12.4. Принцип действия асинхронного двигателя

В обмотке статора асинхронного двигателя при прохождении пере-­ менного тока возбуждается вращающееся магнитное поле, которое, пересекая проводники обмотки ротора, наводит в них переменную э. д. с. Так как обмотка ротора замкнута, то наведенная э. д. с. вызывает в роторе ток. В результате взаимодействия проводников с током ротора и вращающегося магнитного поля возникает сила, застав- ляющая ротор вращаться в направлении вращения поля. Таким образом, принцип работы асинхронного двигателя основан на использовании взаимодействия вращающегося магнитного поля, создаваемого перемен­ным током в обмотке статора и проводниками с током обмотки ротора. Так как вращение магнитного поля статора происходит асинхронно с вращением ротора двигателя, т. е. частоты вращения ротора и поля отличны, двигатель называют асинхронным.

На рис. 12.8 схематически показан северный полюс вращающегося магнитного поля, который перемещается по ходу часовой стрелки с частотой вращения n₀ (об/с). Допустим, в начальный момент ротор неподвижен и под северным полюсом находится один из проводников обмотки ротора. Движение полюса по часовой стрелке относительно этого проводника равносильно движению проводника при неподвижном полюсе против часовой стрелки. При таком направлении движения полю­са, согласно правилу правой руки, наведенный в проводнике обмотки ротора ток направлен к читателю (отмечено точкой). По правилу левой руки находим, что на проводник ротора с током заданного направления действует электромагнитная сила F, которая направлена в сторону вращения магнитного поля. Под действием этой электромагнитной силы ротор асинхронного двигателя вращается в том же направ­лении, в котором вращается магнитное поле ста­тора, но с несколько меньшей частотой.

При пуске асинхронного двигателя по мере раз­бега ротора разность частот вращающегося поля и ротора уменьшается. Однако ротор не может вра­щаться синхронно с полем, так как при совпадении частот не будет относительного движения поля и ротора, вследствие чего ротор не будет пересекаться полем, в нем не будет наводиться ток и, следо-вательно, исчезнет вращающий момент. В асинхронном двигателе частота вращения ротора меньше частоты вращения поля и ротор как бы скользит вдоль поля.

Отношение разности частот вращения поля n₀ и ротора n к частоте вращения поля называют скольжением: s = (n₀ - n)/n₀, откуда

(12.5)

Часто скольжение выражают в процентах:

(12.6)

Скольжение с изменением нагрузки двигателя изменяется. Обычно у асинхронных двигателей нормального исполнения при номинальной нагрузке скольжение составляет 1-6%. При неподвижном роторе s = 1, при синхронной скорости s = 0. Синхронная частота вращения может быть достигнута только путем вращения ротора асинхронного двигателя с помощью какого-либо постороннего двигателя. Если же частоту вращения ротора увеличить до частоты выше синхронной, то асинхронная машина перейдет в генераторный режим.

При генераторном режиме изменит направление электромагнитный момент М, который станет тормозящим, причем при этом асинхронная машина, получая механическую энергию от первичного двигателя, превращает ее в электрическую, отдавая затем в сеть. Для генераторного режима n > n₀ и s < 0.

Если ротор асинхронного двигателя затормозить, а затем вра­щать его в сторону, противоположную направлению вращения поля, то асинхронная машина перейдет в режим электромагнитного торможения, так как электромагнитный момент М направлен против вращения ротора и тормозит его. При тормозном режиме э. д. с. и активная составляю­щая тока в проводниках ротора направлены так же, как и при двигатель­ном режиме, т. е. асинхронная машина получает из сети активную мощность. При этом режиме s > 1.

Итак, характерной особенностью асинхронных машин является наличие скольжения (n₀ ≠ n).

На практике асинхронные машины в основном используют в двига­тельном режиме, поэтому рассмотрим именно этот режим работы.

В двигательном режиме за время одного периода Т вращающееся поле перемещается вдоль воздушного зазора (зазор между внутрен­ней поверхностью статора и внешней поверхностью ротора) на рас­стояние, равное части дуги внутренней окружности сердечника ста­тора, приходящейся на пару полюсов, т. е. на расстояние двух полюсных делений. Следовательно, полюсное деление

где D — внутренний диаметр сердечника статора; р — число пар полю­сов машины.

Если же за период Т вращающееся поле поворачивается на двойное полюсное деление 2τ, то полный оборот поле совершает за р периодов. Линейная скорость этого поля v₀ = 2τ/T= 2τf₁ или v₀ = πDn₀, т.е. πDn₀ = 2τf₁ = 2πDf₁/(2p), откуда n = f₁/p (об/с) или n₀ = 60f₁/p (об/мин);

(12.7)

где f₁ — частота сети, Гц.

Так как частота вращения поля зависит от частоты напряжения сети и числа пар полюсов машины, то при промышленной частоте f = 50 Гц и р = 1 поле совершает 3000 об/мин, при р = 2 оно совершает 1500 об/мин и т. д.

Если ротор вращается с частотой n, а поле статора — с частотой n₀, то ротор перемещается относительно поля статора с частотой сколь­жения n_s = n₀ — n. Тогда, по аналогии с (12.7), частота тока в роторе

(12.8)

Как было показано в § 12.2, для изменения направления вращения двигателя достаточно поме­нять местами две фазы двигателя при подключении к сети.