Принцип действия асинхронного двигателя

Из истории

Приоритет в создании асинхронного двигателя принадлежит Николе Тесла, который в Будапеште весной 1882 г. решил проблему создания вращающегося магнитного поля при помощи неподвижной многофазной обмотки переменного тока, а в 1884 г. в Страсбурге продемонстрировал действующую модель своего двигателя. Вклад в развитие асинхронных двигателей внес Галилео Феррарис, который в 1885 г. В Италии построил модель асинхронного двигателя мощностью 3 Вт. В 1888 г. Феррарис опубликовал свои исследования в статье для Королевской Академии Наук в Турине, в которой изложил теоретические основы асинхронного двигателя. Заслуга Феррариса в том, что сделав ошибочный вывод о небольшом к.п.д. асинхронного двигателя и о нецелесообразности применения систем переменного тока, он привлек внимание многих инженеров к проблеме совершенствования асинхронных машин. Статья Галилео Феррариса, опубликованная в журнале «Атти ди Турино», была перепечатана английским журналом и была прочитана в июле 1888 г. выпускником Дармштадтского Высшего технического училища, выходцем из России Михаилом Осиповичем Доливо-Добровольским. Уже в 1889 г. Доливо-Добровольский получил патент на трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором типа «беличья клетка», а в 1890 г. — патенты в Англии № 20425 и Германии № 75361 на трёхфазный асинхронный двигатель с фазным ротором. Данные изобретения открыли эру массового индустриального применения электрических машин. В настоящее время асинхронный двигатель является самым распространенным электродвигателем.

Принцип действия асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель состоит из неподвижной части статора 1 (рис.1, а), на котором расположены обмотка 2 статора, и вращающейся части — ротора 3 с обмоткой 4. Между ротором и статором имеется воздушный зазор, который для улучшения магнитной связи между обмотками делают по возможности малым. Обмотка 2 статора представляет собой трехфазную или в общем случае многофазную обмотку, катушки которой размещают равномерно вдоль окружности статора. Фазы этой обмотки А-Х, B-Y и C-Z размещены равномерно по окружности статора; они соединяются «звездой» (рис.1,б) или «треугольником» и подключаются к сети трехфазного тока. Обмотку 4 размещают равномерно вдоль окружности ротора. При работе двигателя она замкнута накоротко.

Рис.1. Электромагнитная схема асинхронного двигателя (а), схема включения его обмоток (б) и пространственное распределение вращающего магнитного поля (в) в двухполюсной машине

При подключении обмотки статора к сети создается синусоидально распределенное вращающееся магнитное поле 5 (рис.1, в). Оно индуцирует в обмотках статора и ротора ЭДС e₁ и е₂. Под действием ЭДС е₂ по проводникам ротора будет проходить электрический ток i₂. На рис. 248, а показано согласно правилу правой руки направление ЭДС е₂, индуцированной в проводниках ротора при вращении магнитного потока Ф, по часовой стрелке (при этом проводники ротора перемещаются относительно потока Ф против часовой стрелки). Если ротор неподвижен или частота его вращения п меньше синхронной частоты n₁, активная составляющая тока ротора совпадает по фазе с индуцированной ЭДС е₂, при этом условные обозначения (крестики и точки) показывают одновременно и направление активной составляющей тока i₂.

На проводники с током, расположенные в магнитном поле, действуют электромагнитные силы, направление которых определяется правилом левой руки. Суммарная сила F_рез, приложенная ко всем проводникам ротора, образует электромагнитный момент М, увлекающий ротор за вращающимся магнитным полем. Если этот момент достаточно велик, то ротор приходит во вращение и его установившаяся частота вращения соответствует равенству электромагнитного момента М тормозному, приложенному к валу от приводимого во вращение механизма и внутренних сил трения.

ЭДС, индуцированная в проводниках обмотки ротора, зависит от частоты их пересечения вращающимся полем, т.е. от разности частот вращения магнитного поля n₁ и ротора n. Чем больше разность n₁— n, тем больше ЭДС е₂. Следовательно, необходимым условием для возникновения в асинхронной машине электромагнитного вращающего момента является неравенство частот вращения n₁ и n. Только при этом условии в обмотке ротора индуцируется ЭДС и возникает ток i и электромагнитный момент М. По этой причине машина называется асинхронной (ротор ее вращается несинхронно с полем). Иногда ее называют индукционной ввиду того, что ток в роторе возникает индуктивным путем, а не подается от какого-либо внешнего источника.

Для характеристики отставания частоты вращения ротора двигателя от частоты вращения магнитного поля служит скольжение, его выражают в относительных единицах или процентах:

s = (n₁— n) /n₁ или s = [(n₁— n) /n₁] 100% (1)

Если, например, четырехполюсный двигатель имеет s = 4%, то частота вращения его ротора равна 1440 об/мин (частота вращения поля при частоте 50 Гц составляет 1500 об/мин, а отставание ротора от частоты поля равно 4 % от 1500 об/мин, т. е. 60 об/мин). В двухполюсном двигателе при s = 4% частота вращения ротора составляет 2880 об/мин (3000—0,04*3000 = 2880).

Частота вращения ротора, выраженная через скольжение,

n = n₁(1 – s) (2)

По своей конструкции различают двигатели с фазным ротором (с контактными кольцами) и с короткозамкнутым ротором. Они имеют одинаковую конструкцию статора и отличаются выполнением ротора. Пусковые свойства этих двигателей различны.