивным признакам и особенностям физических процессов подразделяются на машины с поперечным и аксиальным магнитным потоком. Двигатель с поперечным магнитным потоком можно представить как обычный АД, разрезанный но осевой образующей и развернутый в плоскость. В поперечном сечении двигателя такая развертка выглядит так, как показано па рис. 10. Ту часть ЛД, которая получасе электрическую энергию из сети и создает в пределах сердечника бегущее магнитное поле, называют статором, индуктором или первичным элементом, а часть двигателя, получающую энергию посредством электромагнитного поля, — бегуном или вторичным элементом.

В зависимости от размеров индуктора 1 и бегуна 2 различают ЛД с одинаковыми линейными размерами статора и вторичного элемента (рис. 10, а), с коротким статором (рис. 10, б) и с коротким бегуном (рис. 10, в).

Конструкция ЛД, показанная на рис. 10, и, практически не применяется, так как при движении вторичного элемента в какую-либо сторону все большие участки статора становятся пассивными, теряя электромагнитную связь с бегуном; вместе с тем эти участки продолжают потреблять электрическую энергию из сети. Для получения постоянных электромагнитных сил на значительном протяжении без изменения потребляемой мощности используют ЛД с укороченным статором или с укороченным вторичным элементом (рис. 4.21, б, в).

Вторичные элементы могут иметь конструкцию, аналогичную роторам обычных АД, т.е. содержать шихтованный сердечник и обмотку типа беличьей клетки. Однако на практике наибольшее распространение получили бегуны, выполненные в виде листа из меди, алюминия или стали. Иногда применяются составные вторичные элементы, изготовленные из листов проводникового и ферромагнитного материала или в виде токопроводящих листов, прошитых стальными заклепками. Последние являются частью магнитопровода и уменьшают магнитное сопротивление па пути рабочего потока.

Рис.10. Конструктивные схемы асинхронных линейных двигателей:

а — с одинаковой длиной статора и вторичного элемента; б — с коротким статором; в — с коротким бегуном

Технико-экономические показатели асинхронных ЛД определяются не только конструктивным исполнением вторичных элементов, по и конструкцией статоров. Типы статоров плоских асинхронных ЛД приведены на рис. 11. Конструктивная схема ЛД с односторонним статором 1 и ферромагнитным сердечником 3 показана на рис. 11, а. Одна сторона такого статора не содержит обмотки и служит лишь для уменьшения магнитного сопротивления. Большее значение рабочего магнитного потока может быть получено в ЛД

с двусторонним статором (рис. 11, б). Двигатель с односторонним статором содержит лишь один первичный элемент 1 и вторичный элемент 2 (рис. 11, в). Иногда индуктор выполняет роль бегуна, а вторичный элемент неподвижен.

Рис. 11. Конструктивные схемы асинхронных ЛД с листовыми вторичными элементами: а — с односторонним статором и ферромагнитным сердечником:

б — с двусторонним статором; в — с односторонним статором

Типичным представителем асинхронных ЛД с аксиальным магнитным потоком является трубчатый, или цилиндрический, двигатель (рис. 12). Его можно получить, если плоский ЛД мысленно свернуть в трубу вокруг оси, параллельной направлению движения бегущего ноля. В трубчатых ЛД статор 1 содержит обмотку 2, состоящую из уложенных в определенной последовательности цилиндрических катушек; обмотка статора может состоять из двух или трех непрерывных слоев. Бегун двигателя состоит из электропроводящей втулки 3, расположенной на ферромагнитном стержне 4.

Рис. 12. Конструктивная схема трубчатого ЛД

Вопрос №17: Объясните принцип образования тягового усилия в ЛД?

Принцип действия асинхронных ЛД аналогичен принципу действия обычных АД: трехфазная обмотка индуктора, обтекаемая трехфазным током (рис. 13), создает бегущее магнитное поле

, где — максимальная индукция, создаваемая совместным действием всех фаз индуктора.

Рис. 13. Образование бегущего магнитного поля

Синхронная линейная скорость перемещения бегущего поля

Бегущее поле статора, пересекая проводящее тело бегуна, •наводит в нем ЭДС и токи. В результате взаимодействия магнитного потока с током вторичного элемента возникает электромагнитная сила

,

где — постоянная, зависящая от конструктивного исполнения ЛД;

— фазовый угол между потоком и током бегуна.

Под действием тяговой силы бегун начинает перемещаться в сторону движения магнитного поля. Очевидно, что для создания электромагнитной силы бегун должен перемещаться с линейной скоростью, несколько меньшей синхронной, т.е. со скольжением

Особенностью ЛД является наличие краевого эффекта, обусловленного разомкнутостью магнитной системы. Краевой эффект проявляется в том, что в рабочем зазоре кроме бегущего поля образуется еще и пульсирующее поле, создающее тормозящие силы. Вследствие этого тяговые и энергетические показатели ЛД значительно ухудшаются. Наиболее эффективными средствами уменьшения пульсирующей составляющей магнитного поля являются: увеличение числа полюсов статора, применение специальных компенсирующих обмоток, выполнение обмотки статора двухслойной с укороченным шагом.