Частотный преобразователь: виды, принцип действия, схемы подключения

Частотный преобразователь разрешает своему владельцу снизить энергопотребление и автоматизировать процессы в управлении оборудованием и производством.

Основные компоненты частотного преобразователя: выпрямитель, конденсатор, IGBT-транзисторы, собранные в выходной каскад.

Благодаря способности управлением параметрами выходной частоты и напряжения достигается хороший энергосберегающий эффект. Энергосбережение выражается в следующем:

1. В двигателе поддерживается неизменный текущий момент ращения вала. Это обусловлено взаимодействием выходной частоты инверторного преобразователя с частотой вращения двигателя и соответственно, зависимостью напряжения и крутящего момента на валу двигателя. Значит, что преобразователь дает возможность автоматически регулировать напряжение на выходе при обнаружении превышающего норму значения напряжения с определенной рабочей частотой нужно для поддержания требуемого момента. Все инверторные преобразователи с векторным управлением имеют функцию поддержания постоянного вращающего момента на валу.
2. Частотный преобразователь служит для регулировки действия насосных агрегатов (см. страницу). При получении сигнала, поступающего с датчика давления, частотник снижает производительность насосной установки. При снижении оборотов вращения двигателя уменьшается потребление выходного напряжения. Так, стандартное потребление воды насосом требует 50Гц промышленной частоты и 400В напряжения. Руководствуясь формулой мощности можно высчитать соотношение потребляемых мощностей.

Уменьшая частоту до 40Гц, уменьшается величина напряжения до 250В, означает, что уменьшается количество оборотов вращения насоса и потребление энергии снижается в 2,56 раз.

Рис. №6. Использование частотного преобразователя Speedrive для регулирования насосных агрегатов по систем CKEA MULTI 35.

Для повышения энергетической эффективности использования частотного преобразователя в управлении электродвигателем необходимо сделать следующее:

• Частотный преобразователь должен соответствовать параметрам электродвигателя.
• Частотник подбирается в соответствии с типом рабочего оборудования, для которого он предназначен. Так, частотник для насосов функционирует в соответствии с заложенными в программу параметрами для управления работой насоса.
• Точные настройки параметров управления в ручном и автоматическом режиме.
• Частотный преобразователь разрешает использовать режим энергосбережения.
• Режим векторного регулирования позволяет произвести автоматическую настройку управления двигателем.

Преобразователь частоты однофазный

Компактное устройство преобразования частоты служит для управления однофазными электродвигателями для оборудования бытового предназначения. Большинство частотных преобразователей обладает следующими конструктивными возможностями:

1. Большинство моделей использует в своей конструкции новейшие технологии векторного управления.
2. Они обеспечивают улучшенный вращающий момент однофазного двигателя.
3. Энергосбережение введено в автоматический режим.
4. Некоторые модели частотных преобразователей используют съемный пульт управления.
5. Встроенный PLC контроллер (он незаменим для создания устройств сбора и передачи данных, для создания систем телеметрии, объединяет устройства с различными протоколами и интерфейсами связи в общую сеть).
6. Встроенный ПИД регулятор (контролирует и регулирует температуру, давление и технологические процессы).
7. Напряжение выхода регулируется в автоматическом режиме.

Рис.№7. Современный преобразователь Optidrive с основными функциональными особенностями.

Частотный преобразователь не служит для двойного преобразования напряжения, благодаря наличию в конструкции ШИМ-регулятора, он может поднять величину напряжения не более чем на 10%.

Главная задача однофазного преобразователя частоты – обеспечить питание как одно- так и трехфазного электродвигателя. В этом случае ток двигателя будет соответствовать параметрам подключения от трехфазной сети, и оставаться постоянным

Плавный пуск асинхронных электродвигателей

АД кроме безусловных преимуществ, обладают существенными недостатками. Это рывок на старте и большие пусковые токи, в 7 раз превышающие номинальные. Для мягкого старта электродвигателя используются следующие методы:

• переключение обмоток по схеме звезда – треугольник;
• включение электродвигателя через автотрансформатор;
• использование специализированных устройств для плавного пуска.

В большинстве частотных регуляторов есть функция плавного пуска двигателя. Это не только снижает пусковые токи, но и уменьшает нагрузки на исполнительные механизмы. Поэтому регулирование частоты и плавный пуск довольно сильно связаны между собой.

Изменение скорости АД с короткозамкнутым ротором

Существует несколько способов:

1. Управление вращением за счет изменения электромагнитного поля статора: частотное регулирование и изменение числа пар полюсов.

1. Изменение скольжения электромотора за счет уменьшения или увеличения напряжения (может применяться для АД с фазным ротором).

Частотное регулирование

В данном случае регулировка производится с помощью подключенного к двигателю устройства для преобразования частоты. Для этого применяются мощные тиристорные преобразователи. Процесс частотного регулирования можно рассмотреть на примере формулы ЭДС трансформатора:

U₁=4,44w₁k₁fΦ

Данное выражение означает, что для сохранения постоянного магнитного потока, означающего сохранение перегрузочной способности электромотора, следует одновременно с преобразованием частоты корректировать и уровень питающего напряжения. Если сохраняется выражение, вычисленное по формуле:

U₁/f₁=U’₁/f’₁

то это означает, что критический момент не изменен. А механические характеристики соответствуют рисунку ниже, если вы не понимаете, что значат эти характеристики, то в этом случае регулировка происходит без потери мощности и момента.

Достоинствами данного метода являются:

• плавное регулирование;
• изменение скорости вращения ротора в большую и меньшую сторону;
• жесткие механические характеристики;
• экономичность.

Недостаток один — необходимость в частотном преобразователе, т.е. увеличение стоимости механизма. К слову, на современном рынке представлены модели с однофазным и трёхфазным входом, стоимость которых при мощности 2-3 кВт лежит в диапазоне 100-150 долларов, что не слишком дорого для полноценной регулировки привода станков в частной мастерской.

Переключение числа пар полюсов

Данный метод применяется для многоскоростных двигателей со сложной обмоткой, позволяющей изменять число пар ее полюсов. Самое широкое применение получили двухскоростные, трехскоростные и четырехскоростные АД. Принцип регулировки проще всего рассмотреть на основе двухскоростного АД. В такой машине обмотка каждой фазы состоит из двух полуобмоток. Скорость вращения изменяется при подключении их последовательно или параллельно.

В четырехскоростном электродвигателе обмотка выполнена в виде двух независимых друг от друга частей. При изменении числа пар полюсов первой обмотки производится изменение скорости работы электромотора с 3000 до 1500 оборотов в минуту. При помощи второй обмотки производится регулировка вращения 1000 и 500 оборотов в минуту.

При изменении числа пар полюсов происходит и изменение критического момента. Для его сохранения неизменным, требуется одновременно с изменением числа пар полюсов регулировать и питающее напряжение, например, переключением схемы звезда-треугольник и их вариациями.

Достоинства данного метода:

• жесткие механические характеристики двигателя;
• высокий КПД.

Недостатки:

• ступенчатая регулировка;
• большой вес и габаритные размеры;
• высокая стоимость электромотора.

Регулирование — частота — вращение — асинхронный двигатель

Этот способ регулирования частоты вращения асинхронного двигателя экономичен, но недостатком его является ступенчатое изменение частоты. Кроме того, стоимость такого двигателя значительно возрастает вследствие усложнения обмотки статора и увеличения габаритов машины.
 

Частотный способ регулирования частоты вращения асинхронных двигателей является наиболее перспективным, так как он принципиально обеспечивает глубокое, плавное и экономичное изменение частоты вращения машины. Однако для его реализации требуется специальный источник питания с регулируемой частотой и напряжением. Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя изменением числа пар полюсов осуществляется наиболее просто, но производится лишь ступенями. Регулирование частоты вращения при помощи регулировочного реостата, включенного в цепь обмотки ротора, наиболее просто, но неэкономично из-за увеличения электрических потерь в роторной цепи.
 

Схема частотного регулирования частоты вращения асинхронных двигателей.

Наиболее перспективным способом регулирования частоты вращения асинхронных двигателей является ча-стотйый.
 

Наиболее экономичным способом регулирования частоты вращения асинхронных двигателей является частотный. Однако он требует создания сложных регулируемых преобразователей частоты, что усложняет систему управления двигателем в целом и снижает ее надежность.
 

Реализация рассмотренного способа регулирования частоты вращения асинхронного двигателя с фазным ротором осуществляется в каскадных соединениях с машинами постоянного тока.
 

Какой из способов регулирования частоты вращения асинхронных двигателей и двигателей постоянного тока с параллельным возбуждением практически не пригоден ( не позволяет существенно изменить частоту вращения) при отсутствии нагрузки на валу двигателя.
 

В недалеком прошлом для регулирования частоты вращения асинхронных двигателей применялись широко только два существенно несовершенных метода: включение резисторов в цепи ротора и переключение числа пар полюсов обмотки статора. Но первый метод экономически оправдан лишь при узких пределах регулирования и постоянстве момента на валу двигателя, а второй обеспечивает лишь ступенчатое регулирование и практически применяется для металлорежущих станков при небольших мощностях.
 

Какой из перечисленных способов регулирования частоты вращения асинхронных двигателей наиболее неэкономичен.
 

Одним из перспективных способов регулирования частоты вращения асинхронных двигателей является изменение частоты напряжения на обмотках статора.
 

Какой из перечисленных способов регулирования частоты вращения асинхронных двигателей в настоящее время наиболее экономичен.
 

Одним из перспективных способов регулирования частоты вращения асинхронных двигателей является изменение частоты напряжения на обмотках статора.
 

Здесь не будем рассматривать способы регулирования частоты вращения асинхронных двигателей подачей несимметричного напряжения к статору, а также схемы с регулируемыми реакторами в роторе, так как эти способы пока еще не доведены до состояния, оправдывающего широкое практическое применение.
 

Одним из наиболее перспективных способов регулирования частоты вращения асинхронных двигателей является изменение частоты напряжения на обмотках статора.
 

К задаче 829 к номинальному току имеет вид.

Управление скоростью вращения однофазных двигателей

Существует несколько способов регулирования скорости вращения однофазного двигателя.

1. Управление скольжением двигателя или изменением напряжения. Способ актуален для агрегатов с вентиляторной нагрузкой, для него рекомендуется использовать двигатели с повышенной мощностью. Недостаток способа – нагрев обмоток двигателя.
2. Ступенчатое регулирование скорости вращения двигателя с помощью автотрансформатора.

Рис.№2. Схема регулировки с помощью автотрансформатора.

Достоинства схемы – напряжение выхода имеет чистую синусоиду. Способность трансформатора к перегрузкам имеет большой запас по мощности.

Недостатки – автотрансформатор имеет большие габаритные размеры.

Использование тиристорного регулятора оборотов двигателя. Применяются тиристорные ключи, подключенные встречно-параллельно.

Рис. №3.Схема тиристорного регулирования однофазного асинхронного электродвигателя.

При использовании для регулирования скорости вращения однофазных асинхронных двигателей, чтобы избежать негативного влияния индукционной нагрузки производят модификацию схемы.  Добавляют LRC-цепи для защиты силовых ключей, для корректировки волны напряжения используют конденсатор, минимальная мощность двигателя ограничивается, так гарантируется старт двигателя. Тиристор должен иметь ток выше тока электродвигателя.

Транзисторный регулятор напряжения

В схеме используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ) с применением выходного каскада, построенного на использовании полевых или биполярных IGBT транзисторах.

Рис. №4. Схема использования ШИМ для регулирования однофазного асинхронного электродвигателя.

Частотное регулирование асинхронного однофазного электродвигателя считается основным способом регулирования частоты электродвигателя, мощности, эффективности использования, скорости и показателей энергосбережения.

Рис. №5. Схема управления электродвигателем без исключения из конструкции конденсатора.

Принцип работы

Асинхронные электрические машины часто называют индукционными, это связано с их принципом действия. Любой электродвигатель приводится во вращение в результате взаимодействия магнитных полей ротора и статора, а также благодаря силе Ампера. Магнитное поле, в свою очередь, может существовать либо вокруг постоянного магнита, либо вокруг проводника, через который протекает ток. Но как работает именно асинхронная машина?

В асинхронном двигателе в отличие от других нет как таковой обмотки возбуждения, тогда как у него появляется магнитное поле? Ответ прост: асинхронный электродвигатель – это трансформатор.

Рассмотрим принцип его работы на примере трёхфазной машины, так как именно они встречаются чаще остальных.

На рисунке ниже вы видите расположение обмоток на сердечнике статора трёхфазного асинхронного двигателя.

В результате протекания трёхфазного тока в обмотках статора появляется вращающееся магнитное поле. Из-за сдвига фаз ток протекает то по одной, то по другой обмотке, в соответствии с этим возникает магнитное поле, полюса которого направлены согласно правилу правой руки. И в соответствии с изменением тока в той или иной обмотке полюса направляются в соответствующую сторону. Что иллюстрирует следующая анимация:

В простейшем (двух полюсном) случае обмотки уложены таким образом, что каждая из них смещена на 120 градусов относительно предыдущей, как и угол сдвига фаз напряжения в сети переменного тока.

Скорость вращения магнитного поля статора принято называть синхронной. Подробнее о том, как оно вращается, и почему вы узнаете из следующего видеоролика. Отметим, что в двухфазных (конденсаторных) и однофазных электродвигателях — оно не вращающееся, а эллиптическое или пульсирующее, а обмоток не 3, а 2.

https://youtube.com/watch?v=GuIVfBA987k

Если рассматривать асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором, то магнитное поле статора индуцирует в его стержнях ЭДС, так как они замкнуты, то начинает протекать ток. Из-за чего также возникает магнитное поле.

В результате взаимодействия двух полей и силе Ампера, действующей на ротор, он начинает вращаться вслед за вращающимся магнитным полем статора, но при этом всегда немного отставая от скорости вращения МП статора, это отставание называют скольжением.

Если скорость вращения магнитного поля называют синхронной, то скорость вращения ротора уже асинхронной, от чего он и получил такое название.

У АД с фазным ротором дела обстоят подобным образом, за исключением того, что к его кольцам подключают реостат, который после того как двигатель выйдет на рабочий режим выводится из цепи и обмотки замыкаются накоротко. Это показано на схеме ниже, но вместо реостата использованы постоянные резисторы, подключаемые или шунтируемые контакторами КМ3, КМ2, КМ1.

Такой подход позволяет осуществлять плавный запуск и снижать пусковые токи, за счет увеличения активного электрического сопротивления ротора.

Подведем итоги:

1. Ток в обмотках статора порождает магнитное поле.
2. Магнитное поле приводит к возникновению тока в роторе.
3. Ток в роторе к возникновению поля вокруг него.
4. Так как поле статора вращается, то из-за своего поля ротор начинает вращаться за ним.

Скольжение и скорость вращения

Частота вращения магнитного поля статора (n1) больше, чем частота вращения ротора (n2). Разница между ними называется скольжением, а обозначается латинской буквой S и вычисляется по формуле:

S=(n1-n2)*100%/n1

Скольжение не является недостатком этого электродвигателя, поскольку если бы его вал вращался с той же частотой, что и магнитное поля статора (синхронно), то в его стержнях не индуцировался бы ток, и он бы просто не стал вращаться.

Теперь о более важном понятии — частота вращения ротора асинхронного электродвигателя. Она зависит от 3 величин:

• частота напряжения питающей сети (f);
• число пар магнитных полюсов (p);
• скольжение (S).

Число пар магнитных полюсов определяет синхронную скорость вращения поля и зависит от числа обмоток статора. Скольжение зависит от нагрузки и конструкции конкретного электродвигателя и лежит в пределах 3-10%, то есть асинхронная скорость совсем немного меньше синхронной. Ну а частота переменного тока у нас фиксирована и равняется 50 Гц.

Поэтому частоту вращения вала асинхронного двигателя сложно регулировать, вы можете воздействовать лишь на частоту питающей сети, то есть установив частотный преобразователь. Можно и понижать напряжение статора, но тогда уменьшается мощность на валу, тем не менее такой приём применяют при пуске АД с переключением обмоток со звезды на треугольник для уменьшения пусковых токов.

Частота вращения поля статора (синхронная скорость) определяется по формуле:

n=60*f/p

Так в двигателе с одной парой магнитных полюсов (два полюса) синхронная скорость равна:

60*50/1=3000 об/мин

Наиболее распространены следующие варианты электродвигателей с:

• одной парой полюсов (3000 об/мин);
• двумя (1500 об/мин);
• тремя (1000 об/мин);
• четырьмя (750 об/мин).

Реальная скорость вращения ротора будет несколько ниже, на реальном асинхронном двигателе она указывается на шильдике, например, здесь – 2730 об/мин. Несмотря на это, в народе такой асинхронный двигатель будут называть согласно синхронной скорости или просто «трёхтысячник».

Тогда его скольжение равняется:

3000-2730*100%/3000=9%

Устройство и принцип действия асинхронного двигателя

Главными компонентами асинхронного электродвигателя являются статор и ротор, которые отделены друг от друга воздушным зазором. Активную работу в двигателе выполняют обмотки и сердечник ротора.

Под асинхронностью двигателя понимают отличие частоты вращения ротора от частоты вращения электромагнитного поля.

Статор – это неподвижная часть двигателя, сердечник которой выполняется из электротехнической стали и монтируется в станину. Станина выполняется литым способом из материала, который не магнитится (чугун, алюминий). Обмотки статора являются трехфазной системой, в которой провода уложены в пазы с углом отклонения 120 градусов. Фазы обмоток стандартно подключают к сети по схемам «звезда» или «треугольник».

Ротор – это подвижная часть двигателя. Роторы асинхронных электродвигателей бывают двух видов: с короткозамкнутым и фазным роторами. Данные виды отличаются между собой конструкциями обмотки ротора.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Такой тип электрической машины был впервые запатентован М.О. Доливо-Добровольским и в народе называется «беличье колесо» из-за внешнего вида конструкции. Короткозамкнутая обмотка ротора состоит из накоротко замкнутых  с помощью колец стержней из меди (алюминия, латуни) и вставленные в пазы обмотки сердечника ротора. Такой тип ротора не имеет подвижных контактов, поэтому такие двигатели очень надежны и долговечны при эксплуатации.

Асинхронный двигатель с фазным ротором

Такое устройство позволяет регулировать скорость работы в широком диапазоне. Фазный ротор представляет собой трехфазную обмотку, которая соединяется по схемам «звезда» или треугольник. В таких электродвигателях в конструкции имеются специальные щетки, с помощью которых можно регулировать скорость движения ротора. Если в механизм такого двигателя добавить специальный реостат, то при пуске двигателя уменьшится активное сопротивление и тем самым уменьшатся пусковые токи, которые пагубно влияют на электрическую сеть и само устройство.

Принцип действия

При подаче электрического тока на обмотки статора возникает магнитный поток. Так как фазы смещены относительно друг друга на 120 градусов, то из-за этого поток в обмотках вращается. Если ротор короткозамкнутый, то при таком вращении в роторе появляется ток, который создает электромагнитное поле. Взаимодействуя друг с другом, магнитные поля ротора и статора заставляют ротор электродвигателя вращаться. В случае, если ротор фазный, то напряжение подается на статор и ротор одновременно, в каждом механизме появляется магнитное поле, они взаимодействуют друг с другом и вращают ротор.

5.13. ПУСК, РЕГУЛИРОВАНИЕ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ И ТОРМОЖЕНИЕ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ.

На практике замечено, что
ток, потребляемый обмоткой статора в первый момент пуска двигателя, очень большой.
В ряде случаев он превышает номинальный ток в 6 — 10 раз.

Такой нагрузки может не
выдержать не только питающая сеть, но и сама обмотка статора. Поэтому для пуска
крупных асинхронных двигателей применяют специальные устройства, снижающие пусковой
ток. На рис. 5.13.1. показаны схемы пуска мощных двигателей с помощью реакторов
и автотрансформатора.

Принцип ограничения тока
заключается в том, что к статорной обмотке двигателя на период пуска подводится
пониженное напряжение. После разгона его дополнительные устройства от двигателя
отключаются.

Иногда для снижения напряжения,
подаваемого в обмотки статора, изменяют схему переключения обмоток. Например,
асинхронный двигатель нормально работает по схеме «треугольник». Если
на период пуска его обмотки включить «звездой», то на каждую фазу
придется напряжение в раз меньшее.

Двигатели с фазным ротором
пускаются в работу с помощью дополнительных сопротивлений. Вводя дополнительные
сопротивления в цепь ротора, добиваются ограничения пускового тока.

Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя определяется формулой:

.

Здесь возможны три различных способа реализации:

Первый заключается в изменении
частоты тока f, подаваемого в обмотки двигателя. Этот способ позволяет осуществлять
плавное регулирование частоты вращения двигателя. Регуляторы частоты тока пока
еще очень дороги, поэтому они мало применяются.

Второй способ связан с изменением пар полюсов p на статоре.

Укладывая на статоре несколько
обмоток, рассчитанных на различные числа пар полюсов (р=1,2,3,4),
можно обеспечить различные частоты вращения магнитного поля (соответственно:
3000, 1500, 1000, 750 об/мин). Подключение к сети необходимой обмотки производится
специальным переключателем.

Этот способ регулирования
ступенчатый, но в ряде металлообрабатывающих станков он нашел самое широкое
применение (например, для привода продольно-строгального станка при рабочем
и обратном ходе).

Третий способ регулирования
частоты вращения возможен лишь для двигателей с фазным ротором. Здесь изменение
скольжения S достигается введением в цепь ротора регулировочных сопротивлений.
Такие схемы широко используются на грузоподъемных кранах.

К категории регулирования
вращения вала двигателя относится так называемое реверсирование, т.е. изменение
направления вращения на обратное. Осуществляется оно путем изменения порядка
чередования фаз обмотки статора. На рис. 5.13.2. показана схема изменения направления
вращения вала двигателя.

Торможение асинхронного двигателя может быть механическим и электрическим.

К механическим относятся торможения муфтами, электромагнитными лентами, колодками и т.д.

Иногда применяют электродинамическое
торможение, когда после отключения двигателя от сети переменного тока в его
обмотки подается постоянный ток. В этом случае постоянное магнитное поле заметно
сокращает выбег ротора.

Чаще используется торможение
«противовыключением». После отключения двигателя от сети его кратковременно
включают на вращение в обратную сторону. Как только оставшаяся частота вращения
ротора n₂ станет равной нулю, двигатель отключается от сети.

Структура частотного регулятора

Все современные преобразователи частоты построены на принципе так называемого двойного преобразования. То есть, переменный ток преобразуется в постоянный через неуправляемый выпрямитель и фильтр. Далее, через импульсный инвертор (он трехфазный) происходит обратное преобразование тока постоянного в ток переменный. Инвертор сам состоит из шести силовых ключей (транзисторных). Так вот каждая обмотка электрического движка подключается к определенным ключам выпрямителя (положительному или отрицательному). Именно инвертор изменяет частоту напряжения, которое прикладывается к статорным обмоткам. По сути, именно через него происходит частотное регулирования электродвигателя.

В этом приборе на выходе устанавливаются силовые транзисторы. Они выполняют роль ключей. Если сравнивать их с тиристорами, то необходимо отметить, что первые вырабатывают сигнал в виде синусоиды. Именно данная форма создает минимальные искажения.

Состав частотных преобразователей

Кроме выпрямителя, ШИМ-модулятора и инвертора, в состав частотного преобразователя входят:

Устройство для ввода данных и обмена информаций с ПК, другими частотными преобразователями.

• Встроенная энергонезависимая память. В этом устройстве фиксируются аварийные отключения, изменения настроек, а также другие данные.
• Управляющий контроллер, обеспечивающий реализацию алгоритмов управления, обработку данных с датчиков, защитное отключение при ненормальных режимах работы.
• ЭМ-фильтр. Это устройство обеспечивает снижение реактивной высокочастотной составляющей, снижающей качество электроэнергии и отрицательно влияющей на работу электродвигателя.
• Вентилятор и радиатор для принудительного охлаждения и отвода тепла силовых транзисторов.
• Тормозной прерыватель и другие элементы.

Кроме аппаратной части, преобразователи частоты содержат программное обеспечение. Контроллеры с открытой логикой позволяют вносить изменения в стандартное ПО, поставляемое производителем, и самостоятельно программировать ПЧ.

5.14. ОДНОФАЗНЫЕ АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Статор однофазного двигателя
имеет однофазную обмотку, которая занимает 2/3 общего числа пазов статора. Ротор
— коротко-замкнутый.

При подключении к сети
однофазная статорная обмотка создает не вращающийся, а пульсирующий магнитный
поток с амплитудой Ф. Этот поток может быть искусственно разложен на два вращающихся
потока Ф_I и Ф_II, каждый из которых равен Ф/2. Обозначим
Ф_I прямым потоком, а Ф_II — обратным. Частота вращения
каждого потока — n_1I=n_1II=n₁.

Предположим, что ротор
двигателя уже вращается в направлении прямого потока. Тогда скольжение двигателя
относительно прямого потока Ф_I равно:

,

а относительно обратного потока:

.

Потоки Ф_I и
Ф_II наводят в обмотке ротора ЭДС E_2I и E_2II,
которые создают токи I_2I и I_2II. Известно, что частота
тока в обмотке ротора пропорциональна скольжению f₂=Sf₁.
Т.к. S_II>S_I, то ток, наведенный обратным полем, имеет
частоту намного больше частоты, наведенной в обмотке ротора прямым полем f_2II>f_2I.

Пусть n₁=1500 об/мин, n₂=1450 об/мин, f₁=50 Гц, тогда:

S_I =(1500-1450)/1500=0,03     f_2I=50×0,03=1,5 Гц
S_II=(1500+1450)/1500=1,96     f_2II=50×1,96=98 Гц

Нам также известно, что
индуктивное сопротивление роторной обмотки x₂ зависит от частоты
f₂:

Поскольку f_2I<<f_2II,
то и сопротивление x_2I<<x_2II

Переходя к токам I₂,
которые, как известно, обратно пропорциональны сопротивлениям x₂,
можно записать: I_2I>>I_2II.

Вращающие моменты двигателя
пропорциональны магнитным потокам статора и токам в обмотке ротора. (М~ФI₂).

Исходя из значений токов
I_2I и I_2II и учитывая, что Ф_I=Ф_II
можно записать:

M_I>>M_II.

Следовательно, если ротор
двигателя уже вращается в сторону прямого потока, то он будет продолжать вращаться
в этом направлении. Тормозящее воздействие М_II не будет оказывать
заметного влияния на работу двигателя.

Вспомним, что мы условно
предполагали вращение ротора в сторону прямого потока Ф_I. А если
бы он вращался вначале в сторону обратного потока Ф_II?

Тогда, проведя аналогичные
рассуждения, можно заключить, что ротор будет устойчиво вращаться в сторону
обратного потока. Рассмотрим механическую характеристику однофазного двигателя
(рис. 5.14.2).

Из характеристики М=f(S)
видно, что при пуске, когда S=1, пусковой момент М_п=О. Двигатель
при включении его в сеть сам не начнет вращаться. Необходим его сдвиг в ту или
иную сторону.

Если сдвинуть точку М_п
влево от S=1, то момент будет положительным, если вправо — отрицательным.

Другими словами, направление
устойчивого вращения ротора двигателя будет зависеть от направления первоначального
импульса.

Проведенный анализ показал, что однофазный двигатель нуждается в принудительном пуске.

Пусковые устройства могут быть механическими (пуск от руки) и электрическими.

Первый способ пуска практически выжил себя, и на его смену пришел второй — электрический.

Для создания необходимого пускового момента однофазный двигатель снабжается дополнительной пусковой обмоткой.
Эта обмотка размещается в оставшейся незаполненной 1/3 пазов.

Однофазный двигатель, таким
образом, превратился в двухфазный. Двухфазный двигатель обладает вращающимся
магнитным полем, если выполнены два обязательных условия.

Первое условие состоит
в пространственном сдвиге рабочей и пусковой обмоток на 90 эл. градусов. Такое
условие, легко реализуется на заводе-изготовителе.

Второе обязательное условие
диктуется сдвигом по фазе тока в пусковой обмотке на 90° относительно тока в
рабочей обмотке. Выполнение этого условия связано с включением в пусковую обмотку
фазосдвигающего элемента, например, конденсатора (рис. 5.14.3).

После того как ротор двигателя
придет во вращение, пусковую обмотку П_О отключают. Делается это с
помощью выключателя В. Иногда в бытовой технике отключение пусковой обмотки
производится автоматически по ходу разгона двигателя.