Принцип действия асинхронного двигателя

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Электрические машины широко применяют на электрических станциях, в промышленности, на транспорте, в авиации, в системах автоматического регулирования и управления, в быту.

Электрические машины преобразуют механическую энергию в электрическую и, наоборот, электрическую энергию в механиче­скую. Машина, преобразующая механическую энергию в электри­ческую, называется генератором. Преобразование электрической энергии в механическую осуществляется двигателями.

Любая электрическая машина может быть использована как в качестве генератора, так и в качестве двигателя. Это свойство электрической машины изменять направление преобразуемой ею

энергии называется обратимостью маши­ны. Электрическая машина может быть также использована для преобразования электрической энергии одного рода тока (частоты, числа фаз переменного тока, напряжения постоянного тока) в энергию другого рода тока. Такие электрические машины называются преобразователями. В зависимости от рода тока электро­установки, в которой должна работать электрическая машина, они делятся на машины постоянного и машины переменного тока. Машины переменного тока могут быть как однофазными, так и многофазными. Наиболее широкое применение нашли трех­фазные синхронные и асинхронные машины.

Находят также применение коллекторные машины переменного тока, которые допускают экономичное регулирование скорости вращения в широких пределах.

Принцип действия электрических машин основан на использо­вании законов электромагнитной индукции и электромагнитных сил. Если в магнитном поле полюсов постоянных магнитов или электромагнитов (рис. 107) поместить проводник и под действием какой-либо силы F₁ перемещать его, то в нем возникает з. д. с.; равная:

где В — магнитная индукция в месте, где находится проводник,

l — активная длина проводника (та его часть, которая нахо­дится в магнитном поле),

v— скорость перемещения проводника в магнитном поле.

Направление э.д. с. (на рисунке от зрителя за плоскость чер­тежа), индуктируемой в проводнике, определяется согласно пра­вилу правой руки.

Если этот проводник замкнуть на какой-либо приемник энер­гии, то в замкнутой цепи под действием э. д. с. будет протекать ток, совпадающий по направлению с э.д. с. в проводнике. В результате взаимодействия тока I в проводнике с магнитным полем полюсов создается электромагнитная сила F_Ээ, направление которой опре­деляется по правилу левой руки; эта сила будет направлена на­встречу силе, перемещающей проводник в магнитном поле. При равенстве сил F₁=Fэ проводник будет перемещаться с постоян­ной скоростью. Следовательно, в такой простейшей электрической машине механическая энергия, затрачиваемая на перемещение проводника, преобразуется в энергию электрическую, отдаваемую сопротивлению внешнего приемника энергии, т. е. машина рабо­тает генератором. Та же простейшая электрическая машина может работать двигателем. Если от постороннего источника электриче­ской энергии через проводник пропустить ток, то в результате взаимодействия тока в проводнике с магнитным полем полюсов создается электромагнитная сила Р_э, под действием которой про­водник начнет перемещаться в магнитном поле, преодолевая силу торможения какого-либо механического приемника энергии. Таким образом, рассмотренная машина так же, как и любая электриче­ская машина, обратима, т. е. может работать как генератором, так и двигателем.

Для увеличения э. д. с. и электромеханических сил электриче­ские машины снабжаются обмотками, состоящими из большого числа проводов, которые соединяются между собой так, чтобы з. д. с. в них имели одинаковое направление и складывались.

Э. д. с. в проводнике будет индуктирована также и в том слу­чае, когда проводник неподвижен, а перемещается магнитное поле полюсов.

Это соотношение предполагает, что проводник перемещается перпендику­лярно направлению магнитных линий поля.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Электрические машины широко применяют на электрических станциях, в промышленности, на транспорте, в авиации, в системах автоматического регулирования и управления, в быту.

Электрические машины преобразуют механическую энергию в электрическую и, наоборот, электрическую энергию в механиче­скую. Машина, преобразующая механическую энергию в электри­ческую, называется генератором. Преобразование электрической энергии в механическую осуществляется двигателями.

Любая электрическая машина может быть использована как в качестве генератора, так и в качестве двигателя. Это свойство электрической машины изменять направление преобразуемой ею

энергии называется обратимостью маши­ны. Электрическая машина может быть также использована для преобразования электрической энергии одного рода тока (частоты, числа фаз переменного тока, напряжения постоянного тока) в энергию другого рода тока. Такие электрические машины называются преобразователями. В зависимости от рода тока электро­установки, в которой должна работать электрическая машина, они делятся на машины постоянного и машины переменного тока. Машины переменного тока могут быть как однофазными, так и многофазными. Наиболее широкое применение нашли трех­фазные синхронные и асинхронные машины.

Находят также применение коллекторные машины переменного тока, которые допускают экономичное регулирование скорости вращения в широких пределах.

Принцип действия электрических машин основан на использо­вании законов электромагнитной индукции и электромагнитных сил. Если в магнитном поле полюсов постоянных магнитов или электромагнитов (рис. 107) поместить проводник и под действием какой-либо силы F₁ перемещать его, то в нем возникает з. д. с.; равная:

где В — магнитная индукция в месте, где находится проводник,

l — активная длина проводника (та его часть, которая нахо­дится в магнитном поле),

v— скорость перемещения проводника в магнитном поле.

Направление э.д. с. (на рисунке от зрителя за плоскость чер­тежа), индуктируемой в проводнике, определяется согласно пра­вилу правой руки.

Если этот проводник замкнуть на какой-либо приемник энер­гии, то в замкнутой цепи под действием э. д. с. будет протекать ток, совпадающий по направлению с э.д. с. в проводнике. В результате взаимодействия тока I в проводнике с магнитным полем полюсов создается электромагнитная сила F_Ээ, направление которой опре­деляется по правилу левой руки; эта сила будет направлена на­встречу силе, перемещающей проводник в магнитном поле. При равенстве сил F₁=Fэ проводник будет перемещаться с постоян­ной скоростью. Следовательно, в такой простейшей электрической машине механическая энергия, затрачиваемая на перемещение проводника, преобразуется в энергию электрическую, отдаваемую сопротивлению внешнего приемника энергии, т. е. машина рабо­тает генератором. Та же простейшая электрическая машина может работать двигателем. Если от постороннего источника электриче­ской энергии через проводник пропустить ток, то в результате взаимодействия тока в проводнике с магнитным полем полюсов создается электромагнитная сила Р_э, под действием которой про­водник начнет перемещаться в магнитном поле, преодолевая силу торможения какого-либо механического приемника энергии. Таким образом, рассмотренная машина так же, как и любая электриче­ская машина, обратима, т. е. может работать как генератором, так и двигателем.

Для увеличения э. д. с. и электромеханических сил электриче­ские машины снабжаются обмотками, состоящими из большого числа проводов, которые соединяются между собой так, чтобы з. д. с. в них имели одинаковое направление и складывались.

Э. д. с. в проводнике будет индуктирована также и в том слу­чае, когда проводник неподвижен, а перемещается магнитное поле полюсов.

Это соотношение предполагает, что проводник перемещается перпендику­лярно направлению магнитных линий поля.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Наибольшее распространение среди электрических двигателей Получил трехфазный асинхронный двигатель, впервые сконструи­рованный известным русским электриком М. О. Доливо-Добровольским.

Асинхронный двигатель отличается простотой конструкции Щ несложностью обслуживания. Как и любая машина переменного тока асинхронный двигатель состоит из двух основных частей; статора и ротора. Статором называется неподвижная часть маши­ны, ротором — ее вращающаяся часть. Асинхронная машина обла­дает свойством обратимости, т. е. может быть использована как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Из-за ряда су­щественных недостатков асинхронные генераторы практически почти не применяются, тогда как асинхронные двигатели, как это было отмечено выше, получили очень широкое распространение.

Поэтому мы будем рассматривать работу асинхронной машины в режиме двигателя, т. е. процесс преобразования электрической энергии в энергию механическую.

Многофазная обмотка переменного тока создает вращающееся магнитное поле, скорость вращения которого в минуту

Если ротор вращается со скоростью п2, равной скорости враще­ния магнитного поля (n₂=n₁₎, то такая скорость называется син­хронной.

Если ротор вращается со скоростью, не равной скорости вращения магнитного поля { n₂ n₁), то такая скорость называется асинхронной.

В асинхронном двигателе рабочий процесс может протекать только при асинхронной скорости, т. е. при скорости вращения ротора, не равной скорости вращения магнитного поля.

Скорость ротора может очень мало отличаться от скорости юля, но при работе двигателя она будет всегда меньше (n₂<n₁).

Работа асинхронного двигателя основана на явлении, назван­ии диск Араго-Ленца (рис. 108). Это явление заключается в следующем: если перед полюсами постоянного магнита поместить медный диск 1, свободно сидящий на оси 2, и начать вращать магнит круг его оси при помощи рукоятки, то медный диск будет вращать­ся в том же направлении. Это объясняется тем, что при вращении магнита магнитные линии его поля, замыкаясь от северного полюса с южному, пронизывают диск и индуктируют в нем вихревые токи, 3 результате взаимодействия вихревых токов с магнитным полем магнита возникает сила, приводящая диск во вращение. На основании закона Ленца направление всякого индуктированного тока таково, что он противодействует причине, его вызвавшей. Поэтому вихревые токи в теле диска стремятся задержать вращение магнита, но, не имея возможности сделать это, приводят диск во вращение так, что он следует за магнитом. При этом скорость вращения диска всегда меньше, чем скорость вращения магнита. Если бы эти скорости почему-либо стали одинаковыми, то магнитные ли­ши не пересекали бы диска и, следовательно, в нем не возникали 5ы вихревые токи, т. е. не было бы силы, под действием которой диск вращается.

В асинхронных двигателях постоянный магнит заменен вращаюйся магнитным полем, создаваемым трехфазной обмоткой статора при включении ее в сеть переменного тока.

Вращающееся магнитное поле статора пересекает проводники обмотки ротора и индуктирует в них э.д. с. Если обмотка ротора замкнута на какое-либо сопротивление или накоротко, то по ней

под действием индуктируемой э. д. с. протекает ток. В результате полем обмотки статора создается вра­щающий момент, под действием кото­рого ротор начинает вращаться.

Например, выделим часть окруж­ности ротора, на которой находится один проводник его обмотки. Поле ста­тора представим северным полю­сом N, который вращается в простран­стве и вокруг ротора по часовой стрел­ке с числом оборотов N в минуту. Сле­довательно, полюс N перемещается

относительно проводника обмотки ротора слева направо, в результате чего в этом проводнике индуктируется э.д. с, которая согласно правилу правой руки направлена на зрителя (знак «точка»). Если обмотка ротора замкнута, то под действием э. д. с. по этой обмотке течет ток, направленный в выбранном нами проводнике также на зрителя.

В результате взаимодействия тока в проводнике обмотки рото­ра с магнитным полем возникает сила F, которая перемещает про­водник в направлении, определяемом по правилу левой руки, т. е. слева направо. Вместе с проводником начинает перемещаться и ротор.

Если силу F, действующую на проводник обмотки ротора, умно­жить на расстояние этого проводника от оси ротора (плечо прило­жения силы), то получим вращающий момент, развиваемый током данного проводника. Так как на роторе помещено большое коли­чество проводников, то сумма произведений сил, действующих на каждый из проводников, на расстояния этих проводников от оси ротора определяет вращающий момент, развиваемый двигателем. Под действием вращающего момента ротор приходит во вращение по направлению вращения магнитного поля. Следовательно, для реверсирования двигателя, т. е. для изменения направления вра­щения ротора, необходимо изменить направление вращения маг­нитного поля, созданного обмоткой статора. Это достигается изме­нением чередования фаз обмоток статора; для чего следует поме­нять местами по отношению к зажимам сети любые два из трех проводов, соединяющих обмотку статора с сетью. Реверсивные дви­гатели снабжаются переключателями, при помощи которых можно изменять чередование фаз обмоток статора, а следовательно, и на­правление вращения ротора.

Вне зависимости от направления вращения ротора его скорость n2, как уже указывалось, всегда меньше скорости магнитного поля статора.

Если предположить, что в какой-то момент времени число оборотов ротора оказалось равным числу оборотов поля статора, то проводники обмотки ротора не будут пересекаться магнитными линиями поля статора и тока в роторе не будет. В этом случае вращающий момент станет равным нулю, скорость вращения ротора уменьшится по сравнению со скоростью вращения поля статора, пока не воз никнет вращающий момент, уравновешивающий тормозной момент который складывается из момент; нагрузки на валу и момента сил трения в машине.