Работа асинхронного двигателя под нагрузкой

В рабочем режиме ротор двигателя вращается с частотой n₂, меньшей частоты n₁ магнитного поля статора, вращающегося в том же направлении, что и ротор. Поэтому магнитное поле, имеющее большую частоту, скользит относительно ротора с частотой (об/мин), равной разности частот поля и ротора, т. е. n_S=n₁-n₂

Относительное отставание ротора от вращающегося магнитного поля статора характеризуется скольжением S.

Скольжение представляет собой отношение разности частот вращения магнитного поля и вращающегося ротора к частоте поля статора:

Эта формула определяет скольжение в относительных единицах. Скольжение может быть также выражено в процентах:

Если ротор неподвижен (n₂=0), то скольжение равно единице или 100%.

Если ротор вращается синхронно с магнитным полем, т. е. с одинаковой частотой (n₁=n₂), то скольжение равно нулю.

Таким образом, чем больше частота вращения ротора, тем меньше скольжение.

В рабочем режиме асинхронного двигателя скольжение мало. У современных асинхронных двигателей скольжение при полной нагрузке составляет 3-5%, т. е. ротор вращается с частотой, незначительно отличающейся от частоты магнитного поля статора.

При холостом ходе, т. е. при отсутствии нагрузки на валу, скольжение ничтожно мало и может быть принято равным нулю.

Частоту вращения ротора можно определить из следующих соотношений:

Двигатель будет работать устойчиво с постоянной частотой вращения ротора при равновесии моментов, т. е. если вращающий момент двигателя М_ДВ будет равен тормозному моменту на валу двигателя М_Т, который развивает приемник механической энергии, например резец токарного станка. Следовательно, можно записать: М_ДВ = М_Т.

Любой нагрузке машины соответствует определенная частота вращения ротора n₂ и определенное скольжение S.

Магнитное поле статора вращается относительно ротора с частотой n_s и индуктирует в его обмотке ЭДС Е₂, под действием которой по замкнутой обмотке ротора проходит ток I₂.

Если нагрузка на валу машины увеличилась, т. е. возрос тормозной момент, то равновесие моментов будет нарушено, так как тормозной момент окажется больше вращающего. Это приведет к уменьшению частоты вращения ротора, а следовательно, к увеличению скольжения. С увеличением скольжения магнитное поле статора будет пересекать проводники обмотки ротора чаще, ЭДС Е₂, индуктированная в обмотке ротора, возрастет, а в результате увеличится как ток в роторе, так и развиваемый двигателем вращающий момент. Скольжение и ток в роторе будут увеличиваться до значений, при которых вновь наступит равновесие моментов, т. е. вращающий момент станет равным тормозному.

Так же протекает процесс изменения частоты вращения ротора и развиваемого момента при уменьшении нагрузки двигателя. С уменьшением нагрузки на валу двигателя тормозной момент становится меньше вращающего, что приводит к увеличению частоты вращения ротора или к уменьшению скольжения. В результате уменьшаются ЭДС и ток в обмотке ротора, а следовательно, и вращающий момент, который вновь становится равным тормозному моменту.

Магнитное поле статора пересекает проводники обмотки статора и индуктирует в ней ЭДС Е₁ которая уравновешивает приложенное напряжение сети U₁.

Если пренебречь падением напряжения в сопротивлении обмотки статора, которое мало по сравнению с ЭДС, то между абсолютными значениями приложенного напряжения и ЭДС обмотки статора можно допустить приближенное равенство, т. е. U₁ = Е_1.

Таким образом, при неизменном напряжении сети будет неизменна и ЭДС обмотки статора. Следовательно, магнитный поток в воздушном зазоре машины, так же как в трансформаторе, при любом изменении нагрузки остается примерно постоянным.

Ток обмотки ротора создает свое магнитное поле, которое направлено противоположно магнитному полю тока обмотки статора. Чтобы результирующий магнитный поток в машине оставался неизменным при любом изменении нагрузки двигателя, размагничивающее магнитное поле обмотки ротора должно быть уравновешено магнитным полем обмотки статора. Поэтому при увеличении тока в обмотке ротора увеличивается и ток в обмотке статора.

Таким образом, асинхронный двигатель подобен трансформатору, у которого при увеличении тока во вторичной обмотке увеличивается ток в первичной обмотке.