Принцип действия асинхронного двигателя

Для рассмотрения принципа действия асинхронного двигателя условно представим вращающееся магнитное поле статора в виде вращающегося магнита (рис. 3.10). Обмотку ротора будем считать короткозамкнутой. Поле статора при вращении пересекает проводники обмотки ротора и наводит в них э.д.с. Так как обмотка ротора замкнута, т о в проводниках этой обмотки возникают токи. Ток в каждом из проводников обмотки ротора взаимодействуя с полем статора создает электромагнитную силу F_эм. Совокупность F_эм создает электромагнитный момент М, который приводит ротор во вращение с частотой n₂ в направлении вращения поля. Таким образом, электрическая энергия, поступающая из сети в обмотки статора, преобразуется в механическую энергию вращения ротора.

Рис. 3.10. Иллюстрация принципа действия асинхронного двигателя

Частота вращения ротора n₂ (асинхронная частота) всегда меньше синхронной частоты, т.е. ротор асинхронного двигателя всегда вращается медленнее магнитного поля статора. Это явление может быть объяснено следующим образом: если бы ротор вращался с частотой вращения поля, то оно не пересекало бы проводники обмотки ротора. В последних не наводилась бы э.д.с. и не было бы тока, а, соответственно, и вращающий момент был равен нулю.

Разность между синхронной частотой и частотой вращения ротора
(n₁-n₂) называется частотой скольжения n_s. Это частота вращения, с которой поле пересекает проводники обмотки ротора:

n_s=n₁-n₂. (3.13)

Отношение частоты скольжения к синхронной частоте называется скольжением:

s=(n₁-n₂)/n₁. (3.14)

Иногда скольжение измеряют в процентах, тогда в формулу (3.14) вводят множитель 100.

С появлением момента сопротивления на валу двигателя скольжение несколько повышается, что вызывает увеличение тока в проводниках обмотки ротора, а, следовательно, и электромагнитного момента. Таким образом, скольжение асинхронного двигателя, а, следовательно, и частота вращения ротора зависят от нагрузки, с увеличением которой частота вращения уменьшается (скольжение увеличивается).

В общем случае скольжение асинхронного двигателя может изменяться в диапазоне от нуля (режим холостого хода) до единицы (пуск двигателя). Скольжение и частота вращения, соответствующие номинальной нагрузке, называются номинальными. Номинальное скольжение асинхронных двигателей обычно составляет 0,01÷0,08, при этом большие скольжения соответствуют двигателям меньшей мощности.

Преобразуя выражение (3.14), получим выражение частоты вращения ротора:

, (3.15)

Или, учитывая (3.12):

. (3.16)

Например, если скольжение двухполюсного ротора асинхронного двигателя, включенного в сеть с частотой 50 Гц составляет 0,07, то частота вращения ротора

n₂=60·50(1-0,07)/1= 2790 об/мин.

Обмотка ротора асинхронного двигателя электрически не связана с обмоткой статора. Энергия, поступающая из сети в обмотку статора, передается ротору посредством магнитного поля. В этом отношении асинхронный двигатель подобен трансформатору, в котором обмотка статора является первичной обмоткой, а обмотка ротора – вторичной. Разница между асинхронным двигателем и трансформатором состоит в том, что э.д.с. в обмотках трансформатора наводится пульсирующим – изменяющимся во времени магнитным потоком, а э.д.с. в обмотках трансформатора – вращающимся потоком, постоянным по величине, но изменяющим свое направление в пространстве. Однако эффект в том и другом случае одинаков – потокосцепление между обмотками ψ=wФ изменяется во времени. В отличие от трансформатора вторичная обмотка асинхронного двигателя – обмотка ротора вращается в пространстве.

Э.д.с. обмотки ротора как по величине, так и по частоте зависит от частоты вращения ротора n₂. В самом деле, вращающееся в пространстве с частотой n₁ магнитное поле статора перемещается относительно ротора с частотой скольжения n_s=n₁-n₂. Оно наводит в обмотке ротора э.д.с. Е_2s, частота которой

. (3.17)

Из выражения (3.17) видно, что частота э.д.с. ротора Е_2s зависит от скольжения, т.е. от частоты вращения ротора n₂. Она равна частоте сети (f₂=f₁) при неподвижном роторе, когда n₂=0 и s=1. и нулю (f₂=0) при идеальном холостом ходе, когда n₂=n₁ и s=0.

Асинхронные двигатели общего применения в номинальном режиме работают с небольшим скольжением (0,01÷0,08). Это означает, что частота э.д.с. ротора в номинальном режиме при промышленной частоте сети 50 Гц составляет всего 0,5÷4 Гц.