Принцип действия асинхронной машины

Трехфазные асинхронные двигатели находят самое широкое применение в различных областях техники. Не менее 90% всех электродвигателей, применяемых в народном хозяйстве, являются асинхронными. Такое широкое использование эти двигатели получили благодаря простоте конструкции и надежности в работе. В устройствах автоматики они применяются главным образом для привода механизмов, не требующих регулирования частоты вращения.

Принцип действия трехфазного асинхронного двигателя основан на способности трехфазной обмотки при включении ее в сеть трехфазного тока создавать вращающееся магнитное поле. Частота вращения этого поля n₁, или синхронная частота вращения (об/мин), прямо пропорциональна частоте переменного тока f₁ и обратно пропорциональна числу пар полюсов р трехфазной обмотки:

                                                                      (1)

Для частоты f₁=50Гц ниже приведены некоторые синхронные частоты вращения магнитного поля:

Если необходимо изменить направление вращения магнитного поля, то изменяют порядок следования фаз трехфазной системы токов, подводимых к трехфазной обмотке. Число полюсов асинхронного двигателя определяется конструкцией обмотки статора, при этом число полюсов ротора равно числу полюсов статора.

Для объяснения принципа действия трехфазного асинхронного двигателя воспользуемся упрощенной моделью, состоящей из неподвижной части 1, называемой статором, и вращающейся части 2, называемой ротором, разделенных воздушным зазором (рис.7).

Рис.7 Создание вращающегося магнитного поля

Сердечник статора состоит из спинки (ярма), через которую замыкается магнитный поток вращающегося магнитного поля, и зубцов, между которыми находятся пазы с расположенной в них трехфазной обмоткой (рис.8).

 В расточке сердечника статора находится ротор, состоящий из вала, сердечника и обмотки. Обмотка ротора представляет собой короткозамкнутую конструкцию, состоящую из восьми медных или алюминиевых стержней, замкнутых с обеих сторон по торцам медными или алюминиевыми кольцами (см. рис.2). Такая обмотка называется короткозамкнутой.

Рис.8 Расположение катушек обмотки в пазах магнитопровода статора:

1 – активные стороны катушек, 2 – лобовые части катушек

При включении обмотки статора в трехфазную сеть возникает магнитное поле, вращающееся с синхронной частотой n₁. Поле сцепляется с обмоткой ротора и индуцирует в его стержнях электродвижущие силы, направление которых определяют по правилу «правой руки». Обмотка ротора замкнута, поэтому ЭДС, наведенные в стержнях этой обмотки, создадут в них токи. В результате взаимодействия токов в роторе с вращающимся полем статора на стержнях ротора создаются электромагнитные силы F_эм, направление которых определяют по правилу «левой руки». Совокупность электромагнитных сил F_эм образует на роторе электромагнитный момент М, под действием которого ротор приводится во вращение с частотой n₂ в направлении вращения магнитного поля статора. Вращение ротора через вал передается рабочему механизму. Таким образом, электрическая энергия, поступающая из сети в обмотку статора, преобразуется в асинхронном двигателе в механическую энергию вращения.

Отличительный признак асинхронного двигателя состоит в том, что частота вращения n₂ ротора меньше синхронной частоты вращения n₁ магнитного поля статора.

Объясняется это тем, что ЭДС в стержнях обмотки ротора индуцируется только при неравенстве частот вращения n₂ < n₁. Частота вращения поля статора относительно ротора определяется частотой скольжения n_s = n₁ – n₂. Отставание ротора от вращающегося поля статора характеризуется относительной величиной s, называемой скольжением:

                                                                      (2)

Скольжение асинхронного двигателя может изменяться в диапазоне от 0 до 1, т.е. 0-100%. Если s≈0, то это соответствует режиму холостого хода, когда ротор двигателя практически не испытывает противодействующего момента; если s= l - режиму короткого замыкания, при котором ротор двигателя неподвижен (n₂ = 0). Скольжение зависит от механической нагрузки на валу двигателя и с ее ростом увеличивается.

Скольжение, соответствующее номинальной нагрузке двигателя, называется номинальным скольжением. Для асинхронных двигателей малой и средней мощности номинальное скольжение изменяется в пределах от 0,08 до 0,02, т. е. 8-2%.

Частота вращения ротора асинхронного двигателя согласно (2), об/мин,

При изменениях нагрузки на валу двигателя частота вращения n₂ изменяется пропорционально (1- s).