14. Создание вращающегося магнитного поля однофазной обмоткой. Однофазные асинхронные двигатели.

Однофазные асинхронные двигатели в отличие от трехфазных двигателей имеют на статоре однофазную обмотку (фиг. 239, a, б и в, обмотка А). Ротор однофазного двигателя имеет трехфазную обмотку с кольцами или короткозамкнутую обмотку. Выше было указано, что однофазный ток не создает вращающегося магнитного поля. Поэтому однофазные двигатели не имеют начального или пускового вращающегося момента. Для создания пускового момента на статоре двигателя располагают вторую, так называемую пусковую обмотку, сдвинутую относительно рабочей обмотки на угол 90° (фиг. 239, a и б, обмотка В). Обе обмотки питаются от сети однофазного тока. Для создания сдвига фаз между токами обеих обмоток на угол, близкий к 90°, последовательно с пусковыми обмотками, включается активное сопротивление или емкость (фиг. 239, a и б). Пусковая обмотка включается только на время пуска, и после того как двигатель развил нормальную скорость вращения, она посредством рубильника К отключается от сети. Двигатель продолжает работать с одной рабочей обмоткой. У однофазных двигателей малой мощности (0,5—30 Bт) пусковая обмотка представляет собой короткозамкнутые витки (фиг. 239, в). В этом случае на статоре имеются явно выраженные полюсы, часть которых охватывается короткозамкнутыми витками. Токи в такой обмотке индуктируются рабочей обмоткой.

Однофазные асинхронные двигатели по сравнению с трехфазными двигателями имеют следующие недостатки: 1) отсутствие начального пускового момента; 2) малая перегрузочная способность; 3) более низкий к. п. д.; 4) меньший коэффициент мощности

Тема 10

1. Устройство и принцип действия синхронной электрической машины.

Синхронный двигатель может работать в качестве генератора и двигателя. Синхронный двигатель выполнен так же, как и синхронный генератор. Его обмотка якоря I (рис. 291, а) подключена к источнику трехфазного переменного тока; в обмотку возбуждения 2 подается от постороннего источника постоянный ток. Благодаря взаимодействию вращающегося магнитного поля 4, созданного трехфазной обмоткой якоря, и поля, созданного обмоткой возбуждения, возникает электромагнитный момент М (рис. 291,б), приводящий ротор 3 во вращение. Однако в синхронном двигателе в отличие от асинхронного ротор будет разгоняться до частоты вращения n = n₁, с которой вращается магнитное поле (до синхронной частоты вращения). Объясняется это тем, что ток в обмотку ротора подается от постороннего источника, а не индуцируется в нем магнитным полем статора и, следовательно, не зависит от частоты вращения вала двигателя. Характерной особенностью синхронного двигателя является постоянная частота вращения его ротора независимо от нагрузки.

Рис. 291. Электрическая (а) и электромагнитная (б) схемы синхронного электродвигателя

3. Электромагнитный момент, угловая и механическая характеристика синхронного двигателя.

Синхронная угловая скорость (ω₀) СД определяется частотой питания статора (f₁) и числом пар его полюсов (р):

.    (5.1)

Эта скорость остается постоянной при работе в установившемся режиме с ростом нагрузки на валу, не превышающей максимального момента Ммакс, определяемого параметрами и конструкцией СД.

Поэтому механическая характеристика СД имеет вид прямой линии, параллельной оси абсцисс при ω=ω₀=const. Если нагрузка на валу превышает значение Ммакс, то СД выходит из синхронизма и останавливается.

При изменениях (пульсации) нагрузки на валу СД в установившемся режиме мгновенные значения скорости колеблются около некоего среднего значения за счет изменения угла Θ между векторами напряжения и Э.Д.С. синхронной машины. Эти колебания мгновенной скорости важны лишь при работе СД на пульсирующую нагрузку (например, для привода поршневого компрессора), так как могут привести к неустойчивой работе электропривода.

Вопрос устойчивости работы СД и значение допустимого для него Ммакс решается по так называемого угловой характеристике - зависимости М=f(Θ). Углу Θ между векторами U и E соответствует пространственный угол сдвига между осью результирующего магнитного поля СД и осью его полюсов (углу вылета), причем этот угол в р раз меньше угла Θ (р - число пар полюсов).

Уравнение угловой характеристики М=f(Θ) ( получается из рассмотрения векторной диаграммы СД.

На рис. 5.1 показана такая векторная диаграмма неявнополюсной машины (полная диаграмма Блонделя).

При пренебрежении весьма малой величины R₁ (сопротивление фазы обмотки статора) получается так называемая упрощенная диаграмма Блонделя (рис. 5.2).

По этой диаграмме выводится уравнение угловой характеристики СД-М=f(Θ). При R₁=0 можно считать, что электромагнитная мощность СД равна мощности, подводимой к двигателю, то есть без учета потерь в статоре:

(5.2)

Из векторной диаграммы рис.5.2 следует:

(5.3) где U* и E*  - фазные значения напряжения и Э.Д.С. статора.

Из треугольника АВС получим:

Подставляя это значение в (5.3), будем иметь:

(5.4)

Подставив затем (5.4) в (5.2), получим выражение для электромагнитной мощности СД:

а электромагнитный момент СД будет равен

, где - ток короткого замыкания в статоре СД.

По выражению (5.5) строится угловая характеристика СД, показанная на рис. 5.3.

- ток короткого замыкания в статоре СД.

По выражению (5.5) строится угловая характеристика СД, показанная на рис. 5.3.

Из диаграммы рис. 5.2. видно, что с ростом нагрузки (I) угол Θ возрастает, увеличивается и момент, развиваемый двигателем, чтобы соответствовать возросшей нагрузке на валу и обеспечить условия устойчивой работы. При Θ>90 условия устойчивой работы СД нарушаются, так как с ростом нагрузки угол продолжает возрастать, а момент, развиваемый двигателем, уменьшается.

Поэтому СД выходит из синхронизма. Левая часть угловой характеристики M=f(Θ) является ее рабочей частью, а правая часть - это характеристики неустойчивой работы. СД конструируются таким образом, что номинальному моменту двигателя М_н соответствует угол Θ_н=25-30°.

Из двух соотношений:

следует, что номинальная перегрузочная способность СД

Так как то Θ_макс=90° то

(5.7)

В необходимых случаях перегрузочная способность СД может быть кратковременно увеличена за счет увеличения возбуждения машины, роста ее магнитного потока и Э.Д.С Е. При этом увеличится и развиваемый СД максимальный момент, как это видно из соотношения (5.6). Такое "перевозбуждение" СД возможно лишь кратковременно во избежание перегрева обмотки возбуждения на роторе.

"Кратковременное увеличение перегрузочной способности СД используется при ударном повышении момента сопротивления на валу (например , при входе металла в прокатную клеть непрерывного стана с приводом от СД).