Файл: Пиотровский Л.М. Электрические машины учебник.pdf

Г л ава т р и д ц а т ь п ер ва я ОДНОФАЗНЫЕ И ДВУХФАЗНЫЕ АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

31-1. Однофазные двигатели

Однофазный асинхронный двигатель можно получить из трехфаз­ ного, если одну из фаз статора последнего, например С, отключить от сети, а фазы А и В соединить последовательно или параллельно между собой. Поэтому мощность однофазного двигателя при задан­ ных размерах машины всегда меньше мощности трехфазного дви­ гателя и составляет от нее примерно 70%.

Вторая характерная особенность однофазного двигателя состоит в том, что текущий по статору двигателя однофазный ток создает не

вращающуюся, а пульсирующую намагничивающую силу и, стало быть, пульсирующее поле. Пусть на роторе уложен только один виток; в рассматриваемый момент времени угол между осью поля и витком равен а (рис. 31-1, а). Возникающий в этом витке ток, взаимодействуя с полем, будет стремиться поворачивать виток до тех пор, пока он не охватит максимум потока. На рисунке это поло­ жение витка изображено штриховой линией.

Если взять реальный ротор, то для каждого данного витка можно найти другой виток, расположенный симметрично первому относи­ тельно оси поля (рис. 31-1, б). Результирующее усилие такой пары витков будет равно нулю, так как витки будут с одинаковой силой стремиться вращаться в противоположные стороны. Таким образом, пусковой момент однофазного асинхронного двигателя равен нулю.

Для рассмотрения работы однофазного двигателя можно заменить имеющуюся в двигателе пульсирующую намагничивающую силу двумя вращающимися с равными скоростями, но в противоположные стороны (§ 21-4).

358

Амплитуды вращающихся намагничивающих сил равпі.т половине амплитуды пульсирующей намагничивающей силы (рис. 21-7).

Две такие вращающиеся намагничивающие силы можно получить, если представить себе, что однофазная обмотка статора двигателя заменена двумя трехфазными обмотками / и I I , причем число витков

Напряжение U1, подводимое к двигателю, распределено поровну между обеими обмотками, так что на каждую приходится UJ2.

Если ротор придет во вращение в каком-нибудь направлении, то одна намагничивающая сила будет вращаться в том же направлении, что и ротор, а другая в обратном. Первая — прямо вращающаяся намагничивающая сила — создает те же эффекты, что и в обыкно-

Рис . 31 -3 . Механические характеристики однофазного двигателя

венном трехфазном двигателе, а именно: при увеличении скорости вращения ротора скольжение s уменьшается, а момент Мх до опре­ деленного предела увеличивается (рис. 31-3).

Вторая — обратно вращающаяся относительно ротора намагни­

359

Соответственно повышенной частоте возрастает индуктивное со­ противление ротора, вследствие чего момент Ми, создаваемый обратно вращающейся намагничивающей силой, постепенно умень­ шается. На рпс. 31-3 момент Ми показан ниже оси абсцисс, так как он направлен встречно относительно момента М [. Результирующий момент однофазного двигателя М -- Мт + Ми и направлен в сто­ рону вращения ротора.

Если привести ротор двигателя во вращение в сторону, противо­ положную первоначальной, то намагничивающие силы поменялись бы ролями, и явление повторилось бы в прежнем порядке. Этому случаю соответствует левая часть рис. 31-3. Отсюда следует, что направление вращения ротора однофазного асинхронного двигателя определяется направлением приложенного начального вращающего момента.

Параллельно с изменением моментов, создаваемых обмотками I и II (рис. 31-2), происходит перераспределение напряжений на их зажимах. Одна из обмоток, например обмотка II, находится в режиме электромагнитного тормоза, если подвести к ней полное напряжение сети U1, то проходящий по ней ток превысил бы поминальный

в4—7 раз (см. круговую диаграмму на рис. (30-5)). Но в действитель­ ности по обмотке II идет такой же ток, как и по обмотке I, т. е. ток, определяемый нагрузкой двигателя. Если ток двигателя достигает номинальной величины, то к зажимам обмотки II приложено напря­ жение в 4—7 раз меньше номинального.

Таким образом, по мере увеличения скорости вращения ротора

внаправлении поля, создаваемого обмоткой I, происходит перерас­ пределение напряжения сети между обеими обмотками, а именно: напряжение Uі на зажимах обмотки I постепенно растет и становится почти равным полному напряжению сети, а напряжение Uц на зажимах обмотки II уменьшается до относительно небольшой вели­ чины, которой в первом приближении можно пренебречь.

Сказанным просто объясняется тот факт, что намагничивающий ток однофазного двигателя относительно больше, чем трехфазного. Действительно, все происходит так, как будто в однофазном дви­ гателе напряжение сети прилагается только к половине всего числа

витков, из которых состоит обмотка статора. Вследствие этого в однофазном двигателе должен существовать относительно больший поток и больший намагничивающий ток / 0, а это в свою очередь приводит к тому, что cos ф однофазного двигателя при прочих рав­ ных условиях меньше, чем трехфазного.

Равным образом, к. п. д. и перегрузочная способность однофаз­ ного двигателя меньше, чем трехфазиого. Уменьшение к. п. д. объяс­ няется главным образом тем, что в роторе существует как бы два тока — один с частотой fs, а другой с частотой / (2 — s). Каждый из них создает потери в обмотке ротора, вследствие чего и общие потери в однофазном двигателе больше, чем в трехфазном. Умень­ шение перегрузочной способности происходит вследствие встречного действия момента М ц, создаваемого обратно вращающимся полем. Этим же объясняется и то, что регулирование скорости вращения

360

однофазного двигателя производится труднее и в гораздо более узких пределах, чем в трехфазном двигателе.

Для получения пускового момента в однофазном двигателе необ­ ходимо создать тем или иным путем вращающееся магнитное иоле.

Наиболее простым в конструктивном отношении и надежным в эксплуатации является двигатель с расщепленными полюсами и короткозамкнутой обмоткой ротора. На рис. 31-4, а представлен поперечный разрез четырехполюсного двигателя. Характерной осо­ бенностью являются явновыраженные полюсы 1 и сосредоточенная обмотка 2 статора. Каждый полюс делится на две неравные части осевым пазом 3, меньшая часть полюса охватывается короткозамкну-

Рис. 31-4. Двигатель с расщепленными полюсами: а — четырохнолюсный, б — двухполюсный

тым витком 4. Иногда ставится одна катушка 2 на пару полюсов

(рис. 31-4, б).

На рис. 31-5 представлена векторная диаграмма для статора в предположении отсутствия обмотки ротора и ненасыщенной маг­

нитной цепи. Общий магнитный поток Фт наводит в обмотке э. д. с.

Ех. Часть этого потока Ф1; создаваемая током Д, проходит но неэкра­ нированной части полюса и не сцепляется с короткозамкнутым вит­

ком. Вторая часть потока Ф2 создается как током Д, так и током короткозамкнутого витка Гк и является геометрической суммой потоков Фі и Фк. Э. д. с. короткозамкнутого витка Е'к отстает от

результирующего потока Ф2 на четверть периода и ток /к отстает от этой э. д. с. на угол фк, определяемый .параметрами короткозамк­

нутого витка. Ток в обмотке статора І[ равен геометрической сумме

двух составляющих: тока холостого хода /0, который протекал бы по обмотке статора при отсутствии короткозамкнутых витков на

полюсах и создавал бы поток Ф,„,-и тока (—/ к), равного по величине и противоположно направленного току короткозамкнутого витка, приведенного к числу витков обмотки статора.

301