Принцип действия асинхронного двигателя

В обмотке статора, включенной в сеть трехфазного тока, под действием напряжения возникает переменный ток, который создает вращающееся магнитное поле. Магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора и наводит в них (на основании закона электромагнитной индукциие = Blv) переменную ЭДС, направление которой определяется по правилу правой руки и указано на рис. 10.12 крестиками. Поскольку обмотка ротора замкнута, ЭДС вызывает в ней ток того же направления.

В результате взаимодействия тока ротора с вращающимся магнитным полем (на основании закона Ампера F = ВlI) возникает сила, действующая на проводники ротора, направление которой определяется по правилу левой руки. Сила создает момент, действующий в ту же сторону.

Под действием момента ротор приходит в движение и после разбега вращается в том же направлении, что и магнитное поле,  с   несколько   меньшей   частотой   вращения,   чем   поле:

n = (0,92 ÷ 0,98) n₀*.

*Для двигателей общего назначения.

Рис. 10.12. К пояснению принципа действия асинхронного двигателя

Все сказанное о принципе действия асинхронного двигателя справедливо, если обмотка ротора выполнена из ферромагнитного материала с теми же магнитными свойствами, что и сердечник ротора. В действительности обмотка ротора выполняется из неферромагнитного материала (меди или алюминия), поэтому магнитная индукция в пазу с проводниками намного меньше, чем в зубцах. Основная сила, вызывающая момент вращения, возникает в результате взаимодействия магнитного поля ротора с вращающимся магнитным полем статора и приложена к зубцам ротора. На проводник действует только небольшая сила. Однако для анализа работы двигателя и получения   расчетных   уравнений   обычно   считают,   что   в   основе принципа действия асинхронного двигателя лежит закон Ампера — взаимодействие проводника с током и магнитного поля. Такая трактовка закономерна, поскольку результаты расчета при этом совпадают с полученными из принципа взаимодействия магнитных полей ротора и статора.

Эдс обмотки статора

Вращающееся магнитное поле, распределенное синусоидально вдоль воздушного зазора, пересекает проводники обмотки статора и наводит в них переменную, изменяющуюся синусоидально во времени ЭДС E₁.

Среднее значение ЭДС в одном витке Е'_ср можно определить с помощью закона электромагнитной индукции:

Е'_ср = 2B_cplv₀, (10,15)

где В_ср — среднее значение магнитной индукции вращающегося магнитного поля; l — длина проводника обмоток статора; v₀ — скорость движения магнитного поля относительно проводников обмотки статора.

Скорость движения магнитного поля

v0 =	πDn0	,
	60

(10.16)

где    D — внутренний    диаметр    сердечника    статора;    n₀ = 60f₁/p — частота вращения магнитного поля.

Подставив в (10.15) вместо v₀ его значение из (10.16), получим

Е'ср = 2Bсрl	πD		60f1	,
	60		p

где  B_cplπD/2p= Ф — магнитный  поток  одного  полюса  двигателя.

Следовательно,

Е'_ср = 4Фf₁.

Рис. 10.13. Расположение секций фазы обмотки статора двигателя (а); потоки рассеяния статора и ротора (б)

Выразим Е'_ср через действующее значение Е':

Е'ср =	2Е'm	=	2√2E'	= 4f1Ф.
	π		π

(10.17)

Из выражения (10.17) вытекает, что действующее значение ЭДС в одном витке фазы обмотки двигателя

Е' =	π	4f1Ф = 4,44f1Ф.
	2√2

Если бы оси секций одной фазы обмотки совпадали, то результирующая ЭДС Е₁ одной фазы обмотки равнялась бы произведению   ЭДС   одного   витка   Е'   на   число   витков   фазы:

E₁ = Е'w₁ = 4,44 f₁w₁Ф. (10.18)

Полученное выражение ЭДС имеет тот же вид, что и для трансформатора. Однако в связи с тем, что фаза обмотки статора состоит из нескольких секций, расположенных в разных пазах (рис. 10.13, а) и сдвинутых в пространстве на угол θ, ЭДС в каждой секции будут сдвинуты во времени также на угол θ. Вследствие этого результирующая ЭДС одной фазы обмотки будет определяться не арифметической, а геометрической сум­мой ЭДС секций.

Поэтому в выражение (10.18) вводится поправочный коэффициент k₀₁, равный отношению модуля геометрической суммы ЭДС секций обмотки к арифметической сумме:

k₀₁ = |ΣЕ'|/ΣЕ'.

Этот коэффициент называется обмоточным.

Следует отметить, что обмотки выполняются с укороченным шагом, что приводит к увеличению угла θ. Обмоточный коэффициент k₀₁ = 0,91÷0,95.

Таким образом, расчетная формула ЭДС обмотки статора имеет вид

Е₁ = 4,44f₁w₁Фk₀₁.

Как вытекает из уравнения электрического равновесия цепи статора, которое имеет тот же вид, что и уравнение первичной цепи трансформатора,

U₁ = - Е₁ + I₁r₁ + jI₁х₁,

и если пренебречь падением напряжения в обмотке статора, то ЭДС будет равна напряжению на обмотке статора:

U₁ = Е₁ = 4,44 f₁w₁Фk₀₁. (10.19)