Принцип действия трехфазного асинхронного двигателя

Трехфазный асинхронный двигатель, схематично показанный на рис.1—это двухполюсный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Рис.1. Конструктивная схема трёхфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором: 1—сердечник статора; 2—обмотка статора; 3—короткозамыкающее кольцо обмотки ротора; 4—рабочие стержни работы ротора; 5—вал; 6—сердечник ротора

При подаче трехфазного напряжения на зажимы статорной об­мотки в его магнитной системе, как уже отмечалось выше, возни­кает вращающееся магнитное поле с полюсами No - So, эквивален­тное полю постоянного магнита.

Для рассмотрения принципа действия двигателя условно заменим вращающееся магнитное поле статора полем постоянного магнита, который будем вращать по часовой стрелке (рис. 2, а), а коротко- замкнутую обмотку ротора - одним короткозамкнутым витком (рис. 2, б), закрепленным на осях с возможностью вращения.

Рис. 2. Условное обозначение асинхронного двигателя для объяснения принципа действия: а - вид спереди; б - вид сбоку

В момент запуска двигателя, когда ротор (изображаемый корот­козамкнутым витком) неподвижен, а внешнее магнитное поле на­чало вращаться, силовые линии этого поля пересекают обмотки ротора и наводят в ней ЭДС, направление которой можно опреде­лить, используя правило правой руки.

Напомним его: «Если правую руку расположить так, чтобы сило­вые линии входили в ладонь, а отогнутый большой палец показывал направление движения проводника относительно магнитного поля, то вытянутые четыре пальца покажут направление наведенной ЭДС».

Обратим внимание на то, что в данном случае относительно дви­жущегося по часовой стрелке магнитного поля проводник (будучи пока неподвижным) как бы перемещается в противоположном на­правлении. Поэтому, согласно правилу правой руки, в верхней части витка ЭДС будет направлена к нам, а в нижней части нитка - от нас.

Так как ЭДС возникает в замкнутом витке, то под ее действием пойдет электрический ток, практический совпадающий по фазе с ЭДС.

Проводник же с током, находящийся в магнитном поле, будет из него выталкиваться в направлении, определенном правилом левой руки:

«Если расположить левую руку так, чтобы силовые линии вхо­дили в ладонь, а четыре вытянутых пальца показывали направление тока в проводнике, то отогнутый большой палец покажет направ­ление выталкивающей силы, действующей на проводник».

Если применить это правило, то окажется, что верхний провод­ник выталкивается из поля вправо, а нижний — влево, т. е. электро­магнитные силы, приложенные к неподвижному ротору, создают пусковой момент, стремящийся повернуть ротор в направлении дви­жения магнитного поля.

Когда электромагнитный момент, действующий на неподвижный ротор, превышает тормозной момент на валу, ротор получает уско­ренное движение в направлении вращения магнитного поля двига­теля.

По мере возрастания частоты вращения п1 ротора относительная разность частот я1 - п2 сокращается, вследствие чего уменьшаются величины ЭДС и тока в проводниках ротора, что влечет за собой соответствующее уменьшение вращающего момента.

Процессы изменения ЭДС, тока, момента и частоты вращения ротора прекратятся, как только наступит устойчивое равновесие между электромагнитным моментом, вызывающим вращение рото­ра, и тормозным моментом (моментом сопротивления), создавае­мым производственным механизмом, который приводится в движе­ние электродвигателем. При этом ротор машины будет вращаться с постоянной частотой пь а в короткозамкнутых контурах его обмот­ки установятся токи, обеспечивающие создание вращающего мо­мента, равного моменту тормозному.

Таким образом, принцип работы асинхронных двигателей осно­ван на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора с токами, которые наводятся этим полем в проводниках ротора. Оче­видно, что возникновение токов в роторе и создание вращающего­ся момента возможны лишь при движении проводников ротора от­носительно магнитного поля машины, т. е. при наличии разности частот вращения магнитного поля статора п1и ротора п2 (п1- п2) должно быть больше 0.

Для примера определим, что же произойдет, если частота враще­ния ротора п2 сравнится с частотой вращения магнитного поля ста­тора п1 (п1 = п2).

Магнитное поле статора и ротор будут в этом случае неподвиж­ны относительно друг друга. Силовые линии магнитного поля ста­тора не будут пересекать обмотку ротора, следовательно, в ней не будет наводиться ЭДС, не появится ток, не будет и выталкивающей силы.

Ротор несколько притормозится, но как только возникает разность частот вращения п1-п2, вновь в обмотке ротора наведется ЭДС, появится ток и начнут действовать выталкивающая сила и электромагнитный момент.

Таким образом, ротор вращаться с синхронной частотой пх в ес­тественных условиях не может.

Отсюда следует важный вывод о том, что магнитное поле стато­ра и ротор АД вращаются в пространстве в одном направлении, но с разной частотой: частота вращения ротора двигателя п2 всегда меньше частоты вращения п{ магнитного поля статора. С этим свя­зано, кстати, и название машины: асинхронный двигатель.

При анализе работы асинхронных машин пользуются безразмер­ным параметром S, называемым скольжением и определяемым раз­ностью частот вращения магнитного поля статора п1 и ротора п2 выраженной в относительных единицах (отнесенной к п1): S=(n1-n2)/n1.

Это выражение часто записывают следующим образом: п2 = п1(I- S).

В соответствии с этим соотношением зависимость частоты вра­щения ротора п2 от скольжения при заданной п] графически выра­жается прямой, построенной в двух граничных режимах при запус­ке двигателя п2 = 0, т. е. скольжение S = 1, а при п2 =п1, (так называемый идеальный холостой ход) S=0 (рис.3). Следова­тельно, режим двигателя характеризуется скольжением, изменяю­щимся от 1 до 0.

Номинальное же скольжение Sн современных машин общепро­мышленного исполнения Sн = 1-3 %. Например, при п1 = 3000 об/мин и S = 1 % ротор будет вращаться с частотой, всего на 30 об/мин меньше, чем п1 (п2 = 2970 об/мин).

Рис.3 График зависимости частоты вращения ротора трехфазного асинхронного двигателя от скольжения