Содержание  
< назад вперед >

§ 108. ВРАЩАЮЩИЙ МОМЕНТ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Принцип действия асинхронного двигателя, как указывалось, основан на взаимодействии вращающегося поля и тока, индуктиро­ванного этим полем в обмотке ротора.

В результате взаимодействия магнитного потока Ф с током I₂, протекающим в проводниках обмотки ротора, возникают электро­магнитные силы, приводящие ротор во вращение.

Поэтому вращающий момент, создаваемый на валу двигателя, зависит от величины тока ротора I₂ и от магнитного потока Ф.

Кроме того, на величину вращающего момента асинхронного двигателя влияет сдвиг фазмежду током I₂ и э. д. с. ротора.

Для уяснения влияния   рассмотрим картину электромагнитных сил, действующих па проводники ротора.

Рассмотрим сначала случай, когда индуктивность обмотки ротора мала и поэтому сдвигом фаз между током и э. д. с. можно пренебречь (рис. 255, а). Вращающееся магнитное поле статора здесь заменено полем полюсов N и S, вращающимся, предположим, по направлению часовой стрелки. Пользуясь правилом «правой руки», определяем направление э. д. с. и токов в обмотке ротора. Токи ротора, взаимодействуя с вращающимся магнитным полем, создают момент вращения. Направления сил, действующих на проводники с током, определяются по правилу «левой руки».  Как видно из чертежа,

ротор под действием электромагнитных сил будет вращаться в ту же сторону, что и само вращающееся поле, т. е. по часовой стрелке.

Рассмотрим второй случай, когда индуктивность обмотки ротора относительно велика. В этом случае сдвиг фаз между током ротора I₂ и э. д. с. ротора будет также значительным. На рис. 255, б магнит­ное поле статора асинхронного двигателя по-прежнему показано в виде вращающихся по направлению часовой стрелки полюсов N и S. Направление индуктированной в обмотке ротора э. д. с. оста­ется таким же, как и на рис. 255, а, но вследствие запаздывания тока по фазе максимум тока I₂ наступает позднее, чем максимум э. д. с.

На рис. 255 показано направление индуктированных токов в отдельных проводниках ротора в рассматриваемый момент времени, а также направления отдельных электромагнитных сил, действую­щих на проводники. Если  = 0, то все электромагнитные силы бу­дут действовать согласованно. При большем часть электромагнитных сил создают вращающий момент, направленный по часовой стрел­ке,  а остальные силы — против  часовой  стрелки.

Магнитный поток Ф не зависит от скорости вращения ротора n. Следовательно, вращающий момент М пропорционален только активной составляющей тока ротора I₂ соs ψ₂. Индуктивное сопро­тивление ротора Х₂ = 2pfL₂, а следовательно, и величина соs ψ₂ зависят от частоты тока ротора f₂ и поэтому с изменением нагрузки на валу ротора изменяется не только величина тока I₂, но и величина соs ψ_2.. Таким образом, изменение вращающего момента, развивае­мого двигателем, с изменением скорости вращения (и скольжения) определяется одновременно как изменением тока I₂, так и изме­нением соs ψ₂.

На основании математическо­го анализа и экспериментального исследования можно построить график зависимости вращающего момента асинхронного двигате­ля М от скольжения S (рис. 256). Так как каждому значе­нию S соответствует определен­ное значение n = n₀ (1 — S), то указанный график можно представить и как зависимость вращающего момента от скорости n.  Зависимость между вращающим моментом М и скольжением S называется механической характеристикой двигателя   (рис. 256)

На кривой А видно, что в начальный момент пуска, когда S= 1 и n = 0, вращающий пусковой момент двигателя относительно не­велик. Это объясняется тем, что в момент пуска частота тока в об­мотке ротора наибольшая и индуктивное сопротивление обмотки ве­лико. Вследствие этого соs ψ₂  имеет малое значение (около 0,1—0,2). Поэтому, несмотря на большую величину пускового тока, пусковой вращающий момент будет наибольшим. По мере разгона двигателя скольжение уменьшается.

При некотором скольжении S₁, называемом критическим, вращающий момент двигателя будет иметь максимальное значение. При дальнейшем уменьшении скольжения (или, иначе говоря, при дальнейшем увеличении скорости вращения двигателя) вращающий момент будет быстро уменьшаться и при скольжении S = 0 момент двигателя будет равен нулю. Этот режим соответствует идеальному холостому ходу, когда двигатель не нагружен, а механическими потерями  (на трение)  можно  пренебречь.

 Пусковой момент можно увеличить, если в момент пуска умень­шить сдвиг фаз между током и э. д. с. ротора. Если увеличить актив­ное сопротивление цепи ротора, то угол ψ₂ уменьшится, что приве­дет к тому, что соs ψ₂ и вращающий момент двигателя станут больше.

Этим пользуются на практике для увеличения пускового вращаю­щего момента двигателя. В момент пуска в цепь ротора вводят активное сопротивление (пусковой реостат), которое затем выводят по мере разгона двигателя.

Увеличение пускового момента приводит к тому, что макси­мальный вращающий момент двигателя получается при большем скольжении (точка S₂ кривой В на рис. 256). Путем увеличения актив­ного сопротивления цепи ротора при пуске можно добиться того, что максимальный вращающий момент будет в момент пуска (S = 1 кривой С).

Вращающий   момент,   развиваемый   асинхронным   двигателем, как указывалось, зависит от величины магнитного потека Ф. При снижении приложенного напряжения U₁ уменьшается магнитный  поток Ф, а следовательно, и вращающий момент, развиваемый дви­гателем   при  данной   скорости   вращения.

Теория и практика показывают, что вращающий момент асин­хронного двигателя пропорционален квадрату напряжения, поэтому даже небольшое уменьшение напряжения сети сопровождается резким уменьшением момента.

Кривая А называется естественной механичес­кой характеристикой, а кривые В и С — реостат­ным и механическими характеристиками асинхронного  двигателя.

Работе двигателя с номинальной нагрузкой соответствует точка N на кривой А.

При скольжении S_Н двигатель развивает номинальный момент Мн.

Ранее было указано, что путем увеличения активного сопротив­ления цепи роторной обмотки можно увеличить вращающий момент Двигателя. Можно было бы сделать роторную обмотку большего сопротивления, но это вызвало бы значительный нагрев обмотки и уменьшение к. п. д. двигателя. Для улучшения пусковых харак­теристик асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором применяют двигатели с двумя короткозамкнутыми обмотками на роторе и двигатели с глубоким пазом.

Двигатель с двумя клетками (короткозамкнутыми обмотками) был предложен Доливо-Добровольским. На роторе такого двигателя помещают две клетки (рис. 257): одну — пусковую, имеющую большое активное сопротивление и малое индуктивное сопротивле­ние, и другую — рабочую, обладающую наоборот, малым активным сопротивлением и большим индуктивным сопротивлением.

Стержни пусковой клетки изготовляют обычно из латуни. Мате­риалом рабочей клетки служит медь. Сечение рабочей клетки дела­ется больше сечения пусковой клетки. В результате подбора материа­ла и сечения клеток активное сопротивление пусковой клетки полу­чается в четыре — пять раз больше сопротивления рабочей клетки.

Как видно на рис. 257, б, между стержнями пусковой и рабочей обмоток имеется узкая щель, размеры которой определяют индуктивность нижней рабочей клетки. Рассмотрим работу двуклеточного двигателя.

Индуктивность рабочей клетки больше, так как она сцеплена с большим числом магнитных линий,

В момент пуска двигателя, когда частота токов ротора равна частоте сети, индуктивное сопротивление этой клетки особенно велико. Благодаря этому сдвиг фаз между током рабочей клетки и э. д. е., индуктированной в ней, будет большим, а момент вра­щения, создаваемый клеткой, — малым. Ввиду большого активного сопротивления и малой индуктивности верхней пусковой клетки ток и э. д. с, индуктированные в ней, будут незначительно сдвинуты по фазе, и вращающий мо­мент, развиваемый пуско­вой клеткой, будет боль­шим. Следовательно, при пуске вращающий момент двигателя получается пре­имущественно за счет пу­сковой клетки.

С увеличением скорости двигателя частота токов ро­тора уменьшается, индук­тивное сопротивление кле­ток оказывает на работу двигателя все меньшее вли­яние и поэтому распреде­ление токов в клетках оп­ределяется только их ак­тивным      сопротивлением.

Но, как было указано выше, активное сопротивление рабочей клетки в несколько раз меньше сопротивления пусковой клетки. Поэтому  при нормальной работе двигателя большая часть тока проходит по рабочей клетке и вращающий момент получается преимущественно за счет рабочей клетки.

На рис. 258 показана зависимость вращающего момента двигателя с двуклеточным ротором от величины скольжения. На диаграмме кривая 1 показывает изменение момента, создаваемого пусковой обмоткой, кривая 2 — изменение момента, создаваемого рабочей обмоткой. Сумма мгновенных значений моментов двух обмоток дает кривую М момента двуклеточного двигателя.

Более простым в изготовлении является ротор, у которого обе клетки заливают алюминием. На рис. 259 показаны внешний вид и частичный разрез ротора с двойной литой алюминиевой клет­кой.

Двуклеточный двигатель дороже асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором обычной конструкции на 20—30%. Наши заводы изготовляют двуклехочные двигатели от 5 до 2000 квт.

Наряду с двуклеточным двигателем применяются двигатели с глубоким пазом (рис. 260). Отношение длины паза к ширине берется в пределах 10—12. Нижняя часть паза сцеплена с большим числом магнитных линий, чем верхняя часть паза. Вследствие этого индук­тивное сопротивление  нижней части  паза  больше,  чем  верхней,

в особенности в момент пуска. Это приводит к вытеснению тока ротора в верхнюю часть стержней обмотки. Плотность тока в верх­них слоях стержня увеличивается, что равносильно уменьшении сечения стержней и увеличению активного сопротивления обмотки. Это, как известно, приводит к увеличению вращающего моменте двигателя. Кроме того, увеличение индуктивного и активного сопротивления обмотки ротора вызывает уменьшение пускового тока.

С увеличением скорости двигатель приобретает свойства, соответ­ствующие его обычной конструкции.

В табл. 11 приведены пусковые характеристики двигателя с короткозамкнутым ротором нормального исполнения, двуклеточного двигателя и двигателя с глубоким пазом. Пусковые свойства даются в виде отношения пускового тока Iп к номинальному току Iн и в виде отношения пускового момента Мn к номинальному моменту Мн.