Принцип действия асинхронного двигателя

Электромагнитная схема трёхфазной асинхронной машины представлена на рис. 1.5. Трёхфазная обмотка якоря уложена в пазы сердечника статора равномерно вдоль его окружности и включена на трёхфазную сеть переменного тока, частота которой равна f₁ и фазное напряжение U₁. В пазах ротора размещена обмотка, которая замкнута накоротко.

Предположим, что ротор асинхронного двигателя неподвижен и к его валу не приложен тормозной момент. Если обмотку статора подключить к трехфазной сети, то токи, протекающие по обмотке, создадут вращающееся магнитное поле. Угловая скорость этого поля, называемая синхронной, равна ω₁=2π f₁/p.

Магнитное поле при своем вращении пересекает проводники обмотки ротора и индуцирует в них ЭДС. Направление индуцируемой в одном из проводников ротора ЭДС показано на рис. 1.7 (при определении направления ЭДС по правилу правой руки принималось, что поле неподвижно, а движение проводника происходит в сторону, противоположную вращению поля).

Рис. 1.5. Электромагнитная схема асинхронной машины (а) и распределение индукции поля в зазоре вдоль зазора машины (б): 1 –статор; 2 – ротор; 3 – обмотка статора; 4 – обмотка ротора

Так как обмотка ротора замкнута, то в ней возникает ток I₂, активная составляющая которого будет по направлению совпадать с ЭДС. Ток I₂, взаимодействуя с магнитным полем, создаст вращающий момент М, под действием которого ротор придет во вращение. Как можно установить по правилу левой руки, направление момента ивращения ротора будут совпадать с направлением вращения поля.

По мере разгона ротора его угловая скорость ω будетувеличиваться, но даже при отсутствии нагрузки на валу (холостой ход) он не сможет достигнуть скорости вращения поля. Объясняется это тем, что ток в роторе, а следовательно, и вращающий момент могут возникать в том случае, если магнитное поле пересекает проводники ротора, т.е. когда ω ≠ ω₁. При ω = ω₁ ЭДС, ток ротора и вращающий момент равны нулю, поэтому ротор начнёт останавливаться.

Таким образом, для рассматриваемого двигателя характерной особенностью является несинхронное (асинхронное) вращение его ротора с магнитным полем. Отсюда и его название — асинхронный двигатель.

Разницу между скоростями или частотами вращения поля и ротора оценивают величиной, называемой скольжением s:

s= (ω₁ – ω)/ ω₁ = (n₁ – n)/ n₁, (1.1)

где ω₁ = 2π n₁/60, ω = 2π n/60 – угловые скорости поля и ротора.

Иногда скольжение выражают в процентах:

s= (ω₁ – ω)/ ω₁100% = (n₁ – n)/ n₁100%.

Частота вращения магнитного поля относительно ротора равна (n₁ – n). Поэтому частота индуцируемых в обмотке ротора ЭДС и тока

f₂ = p (n₁ – n) /60 = p n₁/60 (n₁ – n)/ n₁ = f₁ s.

Откуда следует, что частота в роторе не постоянна, а изменяется пропорционально скольжению.

Найдём диапазон изменения скольжения в двигательном режиме. При ω =0 (ротор неподвижен) s =1, или 100%. Если в идеальном случае ω = ω₁, то s=0. Следовательно, в двигательном режиме работы машины скольжение изменяется в пределах от 0 до 1. При номинальной нагрузке скольжение обычно находится в пределах 0,015 — 0,05 или 1,5—5 %. При холостом ходе оно равно долям процента.

Скорость ротора ω, выраженная через скольжение s согласно (1.1) ω= ω₁(1- s), а частота вращения n= n₁(1- s). Отсюда видно, что частота вращения ротора близка к частоте вращения поля и мало изменяется при возрастании нагрузки.

Номинальная частота вращения двигателя зависит от n₁ и не может быть выбрана произвольно. При стандартной частоте промышленного тока f₁= 50 Гц возможные частоты вращения магнитного поля n₁=60 f₁/p = 3000/р .

При р=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 соответственно n₁=3000, 1500, 1000, 750, 600, 500, 375, 300.

В зависимости от необходимой номинальной частоты вращения обмотки двигателя выполняют на соответствующее число пар полюсов р. Асинхронные двигатели общего мнения выпускаются с синхронными частотами вращения 3000, 1500, 1000, 750, 600, 500 об/мин.

Асинхронная машина может работать также в генераторном режиме и режиме электромагнитного тормоза.

Генераторный режим возникает в том случае, когда ротор с помощью постороннего двигателя будет вращаться в направлении поля со скоростью, большей скорости поля. Скольжение в этом режиме будет отрицательным. Теоретически можно как угодно увеличивать скорость ротора относительно вращающегося поля. Поэтому при работе асинхронной машины в генераторном режиме скольжение находится в пределах от 0 до - ∞. Если ротор под действием посторонних сил начнёт вращаться в сторону, противоположную вращению поля, то возникает режим электромагнитного тормоза. Так как скорость ротора отрицательна ω<0, то скольжение в этом режиме будет s>1. Режим электромагнитного тормоза начинается при ω =0 и может продолжаться теоретически до ω= – ∞, при этом скольжение изменяется от 1 до + ∞.

Таким образом, пределы изменения скольжения в асинхронной машине от s=+ ∞ до s=- ∞.