Принцип действия

Однофазные коллекторные двигатели переменного тока, как правило, изготовляются с последовательным возбуждением. Их схемы и устройство не отличаются в основном от схем и устройства двигателей постоянного тока последовательного возбуждения. Так как при питании двигателя переменным током магнитный поток будет изменяться с частотой напряжения сети, то для уменьшения потерь на вихревые токи магнитная система как статора, так и ротора собирается из листов электротехнической стали. В настоящее время однофазные коллекторные двигатели переменного тока выпускаются на небольшие мощности и применяются в установках, где требуются высокие частоты вращения (3000-30000 об/мин). К числу таких установок относятся ручные инструменты, шлифовальные станки, пылесосы, полотеры и т. д.

Вращающий момент двигателя создается в результате взаимодействия тока якоря I с магнитным потоком Ф, созданным обмоткой возбуждения. Несмотря на то что ток и магнитный поток переменные, результирующий вращающий момент будет всегда направлен в одну и ту же сторону, так как одновременно с изменением направления тока изменяется направление магнитного потока

На рис. показаны кривые тока, магнитного потока и момента однофазного коллекторного двигателя. Ток i, равный току возбуждения, опережает по фазе магнитный поток на угол α из-за наличия магнитных потерь. Как видно из рисунка, момент носит пульсирующий характер. Он пульсирует с двойной частотой тока. Несмотря на это из-за значительной механической инерции частота вращения якоря при данных значениях I и Ф будет практически постоянной и будет определяться средним моментом. Из-за наличия угла сдвига между током и потоком мгновенные значения вращающего момента на протяжении угла а имеют отрицательное значение, что снижает среднее значение момента. У двигателей последовательного возбуждения угол α невелик, поэтому снижение среднего момента будет незначительным. У двигателей параллельного возбуждения из-за большой индуктивности обмотки возбуждения угол сдвига между током возбуждения (потоком) и током якоря будет иметь большое значение, что приведет к сильному снижению среднего момента. По этой причине однофазные коллекторные двигатели переменного тока с параллельным возбуждением не выполняют.

Изменение направления вращения коллекторного двигателя переменного тока осуществляется так же, как и двигателей постоянного тока. Регулирование частоты вращения двигателей производится путем изменения подводимого напряжения, для чего двигатель в сеть включается через трансформатор, у которого можно менять коэффициент трансформации. Механические характеристики однофазного коллекторного двигателя переменного тока имеют тот же характер, что и двигателей постоянного тока последовательного возбуждения.

Однофазные коллекторные двигатели переменного тока имеют значительно худшие условия коммутации, чем двигатели постоянного тока. Связано это с тем, что у них в коммутируемых секциях кроме реактивной ЭДС е_n индуктируется трансформаторная ЭДС е_Т. Трансформаторная ЭДС возникает вследствие изменения во времени потока возбуждения. Эту ЭДС трудно скомпенсировать с помощью дополнительных полюсов, так как она отстает от тока якоря на угол, примерно равный 90°, и не зависит от частоты вращения.

На рис. показана векторная диаграмма ЭДС, индуктируемых в коммутируемой секции (угол α = 0). Некоторое улучшение коммутации у однофазных коллекторных двигателей достигается шунтированием резистором R обмотки дополнительных полюсов. В этом случае ток в обмотке дополнительного полюса сдвигается по отношению к току якоря и можно так подобрать его фазу, что наводимая потоком дополнительного полюса ЭДС в коммутируемой секции Е_K будет равна и противоположна ЭДС Е_рез= Е_R+ Е_т, т. е. произойдет полная компенсация ЭДС, индуктируёмых в коммутируемой секции, Однако при данном значении сопротивления R этого можно достичь только для определенных значений тока и частоты вращения. При других значениях тока и частоты вращения полной компенсации происходить не будет. В целом коммутация этих двигателей значительно хуже, чем двигателей постоянного тока, что затрудняет их изготовление на большие мощности, Двигатели небольшой мощности (до 2,4 кВт) работают без дополнительных полюсов.

Уравнение равновесия напряжения для однофазного коллекторного двигателя переменного тока имеет вид U = E +Iг + j Iх, где

E - ЭДС якоря, которая индуктируется при вращении его в магнитном поле полюсов и совпадает по фазе с потоком Ф;

х - сумма индуктивных сопротивлений цепи якоря и обмотки возбуждения.

В соответствии с этим уравнением на рис. построена векторная диаграмма. Из-за индуктивного сопротивления х имеется угол сдвига между током и напряжением. Обычно при номинальной нагрузке cos φ_ном = 0,7 ÷ 0,9. Для улучшения cos φ у двигателей мощностью более 10кВт применяют компенсационную обмотку, которая, компенсируя реакцию якоря, уменьшает потокосцепление обмотки якоря и ее индуктивное сопротивление

Иногда однофазные коллекторные двигатели небольшой мощности выпускаются такими, что они могут работать как от сети переменного, так и от сети постоянного тока. Такие двигатели называются универсальными. У таких двигателей из-за индуктивного сопротивления падение напряжения в якорной цепи при переменном токе будет больше, чем при постоянном. Поэтому и частота вращения якоря при переменном токе будет меньше, чем при постоянном. Для выравнивания частот вращения при питании двигателя от сети переменного тока уменьшают магнитный поток, для чего часть обмотки возбуждения отключают.