Silniki asynchroniczne jednofazowe i dwufazowe

Przeznaczenie, urządzenie i zasada działania jednofazowych silników asynchronicznych

Jednofazowe silniki indukcyjne to maszyny o małej mocy, które pod względem konstrukcji przypominają podobne trójfazowe silniki klatkowe.

Silniki asynchroniczne jednofazowe różnią się od silników trójfazowych układem stojana, w którym w rowkach obwodu magnetycznego znajduje się uzwojenie dwufazowe, składające się z fazy głównej lub roboczej o powierzchni fazowej 120 el. grad i wyprowadza do zacisków oznaczonych C1 i C2 oraz fazę pomocniczą lub rozruchową o powierzchni fazowej 60 el. grad i prowadzi do zacisków oznaczonych B1 i B2 (rys. 1).

Osie magnetyczne tych faz uzwojenia są przesunięte względem siebie o kąt 0 = 90 el. grad. Faza robocza podłączona do sieci napięcia przemiennego nie może powodować obracania się wirnika, ponieważ jej prąd wzbudza zmienne pole magnetyczne o ustalonej osi symetrii, charakteryzujące się harmonicznie zmieniającą się w czasie indukcją magnetyczną.

Ryż. 1. Schemat ideowy jednofazowego silnika indukcyjnego z wirnikiem klatkowym.

Pole to można przedstawić za pomocą dwóch składowych — identycznych okrągłych pól magnetycznych o prostej i odwrotnej kolejności, wirujących z indukcjami magnetycznymi, wirujących w przeciwnych kierunkach z tą samą prędkością. Jednakże, gdy wirnik zostanie wstępnie przyspieszony w wymaganym kierunku, nadal obraca się w tym samym kierunku, gdy faza robocza jest włączona.

Z tego powodu rozruch silnika jednofazowego rozpoczyna się od rozpędzenia wirnika poprzez naciśnięcie przycisku start, co powoduje wzbudzenie prądów w obu fazach uzwojenia stojana, które są przesunięte fazowo o wielkość zależną od parametrów przesuwnik fazowy Z, wykonany w postaci rezystora, cewki indukcyjnej lub kondensatora oraz elementy obwodu elektrycznego obejmujące fazy pracy i rozruchu uzwojenia stojana. Prądy te powodują w maszynie wirujące pole magnetyczne o indukcji magnetycznej w szczelinie powietrznej, które okresowo i monotonicznie zmienia się w granicach wartości maksymalnych i minimalnych, a koniec jego wektora opisuje elipsę.

To. Eliptyczne wirujące pole magnetyczne wykrywa pola elektromagnetyczne i prądy w przewodach zwartego uzwojenia wirnika, które oddziałując z tym polem zapewniają przyspieszenie wirnika silnika jednofazowego w kierunku wirowania pola i osiąga prawie nominalną prędkość w ciągu kilku sekund.

Zwolnienie przycisku start powoduje przejście silnika elektrycznego z trybu dwufazowego do trybu jednofazowego, który jest dodatkowo wspomagany przez odpowiednią składową zmiennego pola magnetycznego, które podczas swojego obrotu nieznacznie wyprzedza obracający się wirnik na skutek poślizgu.

Terminowe odłączenie fazy rozruchowej uzwojenia stojana jednofazowego silnika asynchronicznego od sieci elektroenergetycznej jest konieczne ze względu na jego konstrukcję, która przewiduje krótkotrwały tryb pracy - zwykle do 3 s, co wyklucza jego dłuższy postój pod obciążeniem z powodu niedopuszczalnego przegrzania, przepalenia izolacji i uszkodzenia.

Zwiększenie niezawodności pracy jednofazowych silników asynchronicznych zapewnia zabudowanie w obudowie maszyny wyłącznika odśrodkowego ze stykami przerywającymi podłączonymi do zacisków oznaczonych VT i B2 oraz przekaźnika termicznego z podobnymi stykami mającymi zaciski oznaczone PT i C1 (rys. 2, płyta CD).

Wyłącznik odśrodkowy automatycznie odłącza fazę rozruchu uzwojenia stojana podłączonego do zacisków oznaczonych B1 i B2, gdy wirnik osiągnie prędkość zbliżoną do znamionowej, a przekaźnik termiczny odłącza od sieci obie fazy uzwojenia stojana, gdy ogrzewanie jest wyższa z dopuszczalnych.

Odwrócenie kierunku obrotów wirnika uzyskuje się poprzez zmianę kierunku prądu w jednej z faz uzwojenia stojana podczas rozruchu poprzez przełączenie przycisku startu i przestawienie metalowej płytki na zaciskach silnika elektrycznego (ryc. 2, a, b) lub tylko poprzez przestawienie dwóch podobnych tablic (ryc. 2, c, d).

Ryż. 2. Oznaczenie zacisków faz uzwojenia stojana jednofazowego silnika asynchronicznego z wirnikiem wiewiórkowym i ich podłączeniem do obracania wirnika: a, c — prawy, b, d — lewy.

Porównanie charakterystyk technicznych jednofazowych i trójfazowych silników asynchronicznych

Jednofazowe silniki asynchroniczne różnią się od maszyn trójfazowych o podobnej mocy znamionowej zmniejszonym początkowym współczynnikiem momentu obrotowego kn = МХ / Mnom i zwiększonym początkowym współczynnikiem prądu ki = Mi / Mnom, które są przeznaczone dla jednofazowych silników elektrycznych z fazą początkową istotne są uzwojenia stojana przy zwiększonej rezystancji prądu stałego i mniejszej indukcyjności fazy roboczej kn — 1,0 — 1,5 i ki = 5 — 9.

Charakterystyki rozruchowe jednofazowych silników asynchronicznych są gorsze niż trójfazowych silników asynchronicznych ze względu na to, że przy rozruchu maszyn jednofazowych wzbudzane jest eliptyczne wirujące pole magnetyczne, którego faza początkowa uzwojenia stojana jest równa dwóm niejednorodne kołowe wirujące pola magnetyczne — bezpośrednio i odwrotnie, powoduje efekt hamowania.

Dobierając parametry elementów obwodów elektrycznych fazy roboczej i rozruchowej uzwojenia stojana, można zapewnić wzbudzenie kołowego wirującego pola magnetycznego przy rozruchu, co jest możliwe przy wykonanym przesuwniku fazowym w postaci kondensatora o odpowiedniej pojemności.

Ponieważ przyspieszenie wirnika powoduje zmianę parametrów obwodów maszyny, wirujące pole magnetyczne zmienia się z kołowego na eliptyczne, pogarszając w ten sposób charakterystykę rozruchową silnika. Dlatego przy prędkości około 0,8 nominalnej faza rozruchu uzwojenia stojana silnika elektrycznego jest wyłączana ręcznie lub automatycznie, w wyniku czego silnik przechodzi do pracy jednofazowej.

Jednofazowe silniki asynchroniczne z kondensatorem rozruchowym mają wielokrotność początkowego momentu rozruchowego kp = 1,7 — 2,4 oraz wielokrotność początkowego prądu rozruchowego ki = 3 — 5.

Silniki asynchroniczne dwufazowe

W dwufazowych silnikach asynchronicznych dwie fazy uzwojenia stojana o powierzchniach fazowych 90 el. pozdrowienia dla pracowników. Znajdują się one w rowkach obwodu magnetycznego stojana, tak że ich osie magnetyczne tworzą kąt 90 el. grad. Te fazy uzwojenia stojana różnią się od siebie nie tylko liczbą zwojów, ale także znamionowymi napięciami i prądami, chociaż ich sumaryczne moce są takie same w trybie znamionowym silnika.

W jednej z faz uzwojenia stojana znajduje się stały kondensator Cp (ryc. 3, a), który w warunkach trybu znamionowego silnika zapewnia wzbudzenie kołowego wirującego pola magnetycznego. Pojemność tego kondensatora jest określona wzorem:

° Cp = I1sinφ1 / 2πfUn2

gdzie I1 i φ1- odpowiednio prąd i przesunięcie fazowe między napięciem i prądem obwodu fazowego uzwojenia stojana bez kondensatora w kołowym wirującym polu magnetycznym, I i ti — częstotliwość prądu przemiennego i napięcie zasilania sieć, odpowiednio, n- współczynnik transformacji - stosunek efektywnej liczby zwojów faz uzwojenia stojana, odpowiednio z i bez kondensatora, określony wzorem

n = kvol2 w2 / ktom 1 w1

gdzie коб2 i коб1 — współczynniki uzwojenia odpowiednich faz uzwojenia stojana z liczbą zwojów w2 i w1.

Napięcie na zaciskach kondensatora Uc połączonego szeregowo z fazą uzwojenia dwufazowego silnika indukcyjnego z kołowym wirującym polem magnetycznym powyżej napięcia sieci U i określa się następująco:

Uc = U √1 + n2

Przejściu na obciążenie silnika inne niż nominalne towarzyszy zmiana wirującego pola magnetycznego, które zamiast kołowego staje się eliptyczne.Pogarsza to właściwości robocze silnika, a podczas uruchamiania zmniejsza początkową Moment rozruchowy do MP <0,3Mnom, ograniczając zastosowanie silników kondensatorowych podłączonych na stałe tylko w instalacjach o łagodnych warunkach rozruchu.

Aby zwiększyć początkowy moment obrotowy, kondensator rozruchowy Cn jest połączony równolegle z kondensatorem roboczym Cp (ryc. 3, b), którego pojemność jest znacznie większa niż pojemność kondensatora roboczego i zależy od zestawu początkowego rozruchu moment obrotowy, który można zwiększyć do dwóch lub więcej.

Ryż. 3. Schematy załączania dwufazowych silników asynchronicznych z wirnikiem klatkowym: a — z kondensatorem podłączonym na stałe, b — z kondensatorem roboczym i rozruchowym.

Po przyspieszeniu wirnika do prędkości 0,6 - 0,7 nominalnego kondensatora rozruchowego jest on wyłączany, aby uniknąć przejścia kołowego wirującego pola magnetycznego w eliptyczne, co pogarsza działanie silnika.

Tryb rozruchu takich silników kondensatorowych charakteryzują następujące parametry: kn = 1,7 — 2,4 i ki = 4 — 6.

Silniki kondensatorowe wyróżniają się lepszymi charakterystykami energetycznymi niż silniki jednofazowe z zasłoną początkową na uzwojeniu stojana, a ich współczynnik mocy, dzięki zastosowaniu kondensatorów, jest wyższy niż silników trójfazowych o tej samej mocy.

Uniwersalne silniki asynchroniczne

W instalacjach automatyki stosowane są uniwersalne silniki asynchroniczne – maszyny trójfazowe małej mocy, które podłącza się do sieci trójfazowej lub jednofazowej. Przy zasilaniu z sieci jednofazowej charakterystyka rozruchu i pracy silników jest nieco gorsza niż w przypadku pracy w trybie trójfazowym.

Uniwersalne silniki asynchroniczne serii UAD produkowane są jako dwu- i czterobiegunowe, które w trybie trójfazowym mają moc znamionową od 1,5 do 70 W, a w trybie jednofazowym - od 1 do 55 W i pracują ze zmiennego sieć napięciowa o częstotliwości 50 Hz o sprawności η= 0,09 — 0,65.

Jednofazowe silniki asynchroniczne z zacienionymi lub zacienionymi biegunami

W jednofazowych silnikach indukcyjnych z biegunami dzielonymi lub zacienionymi każdy biegun jest podzielony głębokim rowkiem na dwie nierówne części i zawiera uzwojenie jednofazowe obejmujące cały obwód magnetyczny bieguna oraz zwarte zwoje znajdujące się na jego mniejszej części.

Wirnik tych silników ma uzwojenie zwarciowe. Włączeniu uzwojenia stojana do napięcia sinusoidalnego towarzyszy wytworzenie w nim prądu i wzbudzenie zmiennego pola magnetycznego o ustalonej osi symetrii, które indukuje odpowiednią siłę elektromotoryczną i prądy w zwartych pętlach.

Pod wpływem prądów zwarciowych odpowiednie mds wzbudzają pole magnetyczne, które zapobiega wzmocnieniu i osłabieniu głównego pola magnetycznego w ekranowanych biegunach częstych. Pola magnetyczne ekranowanych i nieekranowanych części biegunów są przesunięte w czasie i przesunięte w przestrzeni tworzą wynikowe eliptyczne wirujące pole magnetyczne poruszające się w kierunku od osi magnetycznej nieekranowanej części bieguna do osi magnetycznej jego osłoniętej części.

Oddziaływanie tego pola z prądami indukowanymi w uzwojeniu wirnika powoduje pojawienie się momentu początkowego Mn = (0,2 — 0,6) Mnom i przyspieszenie wirnika do prędkości znamionowej, jeżeli moment hamujący przyłożony do wału silnika nie powinien przekraczać momentu rozruchowego.

W celu zwiększenia początkowych i maksymalnych momentów obrotowych jednofazowych silników asynchronicznych o biegunach dzielonych lub zacienionych, pomiędzy ich biegunami umieszcza się boczniki magnetyczne z blachy stalowej, co powoduje zbliżenie wirującego pola magnetycznego do kołowego.

Silniki z biegunami zacienionymi to urządzenia nieodwracalne, które umożliwiają częste uruchamianie, nagłe zatrzymywanie i mogą być opóźniane przez długi czas. Wykonywane są dwu- i czterobiegunowe o mocy znamionowej od 0,5 do 30 W oraz o ulepszonej konstrukcji do 300 W do pracy z sieci napięcia przemiennego o częstotliwości 50 Hz ze sprawnością ηnom = 0,20 — 0,40.
Przeczytaj także: Selsyns: cel, urządzenie, zasada działania