Литература / Пиотровский_Электрические_машины_учебник_1974

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

Магнитные потоки отстают от соответствующих токов на неболь­ шой угол, зависящий от потерь в стали.

Таким образом, магнитный поток Ф2 отстает от магнитного потока

Фх на угол а и эти потоки смещены в пространстве на угол ß. Это обеспечивает вращение магнитного поля в направлении от неэкра­ нированной части полюса к экранированной. Вследствие неравен­ ства магнитных потоков Фх и Ф2 и несоответствия углов сдвига их в пространстве и во времени это поле будет не круговым, а эллипти­ ческим.

Для увеличения пускового момента между наконечниками полю­ сов помещаются магнитные шунты 5 (рис. 31-4, а) или же оставляются

перемычки (в двухполюсных машинах); это увеличивает угол а между потоками, и приближает поле к круговому.

Вследствие наличия третьей гармонической в пространственном распределении поля наблюдается резкое уменьшение вращающего момента при скорости вращения ротора, близкой к Ѵ3 скорости поля. Вращающий момент при этой скорости может оказаться меньше пускового, и поэтому при пуске с нагрузкой ротор двигателя будет устойчиво вращаться со скоростью значительно ниже номинальной. Для устранения этого явления на полюсе делается не один, а два (рис. 31-4, б) или три паза и соответственно несколько короткозамк­ нутых витков. С этой же целью выполняется увеличенный зазор между ротором и неэкранированной частью полюса.

Рабочие характеристики двигателя с расщепленными полюсами приведены на рис. 31-6. Величина потерь в короткозамкнутых витках довольно значительна и почти не зависит от вращающего момента, поэтому ток обмотки статора и подводимая к двигателю мощность мало изменяются при переходе от холостого хода к номинальной нагрузке и коэффициент полезного действия в лучших двигателях

362

пе превышает 0,3. Максимальный к. п. д. двигателя имеет место при вращающем моменте, близком к максимальному. Поэтому двигатель проектируется так, что его номинальный момент мало отличается от максимального и перегрузочная способность получается равной 1,1—1,2. Пусковой момент обычно не превышает 0,3 номинального. Коэффициент мощности находится в пределах 0,4—0,0. Скольжение в двигателях значительное и в зависимости от номинальной мощности составляет 0,3—0,1.

В соответствии с большой величиной потерь, не зависящих от нагрузки, температура обмотки также почти не зависит от нагрузки. Это обстоятельство вместе с простотой конструкции определяет высокую надежность двигателя. Обмотка статора может находиться под напряжением длительное время, при неподвижном роторе.

До последнего времени такие двигатели выпускались на неболь­ шую мощность — до 20 вт для привода вентиляторов и проигры­

располагается пусковая обмотка. Последовательно с пусковой обмоткой включается фазосмещающий элемент zn: активное сопро­ тивление R, индуктивность L или емкость С. Иногда последова­ тельно с одной из обмоток включается активное сопротивление и последовательно с другой — индуктивность.

Выпускаются также двигатели, в которых необходимое смещение токов достигается за счет разных параметров обмоток. Так как пусковая обмотка включается кратковременно, то число витков ее может быть уменьшено и таким образом снижено индуктивное сопротивление, а для увеличения активного сопротивления часть витков наматывается бифилярно, т. е. с проводом, согнутым петлей

(рис. 31-8).

В перечисленных двигателях при пуске поле создается не одной, а двумя обмотками, т. е. двигатель из однофазного превращается в двухфазный.

После окончания пуска вспомогательная обмотка отключается; для этой цели применяются: кнопки-выключатели, центробежные выключатели или же электромагнитное реле, действующие в функ­ ции тока главной обмотки и напряжения пусковой обмотки.

При включении в цепь пусковой обмотки В активного сопротив­ ления R угол будет меньше угла ф^ (рис. 31-9, а); таким образом

363

будет получена разность фаз между векторами токов Іл и /д. При включении индуктивности L вектор тока /д будет отставать от век­

тора іа , получится также разность фаз фд — срд (рис. 31-9, б). Но даже при включении в обмотку В активного сопротивления и в об­ мотку А индуктивного этот угол практически не достигает 90°.

Включение в цепь пусковой обмотки емкости С приводит к тому,

что ток /д опережает ток главной обмотки, а при достаточной вели­ чине емкости может опережать напряжение, так что ф д — ( — ф д ) = = 90° (рис. 31-9). С помощью емкости легко получить круговое вращающееся поле и наибольший пусковой момент. Однако даже

Рис. 31-10. Схема включения трехфазиых двигателей в однофазную сеть

для двигателей небольшой мощности требуются значительные ем­ кости, а размеры конденсаторов переменного тока пока еще велики. Поэтому значительно большее распространение имеют двигатели с пусковым сопротивлением.

Трехфазные двигатели также могут работать от однофазной сети, если произвести включение обмоток на время пуска по одной из схем рис. 31-10.

364

31-2. Двухфазные двигатели

И двухфазном двигателе каждая фаза обычно занимает половину всех пазов статора и оси соседних катушек двух фаз смещены на половину полюсного деления. Число витков в фазе зависит от напря­ жения, прилагаемого к обмотке.

Схема двухфазного двигателя, включаемого с конденсатором в однофазную сеть, приведена на рис. 31-11, а. Возможно также вклю­ чение обмоток в двухфазную сеть, напряжения которой смещены на четверть периода; тогда надобность в фазосмещающем элементе отпадает.

Соответствующим подбором обмоточных данных и емкости кон­ денсатора в двухфазном двигателе может быть получено круговое

емкость конденсатора так, чтобы круговое поле было при номинальной нагрузке; иногда в

специальных случаях требуется наличие кругового поля при пуске для создания большого пускового момента.

На рис. 31-11, б приведена диаграмма сложения э. д. с. для двух­ фазного двигателя при номинальной нагрузке и круговом поле. Двухфазные двигатели имеют больший к. п. д. и лучший коэффициент мощности по сравнению с однофазными.

Особенно большое распространение получили двухфазные двига­ тели в автоматических устройствах, когда требуется регулировать скорость вращения или вращающий момент в зависимости от напря­ жения на одной из обмоток (амплитудное управление) или угла между векторами напряжений на обмотках (фазовое управление), или же одновременно амплитуды и фазы (амплитудно-фазовое управление).

Главными требованиями, предъявляемыми к управляемым двига­ телям, являются устойчивая механическая характеристика на всем

365

диапазоне скоростей вращения от п = 0 до холостого хода и по воз­ можности линейная зависимость между скоростью вращения и напря­ жением управления.

Выше (рис. 31-3) было показано, что обычный однофазный двига­ тель обладает вращающим моментом при пульсирующем поле. Такой двигатель не может быть использован в качестве управляемого. Оба требования, предъявленные к управляемым двигателям, могут быть удовлетворены, если вращающий момент становится отрица­ тельным при снятии напряжения с обмотки управления. Для этого требуется увеличенное сопротивление обмотки ротора, так чтобы скольжение sm, соответствующее максимальному моменту, было больше единицы. Вращающий момент при пульсирующем поле может быть вызван также технологическими причинами: наличием коротко-

Рис. 31-12. Управляемый двигатель с полым не­ магнитным роторой

замкнутых витков в обмотках, замыканием между листами стали сердечника, неодинаковой магнитной проводимостью сердечника в разных радиальных йаправлениях; поэтому требуется тщательное изготовление управляемых двигателей.

В настоящее время в управляемых двигателях применяются три типа ротора: с обычной короткозамкнутой обмоткой, в виде полого цилиндра немагнитного или ферромагнитного с медным покрытием.

Управляемый двигатель должен быстро реагировать на изменение напряжения, в частности развивать большое ускорение ротора при подаче напряжения на обмотку управления. Для этого двигатель должен обладать большим пусковым моментом и малым моментом инерции ротора.

Параметры обмоток двигателя подбираются таким образом, чтобы круговое вращающееся поле было при неподвижном роторе. Ротор выполняется возможно малой массы с большим отношением длины к диаметру.

На рис. 31-12 представлен в разрезе управляемый двигатель с полым немагнитным ротором. Внешний статор ничем не отличается от статора обычного асинхронного двигателя. Он состоит из кор­

36Ü