6.2.2. Принцип действия асинхронного двигателя

Рассмотрение принципа действия асинхронного двигателя можно разделить на два этапа: первый этап – создание обмоткой статора вращающегося магнитного поля, второй этап – взаимодействие вращающегося магнитного поля с обмоткой ротора.

Магнитное поле асинхронного двигателя

Симметричная трехфазная обмотка статора подключена к трехфазному источнику. При этом фазные токи симметричны, т.е. одинаковы по величине и отличаются по фазе на часть периода. Временная диаграмма фазных токов показана на рис. 6.2.15.

Обмотка статора с симметричным трехфазным током создает магнитное поле, распределенное в магнитной цепи асинхронного двигателя. Для анализа характера магнитного поля рассмотрим распределение его силовых линий в разные моменты времени, обозначенные на рис. 6.2.15 t₁, t₂, t₃, t₄ через равные промежутки t=T/3.

Рис. 6.2.15. Временная диаграмма фазных токов обмотки статора

Распределение силовых линий магнитного поля определяется направлением токов в проводниках обмотки статора, расположенных в его пазах. Для построения силовых линий магнитного поля удобно воспользоваться схематичным изображением магнитной цепи, подобно рис. 6.2.5 (рис. 6.2.16). Здесь каждая фаза трехфазной обмотки представлена одним витком, стороны которого находятся в диаметрально расположенных пазах. Три фазы смещены относительно друг друга по окружности на 120⁰. Проводники, соответствующие началам фаз, обозначены символами А, В, С, концы фаз – X, Y, Z. На рис. 6.2.16 показаны силовые линии магнитного поля для трех моментов времени.

t₁ t₂ t₃

Рис. 6.2.16. Силовые линии магнитного поля асинхронного двигателя

в разные моменты времени

Направления токов в проводниках определяются их значениями в соответствии с временной диаграммой на рис. 6.2.15. В частности, в момент времени t₁ ток фазы А положителен (i_A>0). На рис. 6.2.16 положительному значению тока соответствует направление за плоскость рисунка, которое обозначено в начале фазы А знаком «+». В конце этой фазы X ток отрицателен, т.е. имеет обратное направление, которое обозначено знаком «». Аналогично обозначены токи двух других фаз, которые в соответствии с временной диаграммой в этот момент времени имеют отрицательные значения (i_B<0, i_C<0). Как видно на рис. 6.2.16, в момент времени t₁ токи симметричной трехфазной обмотки распределились так, что образуют две группы соседних проводников с одинаковым направлением токов. Силовые линии охватывают две группы проводников с одинаковым направлением токов, образуя внутри машины двухполюсное магнитное поле. Направление силовых линий определяется направлением токов в проводниках по правилу буравчика и указано на рисунке.

Поскольку ток трехфазной обмотки переменный, очевидно магнитное поле, создаваемое этим током также изменяется. В частности, в момент времени t₂ фазные токи в соответствии с временной диаграммой: i_A<0, i_B>0, i_C<0. При этом распределение токов в проводниках обмотки статора и силовые линии магнитного поля имеют вид как на рис. 6.2.16 для момента времени t₂. Аналогично построена картина магнитного поля для момента времени t₃, когда i_A<0, i_B<0, i_C>0.

Как видно на рис. 6.2.16, при питании обмотки статора трехфазным током создается двухполюсное магнитное поле. С изменением фазных токов это магнитное поле поворачивается в пространстве. При этом через равные промежутки времени (t=T/3) магнитное поле поворачивается в пространстве на равный угол (1/3 часть окружности). В момент времени t₄ распределение токов в обмотке и магнитное поле повторяет момент t₁,

Таким образом, симметричная трехфазная обмотка статора асинхронного двигателя, потребляющая от трехфазного источника симметричные фазные токи, создает равномерно вращающееся в пространстве магнитное поле.

Направление вращения магнитного поля определяется последовательностью чередования фазных токов. При смене чередования фазных токов трехфазной обмотки направление вращения магнитного поля также меняется на противоположное. Практически это осуществляется переключением фаз обмотки статора с прямого чередования на обратное.

Частота вращения магнитного поля n₀ зависит от частоты тока источника f. Как было показано, за один период изменения тока во времени магнитное поле поворачивается на один оборот. С увеличением частоты тока магнитное поле поворачивается на один оборот за меньшее время. Это означает, что частота вращения магнитного поля пропорциональна частоте тока в обмотке (n₀  f).

Рис. 6.2.16 иллюстрирует создание магнитного поля простейшей трехфазной обмоткой, в которой каждая фаза образована одной катушкой со сторонами, находящимися в диаметрально противоположных пазах. Как видно, такая обмотка создает двухполюсное магнитное поле. Конструкция обмотки может содержать большее количество катушек, иначе расположенных в пазах сердечника статора. Например, на рис. 6.2.17 показано схематичное изображение трехфазной обмотки асинхронного двигателя, где каждая фаза содержит по две катушки.

а б

Рис. 6.2.17. Четырехполюсная обмотка асинхронного двигателя

Начала этих катушек находятся в диаметрально расположенных пазах, а ширина катушки равна ¼ части окружности. Распределение токов и магнитных силовых линий в момент времени t₁ показано на рис. 6.2.17б. Как видно, такая обмотка создает четырехполюсное магнитное поле. При этом за один период изменения тока во времени магнитное поле поворачивается лишь на ½ окружности, т.е. частота вращения магнитного поля в 2 раза меньше. Конструкция обмотки статора может быть еще более сложной и содержать в каждой фазе еще большее количество катушек. При этом число полюсов создаваемого магнитного поля еще больше, а частота вращения – меньше. Частота вращения магнитного поля обатно-пропорциональна количеству полюсов. Количество полюсов создаваемого магнитного поля характеризуют параметром, называемым число пар полюсов (p).

Таким образом, частота вращения магнитного поля асинхронного двигателя определяется двумя параметрами: частотой тока в обмотке статора f и числом пар полюсов p:

, [об/мин]. (6.2.1)

Например, в табл. 6.2.1 приведены значения частоты вращения магнитного поля при разном числе пар полюсов обмотки при стандартной частоте тока f=50Гц.

Табл. 6.2.1

p	1	2	3	4	5
n0 , об/мин	3000	1500	1000	750	600

Взаимодействие вращающегося магнитного поля с обмоткой ротора

Электромагнитный вращающий момент асинхронного двигателя создается при взаимодействии вращающегося магнитного поля с обмоткой ротора. Рис. 6.2.18 иллюстрирует процессы, происходящие при этом взаимодействии.

Рис. 6.2.18. Взаимодействие вращающегося магнитного поля с обмоткой ротора

Здесь показаны стержни короткозамкнутой обмотки ротора. Вращающееся магнитное поле, связанное с ротором, представлено его силовыми линиями с индукцией В, направленными сверху вниз. Направление вращения магнитного поля – по часовой стрелке с частотой вращения n₀. При вращении магнитного поля его силовые линии пересекают проводники обмотки ротора. При этом проявляется индукционное действие магнитного поля. Согласно закона электромагнитной индукции в проводнике, движущемся в магнитном поле (относительно магнитного поля), индуцируется ЭДС e₂. Величина этой ЭДС определяется интенсивностью магнитного поля (индукцией В) и скоростью движения проводника относительно магнитного поля v:

, (6.2.2)

где l – длина проводников обмотки ротора.

Направление ЭДС e₂ в проводнике определяется по правилу правой руки. При этом необходимо иметь в виду, что вектор скорости определяется направлением движения проводника относительно магнитного поля. Например, на рис. 6.2.18 магнитное поле вращается по часовой стрелке. При этом относительно верхних проводников силовые линии движутся вправо. Это эквивалентно направлению движения проводника относительно магнитного поля влево, т.е. вектор скорости относительного движения проводника следует направить влево. С учетом этого направление ЭДС индукции в верхних проводниках обмотки ротора – из-за плоскости рисунка, а в нижних проводниках – за плоскость рисунка. Эти направления обозначены условными знаками «+» и «». В короткозамкнутой обмотке ротора все стержни включены в замкнутую электрическую цепь посредством короткозамыкающих колец. В каждом стержне под действием ЭДС е₂ возникает ток ротора (вторичный ток) i₂ того же направления, что и ЭДС. Величина этого тока определяется величиной ЭДС е₂ и полным сопротивлением обмотки ротора Z₂:

. (6.2.3)

При возникновении тока в обмотке ротора проявляется силовое действие магнитного поля, т.е. на проводники с током, находящиеся в магнитном поле, действует электромагнитная сила F_эм. Величина этой силы определяется интенсивностью магнитного поля (индукцией В) и величиной тока i₂:

. (6.2.4)

Направление действия электромагнитной силы определяется в соответствии с правилом левой руки. При направлениях силовых линий и токов в обмотке ротора, показанных на рис. 6.2.18, направление электромагнитной силы, действующей на верхние проводники, - вправо, а на нижние – влево. Силы, действующие на все проводники обмотки ротора, складываясь, создают электромагнитный вращающий момент М_эм , направленный по часовой стрелке.

, (6.2.5)

где D₂ – диаметр ротора;

N₂ – число проводников обмотки ротора.

По действием этого вращающего момента ротор вращается с частотой вращения n в том же направлении, что и магнитное поле. При этом двигатель, вращая приводной механизм, совершает механическую работу. Для осуществления реверса (изменения направления вращения) необходимо поменять направление вращения магнитного поля. Для этого достаточно переключить обмотку статора так, чтобы изменить последовательность чередования фаз на противоположную.

Таким образом, асинхронный двигатель, обмотка статора которого подключена к трехфазному источнику электроэнергии, создает электромагнитный вращающий момент и совершает механическую работу. Т.е. асинхронный двигатель преобразует электрическую энергию в механическую.

Необходимым условием создания электромагнитного момента является неравенство частоты вращения ротора n и магнитного поля n₀. Если ротор вращается с такой же частотой вращения, как и магнитное поле (n=n₀), то проводники обмотки ротора относительно магнитного поля неподвижны, т.е. скорость относительного движения v=0. Тогда в соответствии с (6.2.2) ,(6.2.3) ЭДС е₂ в обмотке ротора равна нулю, и тока в обмотке нет (i₂=0). В соответствии с (6.2.4) электромагнитная сила не создается (F_эм=0) и электромагнитный вращающий момент равен нулю. Т.е. механическая энергия не создается. Такой режим работы асинхронного двигателя называется холостой ход. Частота вращения ротора, равная частоте вращения магнитного поля, называется синхронной.

При частоте вращения ротора, меньшей синхронной (n<n₀), относительная скорость v0 и в соответствии с (6.2.2), (6.2.3), (6.2.4) создается электромагнитный вращающий момент, не равный нулю, который определяет механическую мощность двигателя.

Таким образом, для создания вращающего электромагнитного момента ротор и магнитное поле должны вращаться асинхронно. В связи с этим двигатель носит название асинхронный. Разница между величинами частоты вращения ротора и магнитного поля характеризуется параметром, называемым скольжение (s). Скольжение определяется соотношением:

. (6.2.6)

В режиме холостой ход, когда частота вращения ротора максимальна и равна синхронной, скольжение s=0. При неподвижном роторе, когда его частота вращения равна нулю (n=0) скольжение s=1. Таким образом, во всем возможном диапазоне частоты вращения (от нуля до синхронной) скольжение меняется от s=1 до s=0. Поэтому скольжение удобно использовать для характеристики режима работы асинхронного двигателя.