Принцип действия асинхронного двигателя

 

Асинхронная машина – это машина переменного тока, у которой частота вращения ротора отличается от частоты вращения магнитного поля статора.

В большинстве случаев асинхронная машина используется как двигатель. Наиболее широкое распространение нашли трехфазные асинхронные двигатели, двигатели с однофазной обмоткой, как правило, выполняются небольшой мощности (примерно до 0,5 кВт).

Конструктивно асинхронный двигатель состоит из двух частей: неподвижной – статора и вращающейся – ротора.

Статор трехфазного двигателя представляет собой полый цилиндр, набранный из листов электротехнической стали, на внутренней поверхности которого имеются пазы. Внутрь пазов укладывается обмотка, которая может соединяться звездой или треугольником. Она состоит из отдельных катушек (секций), которые объединены в три фазы. В двухполюсных машинах фазы на статоре располагаются со сдвигом в пространстве под углом в 120°.

Внутри статора находится ротор, в пазах которого также размещается обмотка. В зависимости от исполнения этой обмотки асинхронные двигатели делятся на двигатели с фазным и короткозамкнутым ротором. На практике наибольшее распространение имеют последние, в них обмотка ротора выполняется в виде «беличьей клетки».

При питании обмотки статора трехфазным током создается вращающееся магнитное поле (поток Ф), частота вращения которого (синхронная)

n ₁ = 60 f ₁/ p, (2.1)

где f ₁ – частота тока сети;

p – число пар полюсов статорной обмотки.

Вращающееся поле статора индуктирует в проводниках ротора ЭДС (направление ЭДС определяется по правилу правой руки), и по ним протекает ток. Активная составляющая этого тока совпадает по фазе с ЭДС. В результате взаимодействия отмеченного тока с потоком статора создается электромагнитная сила (ее направление определяется по правилу левой руки) и электромагнитный момент М, под действием которого ротор приходит во вращение с частотой n в ту же сторону, что и поток Ф. Относительную разность частот вращения статорного магнитного поля и ротора обозначают через s и называют скольжением:

, (2.2)

последнее часто выражают в процентах

. (2.3)

2.1.2 Асинхронный двигатель при неподвижном роторе

Электромагнитные процессы в асинхронном двигателе с заторможенным ротором аналогичны процессам, происходящим в трансформаторе. Если к обмотке статора подвести напряжение сети U ₁, а обмотку ротора разомкнуть (например, в двигателе с фазным ротором с помощью подъема щеток), то вращающееся поле статора, пересекая обмотки статора и ротора, индуктирует в них фазные ЭДС Е ₁ и Е ₂:

Е ₁ = 4,44 f ₁ w ₁k_об1Ф_m; (2.4)

Е ₂ = 4,44 f ₁ w ₂k_об2Ф_m, (2.5)

где f ₁ – частота тока сети;

w ₁, w ₂ – числа витков фазных обмоток статора и ротора;

k _об1, k _об2 – обмоточные коэффициенты соответствующих обмоток;

Ф_m – амплитудное значение основного магнитного потока.

Рассмотренный режим аналогичен режиму холостого хода трансформатора. Однако относительное значение тока холостого хода у асинхронного двигателя больше, чем у трансформатора из-за двойного воздушного зазора между статором и ротором, который увеличивает магнитные потоки рассеяния. На основании второго закона Кирхгофа для одной фазы статорной обмотки можно записать следующее уравнение

U ₁ = - E ₁ + j I ₀ x ₁ + I ₀ r ₁, (2.6)

где U ₁ – фазное напряжение источника питания;

Е ₁ – фазная ЭДС статорной обмотки;

I ₀ – ток холостого хода;

x ₁ – индуктивное сопротивление рассеяния фазной обмотки статора;

r ₁ – активное сопротивление этой обмотки.

Коэффициент трансформации ЭДС асинхронного двигателя

. (2.7)

Если роторную обмотку двигателя замкнуть, а сам ротор затормозить, то двигатель будет работать в режиме короткого замыкания. Относительное значение напряжения короткого замыкания, при котором I _1К = I _1Н у двигателя больше, чем у трансформатора из-за больших магнитных потоков рассеяния.

Физическая сущность явлений при коротком замыкании асинхронного двигателя та же, что и в трансформаторе. Если пренебречь для режима короткого замыкания МДС, создающей основной магнитный поток, то можно записать

F ₁= – F ₂, (2.8)

где F ₁ и F ₂ – намагничивающие силы статорной и роторной обмоток;

F ₁ = 0,9 m ₁ w ₁ k _об1 I ₁, (2.9)

F ₂ = 0,9 m ₂ w ₂ k _об2 I ₂, (2.10)

где m ₁ и m ₂ – числа фаз соответствующих обмоток.

Из равенства МДС F ₁ и F ₂ можно определить коэффициент трансформации токов при m ₁ = m ₂ ,

k_i = .

По аналогии с трансформатором обмотку ротора приводят к числу фаз и числу витков обмотки статора. Для приведенной асинхронной машины имеем следующие параметры:

E ₂¢ = Е ₁ = Е ₂ k _E;

I ₁ = I ₂¢ = I ₂/ k _i; (2.11)

r ₂¢ = r ₂ k _E k _i;

x ₂¢ = x ₂ k _E k _i;

r _k = r ₁ + r ₂¢;

x _k = x ₁ + x ₂¢.