9.4. Режимы работы трехфазной асинхронной машины

Трехфазная асинхронная машина может работать в трех режимах: двигателя, генератора и электромагнитного тормоза. Для уяснения принципов действия асинхронной машины, работающей в этих режимах, рассмотрим физические явления, возникающие в ней после включения обмотки статора в трехфазную сеть.

Режим двигателя

Пусть машина имеет короткозамкнутый ротор и двухполюсную обмотку статора, а трехфазная система токов возбуждает в магнитопроводе статора и ротора магнитное поле, вращающееся с синхронной скоростью Ω₀ в направлении движения часовой стрелки (рис. 9.9, а). Допустим также, что электрическое (активное) сопротивление стержней «беличьей клетки» велико.

Тогда при неподвижном роторе в проводниках его обмотки вследствие пересечения их линиями вращающегося поля наведутся э.д.с. и в короткозамкнутой обмотке ротора установятся переменные токи, практически совпадающие по фазе с э.д.с. Так как проводники с токами ротора находятся в магнитном поле машины, то на них будут действовать механические силы. Направления э.д.с. и создаваемых ими токов в короткозамкнутых проводниках ротора, а также электромагнитных сил, действующих на ротор, могут быть определены соответственно по правилам правой и левой руки. Следует только учесть направление относительного движения проводников ротора в магнитном поле; в рассматриваемом случае оно противоположно движению поля. Применив эти правила, найдем, что электромагнитные силы, приложенные к неподвижному ротору, создают пусковой момент, стремящийся повернуть ротор в направлении движения магнитного поля.

Если электромагнитный момент, действующий на неподвижный ротор, превысит тормозной момент на его валу, то ротор получит ускоренное движение в направлении вращения магнитного поля машины. По мере возрастания скорости вращения Ω ротора скорость Ω₀ – Ω относительного движения его проводников в равномерно вращающемся магнитном поле уменьшится, вследствие чего уменьшатся величины э.д.с. и тока в них, что повлечет за собой соответствующее изменение вращающего момента. Процессы изменения тока, момента и скорости вращения ротора прекратятся, как только наступит устойчивое равновесие между электромагнитным моментом, вызывающим вращение ротора, и тормозным моментом (моментом сопротивления), создаваемым устройством, приводимым в движение электрической машиной. В этих условиях ротор машины будет вращаться с постоянной скоростью Ω и в его короткозамкнутых контурах установятся токи, обеспечивающие создание вращающего момента, равного тормозному.

Таким образом, принцип работы асинхронных двигателей основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля с токами, которые наводятся этим полем в проводниках ротора. Очевидно, что возникновение токов в роторе и создание вращающего момента возможны лишь при относительном движении проводников ротора в магнитном поле машины. Из этого следует важный вывод о том, что ротор и магнитное поле асинхронной машины, работающей в режиме электрического двигателя, вращаются в пространстве в одном направлении, но с разными скоростями; скорость вращения ротора двигателя всегда меньше скорости вращения магнитного поля. С увеличением тормозного момента скорость вращения ротора уменьшается. При отсутствии внешнего момента сопротивления возбужденная машина будет находиться в режиме холостого хода, характеризуемом свободным вращением ротора со скоростью, близкой к синхронной. Лишь в теоретически возможном случае полного исчезновения внутренних сил трения скорость вращения ротора может достигнуть синхронной скорости вращения поля. Тогда прекратится пересечение проводников ротора магнитными линиями поля и токи в роторе исчезнут. В этом случае говорят о режиме идеального холостого хода асинхронной машины.

Режим идеального холостого хода можно создать и в реальной ма­шине, если скорость вращения ее ротора искусственно увеличить до синхронной скорости при помощи какого-либо постороннего двигателя.