Однофазный асинхронный электродвигатель

Однофазные асинхронные двигатели широко применяют при небольших мощностях
(до 1 - 2 кВт). Такой двигатель отличается от трехфазного тем, что на статоре его помещается однофазная обмотка. Ротор однофазного асинхронного двигателя имеет фазную или короткозамкнутую обмотку.
Особенностью однофазных асинхронных двигателей является отсутствие начального или пускового момента, т. е. при включении такого двигателя в сеть ротор его будет оставаться неподвижным.

Если же под действием какой-либо внешней силы вывести ротор из состояния покоя, то двигатель будет развивать вращающий момент.

Схема пуска однофазного двигателя при включении в цепь пусковой обмотки:
а - индуктивности, 6 - ёмкости

Отсутствие начального момента является существенным недостатком однофазных асинхронных двигателей. Поэтому они всегда снабжаются пусковым устройством.

Наиболее простым пусковым устройством являются две обмотки, помещенные на статоре, сдвинутые одна относительно другого на половину полюсного деления
(90° электрических). Эти обмотки катушек питаются от симметричной двухфазной сети,
т. е. напряжения, приложенного к обмоткам катушек, равны между собой и сдвинуты на четверть периода по фазе. При таких напряжениях токи, проходящие по катушкам, также сдвинуты по фазе на четверть периода, что в дополнение к пространственному сдвигу катушек дает возможность получить вращающееся магнитное поле.

При наличии вращающего магнитного поля двигатель развивает пусковой момент.
В действительности двухфазная сеть обычно отсутствует, и пуск однофазного двигателя осуществляется включением двух в одну общую для них однофазную сеть.

Регулирование частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей. Частота вращения ротора в минуту определяется следующим выражением: n2 = n1(1 - S) = (60f1/p)(1 - S). Из этого выражения видно, что частоту вращения ротора регулировать изменением любой из трех величин, определящих её, т. е. изменением частоты тока сети f1, числа пар полюсов p и скольжения S. Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей изменением частоты тока сети сложно, так как необходим какой-либо регулирующий преобразователь частоты или генератор. Поэтому этот способ не имеет широкого применения. Число полюсов машины может быть изменено, если на статоре имеется несколько (обычно две) обмоток с различным числом полюсов или одна обмотка, которую можно переключать на различное число полюсов, или две обмотки, каждая из которых может переключаться на различное число полюсов. На (изо, а) схематически показаны две обмотки одной фазы, соединенные последовательно, которые могут быть переключены на четыре полюса. Если изменить направление тока в одной из катушек, включив ее встречно с другой, то обмотка может переключаться на два полюса (изо, б). При изменении числа полюсов обмотки статора изменится частота вращения его магнитного поля, а следовательно, и частота вращения ротора двигателя. Этот способ регулирования частоты вращения асинхронного двигателя экономичен, но недостатком его является ступенчатое изменение частоты. Схема переключения обмотки статора на разное число полюсов: а - четыре полюса, б - два полюса Кроме того, стоимость такого двигателя значительно возрастает вследствие усложнения обмотки статора и увеличения габаритов машин. Регулирование частоты вращения изменением числа полюсов применяют в двигателях с короткозамкнутым ротором; в двигателях с фазным ротором этот способ не используется, так как приходится одновременно изменять число полюсов обмотки статора и число полюсов обмотки вращающегося ротора, что весьма сложно. Обычно встречаются двигатели с синхронными частотами вращения 500 - 750 - 1000 - 1500 об/мин. Такие двигатели имеют на статоре две обмотки, каждая из которых может быть переключена на различное число полюсов. Скольжение можно изменять регулировочным реостатом, введенным в цепь обмотки ротора, а также регулированием напряжения сети. При регулировании напряжения питающей сети изменяется вращающий момент двигателя пропорционально квадрату напряжения. При уменьшении вращающего момента уменьшится частота вращения ротора, т. е. увеличится скольжение. Регулировочный реостат включается в цепь обмотки фазного ротора подобно пусковому реостату, но в отличие от пускового он рассчитывается на длительное прохождение тока. При включении регулировочного реостата ток в роторе уменьшится, что вызовет снижение вращающего момента двигателя и, следовательно, уменьшение частоты вращения или увеличение скольжения. При увеличении скольжения увеличивается эдс и ток в роторе. Частота вращения или скольжение будет изменяться до восстановления равновесия моментов, т. е. пока ток в роторе не примет своего начального значения. Этот способ регулирования частоты вращения может быть использован только в двигателях с фазным ротором, и несмотря на то что является неэкономичным (так как в perулировочном реостате происходит значительная потеря энергии), имеет широкое распространение. Тема 1.9 Электрические машины постоянного тока. 1 Устройство машины постоянного тока. Электрическая машина постоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижной части (индуктора) и вращающейся части (якоря с барабанной обмоткой). На рис. 1 изображена конструктивная схема машины постоянного тока Индуктор состоит из станины 1 цилиндрической формы, изготовленной из ферромагнитного материала, и полюсов с обмоткой возбуждения 2, закрепленных на станине. Обмотка возбуждения создает основной магнитный поток. Магнитный поток может создаваться постоянными магнитами, укрепленными на станине. Якорь состоит из следующих элементов: сердечника 3, обмотки 4, уложенной в пазы сердечника, коллектора 5. Рис. 1 Сердечник якоря для уменьшения потерь на вихревые точки набирается из изолированных друг от друга листов электротехнической стали. 2. Принцип действия генератора и электродвигателя постоянного тока. Принцип действия генератора постоянного тока базируется на формуле: e = B*l*v Согласно ему, когда проводник движется в магнитном поле (что позволяет сократить магнитные силовые линии), ЭДС индукции динамически производится в проводнике. Величина генерируемого ЭДС может быть задана при помощи уравнения генератора постоянного тока. Одной из основных функций устройства для преобразования переменного тока является генерирование ЭДС в постоянный ток. Направление генерируемого ЭДС будет меняться через каждый проводник, через который энергия проходит при вращении ротора. При помощи коммутатора, на выходе генератора образуется постоянный поток заряженных частиц.   Принцип действия ДПТ основан на взаимодействии магнитных полей обмотки возбуждения и якоря. Можно представить, что вместо якоря у нас рамка, через которую протекает ток, а вместо обмотки возбуждения постоянный магнит с полюсами N и S. При протекании постоянного тока через рамку, на нее начинает действовать магнитное поле постоянного магнита, то есть рамка начинает вращаться, причем, так как направление тока не меняется, то и направление вращения рамки остается прежним. При подаче напряжения на зажимы двигателя начинает протекать ток в обмотке якоря, на него, как мы уже знаем, начинает действовать магнитное поле машины, при этом якорь начинает вращаться, а так как якорь вращается в магнитном поле, начинает образовываться ЭДС. Эта ЭДС направлена против тока, в связи с этим её называют противоЭДС. Её можно найти по формуле Где Ф – магнитный поток возбуждения, n – частота вращения, а Cе это конструктивный момент машины, который остается для нее постоянным. Напряжение на зажимах больше чем противоЭДС на величину падения напряжение в якорной цепи. А если домножить это выражение на ток, то получим уравнение баланса мощностей. Левая часть уравнения UIя представляет собой мощность подаваемая электродвигателю, в правой части первое слагаемое EIя представляет собой электромагнитную мощность, а второе IяRя мощность потерь в цепи якоря. 3.ЭДС обмотки якоря,электромагнитный момент и мощность машин постоянного тока. Обмотка якоря является важным элементом машины по­стоянного тока, в ней наводится ЭДС, через нее протекает ток нагрузки, ею определяются номинальные величины: на­пряжение, ток и мощность машины. Возможны различные выполнения этих обмоток. Одной из разновидностей обмоток якоря является коль­цевая обмотка. У таких обмоток проводники, рас­положенные на внутренней поверхности сердечника якоря, не участвуют в создании ЭДС машины, что снижает ис­пользование обмоточного провода. Для того чтобы сделать эти проводники активными, их следует вынести на внеш­нюю поверхность якоря под полюс другой полярности. При таком размещении каждый виток обмотки будет состоять из проводников, расположенных под полюсами разной полярности, а ЭДС витка равна сумме ЭДС этих проводни­ков, т. е. будет в 2 раза больше, чем у кольцевой обмотки. Обмотки, у которых все проводники располагаются на внешней поверхности якоря, называются барабанными. Петлевая обмотка получается, если последовательно соединять между собой рядом лежащие секции Свое название обмотка получила вследствие того, что при последовательном соединении секций обмотки образуют форму петель. 4. Реакция якоря и коммутация. Под реакцией якоря понимают явление воздействия магнитного поля, создаваемого током якоря, на магнитное поле главных полюсов. Результаты смещения магнитного поля. Смещение физической нейтральной линии вызывает нежелательные последствия, приводящие к ухудшению работы генератора: уменьшается ЭДС; переключение проводников обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую; индукция магнитного поля под полюсами распределяется неравномерно; Способы уменьшения влияния реакции якоря.Применение дополнительных полюсов! Дополнительные полюсы устанавливаются на геометрической нейтральной линии между главными полюсами. Коммутация - процесс переключения секций обмотки из одной параллельной ветви в другую и связанные с этим явления. Процесс переключения секции протекает 0,001 – 0,0003 с. Явления, происходящие при коммутации, существенно влияют на надежность и долговечность работы машины постоянного тока. При плохой коммутации появляется значительное искрение под щетками и связанное с ним обгорание коллектора.Механические причины:неравномерный износ коллектора и его вибрация, чрезмерный износ щеток, выступание отдельных коллекторных пластин и изоляции и т.д. Улучшение коммутации возможно несколькими путями: -обеспечением в машине прямолинейной или несколько ускоренной коммутации; увеличением сопротивления короткозамкнутой цепи секции в целях уменьшения тока короткого замыкания; тщательным контролем за состоянием поверхности коллектора и щеток. Главным средством улучшения коммутации в машинах средней мощности являются дополнительные полюсы.   5.Генераторы с независимым возбуждением и с самовозбуждением. С независимым возбуждением: обмотка возбуждения получает питание от постороннего источника постоянного тока (аккумуляторной батареи, небольшого вспомогательного генератора, называемого возбудителем, или выпрямителя) Генераторы с самовозбуждением отличаются от генераторов с внешним возбуждением наличием цепи обратной связи. На рис.10-16 изображена схема генератора с самовозбуждением, в котором обратная связь осуществляется через трансформатор, связывающий анодную и сеточную цепи лампы. Рис. 10-16. Схема автогенератора с трансформаторной обратной связью. Наличие обратной связи создает возможность для возбуждения в схеме устойчивых колебаний без воздействия внешнего источника. Это может вызвать недоумение: если бы в контуре в начальный момент существовали колебания, то из-за наличия обратной связи на сетке лампы возникло бы напряжение возбуждения и благодаря усилительным свойствам генератора колебания в данной замкнутой системе продолжались бы неограниченно долго