Принцип действия и режимы работы асинхронных двигателей

Неподвижная часть асинхронного двигателя — статор — имеет такую же конструкцию, что и статор синхронного генератора (рис. 2). В расточке статора расположена вращающаяся часть двигателя — ротор, состоящий из вала, сердёчника и обмотки (рис. 2). Обмотка ротора представляет собой короткозамкнутую конструкцию, состоящую из восьми алюминиевых стержней, расположенных в продольных пазах сердечника ротора, замкнутых с двух сторон по торцам ротора алюминиевыми кольцами (на рисунке эти кольца не показаны). Ротор и статор разделены воздушным зазором. При включении обмотки статора в сеть трехфазного тока возникает вращающееся магнитное поле статора.

Рис. 2. К принципу действия асинхронного двигателя

Вращающееся поле статора (полюсы S1 и N1) сцепляется как с обмоткой статора, так и с обмоткой ротора и наводит в них ЭДС. При этом ЭДС обмотки статора, являясь ЭДС самоиндукции, действует встречно приложенному к обмотке напряжения и ограничивает значение тока в обмотке. Обмотка ротора замкнута, поэтому ЭДС ротора создает в стержнях обмотки ротора токи. Взаимодействие этих токов с полем статора создает на роторе электромагнитные силы Р, направление которых определяют по правилу «левой руки». Из рис. 2 видно, что силы Т, стремятся повернуть ротор в направление вращения магнитного поля статора. Совокупность сил Р создает на роторе электромагнитный момент М, приводящий его во вращение с частотой n2. Вращение ротора посредством вала передается исполнительному механизму.
Таким образом, электрическая энергия, поступающая из сети в обмотку статора, преобразуется в механическую энергию вращения ротора двигателя.
Направление вращения магнитного поля статора, а следовательно, и направление вращения ротора зависят от порядка следования фаз напряжения, подводимого к обмотке статора. Частота вращения ротора n2, называемая асинхронной, всегда меньше частоты вращения поля i, так как только в этом случае происходит наведение ЭДС в обмотке ротора асинхронного двигателя.
Таким образом, статор синхронной машины не отличается от статора асинхронной машины, и выполняют они одинаковую функцию: при появлении в обмотке статора тока возникает вращающееся магнитное поле и в этой обмотке наводится ЭДС. Именно по этой причине изучение принципа выполнения и конструкции обмоток статора, а также изучение электромагнитных процессов, связанных с наведением в обмотке статора ЭДС и возникновением вращающегося магнитного поля, должно предшествовать изучению специфических вопросов теории асинхронных и синхронных машин.

В соответствии с принципом обратимости электрические машины, асинхронные машины могут работать как в двигательном, так и в генераторном режимах. Кроме того, возможен еще и режим электромагнитного торможения противовключением.
Двигательный режим. При включении обмотки статора в сеть трехфазного тока возникает вращающееся магнитное поле, которое, сцепляясь с короткозамкнутой обмоткой ротора, наводит в ней ЭДС. При этом в стержнях обмотки ротора появляются токи (как на рисунке 2). В результате взаимодействия этих токов с вращающимся магнитным полем на роторе возникают электромагнитные силы. Совокупность этих сил создает электромагнитный вращающий момент, под действием которого ротор асинхронного двигателя приводит во вращение с частотой n2<n1 в сторону вращения поля статора. Если вал асинхронного двигателя механически соединить с валом какого- либо исполнительного механизма ИМ (станка, подъемного крана и т. п.), то вращающий момент двигателя М, преодолев противодействующий (нагрузочный) момент Мнагр. Исполнительного механизма, приведет механизм во вращение, Следовательно, электрическая мощность Р, поступающая в двигатель т сети, в основной своей части преобразуются в механическую мощность Р2 и передается исполнительному механизму ИМ(рис. 3 6).
Весьма важным параметром асинхронной машины является скольжение — величина, характеризующая разность частот вращения ротора и вращающегося поля статора:
S = (n1—n2)/n1 (рис. 3)
Скольжение выражают в долях единицы либо в процентах. В последнем случае величину, полученную по (рис. 3), следует умножить на 100.

Вполне очевидно, что с увеличением нагрузочного момента на валу асинхронного двигателя частота вращения ротора n2 уменьшается Следовательно, скольжение асинхронного двигателя зависит от механической нагрузки навалу двигателя и может изменяться в диапазоне О < S < 1.

Рис. 3. Режимы работы асинхронной машины

Привключении асинхронного двигателя в сеть в начальный момент времени ротор под влиянием, сил инерции неподвижен (n2=О). При этом скольжение S равно единице. В режиме работы двигателя без нагрузки на валу (режим холостого хода) ротор вращается с частотой лишь немного меньшей синхронной частоты вращения n1 и скольжение весьма мало отличается от нуля. Скольжение, соответствующее номинальной нагрузке двигателя, называют номинальным скольжёнием Sном. Для асинхронных двигателей общего назначения = 1-8%, при этом для двигателей большой мощности Sном. = 1%,. а для двигателей малой мощности Sном.= 8%.
Преобразовав выражение, получим формулу для определения асинхронной частоты вращения (об/мин), n2=n1(1—S).

Генераторныйрежим. Еcли обмотку статора включить в сеть, а ротор асинхронной машины посредствомприводногодвигателяПД (двигатель внутреннего сгорания, турбина и т.д.), являющегося источником механической энергии, вращать в направлении вращения магнитного поля статора с частотой n2 > n1, то направление движения ротора относительно поля статора изменится на обратное (по сравнению с двигательным режимом работы этой машины), так как ротор будет обгонять поле статора. При этом скольжение станет отрицательным, а ЭДС, наведенная в обмотке ротора, изменит свое направление. Электромагнитный момент на роторе М также изменят свое направление, т. е. будет направлен встречно вращающемуся магнитному полю статора и станет тормозящим по отношению к вращающемуся моменту приводного двигателя М1 (рис. 3 а). В этом случае механическая мощность приводного двигателя в основной своей части будет преобразована в электрическую активную мощность Р2 переменного тока. Особенность работы асинхронного генератора состоит в том, что вращающееся магнитное поле в нем создается реактивной мощностью трехфазной сети, в которую включён генератор и куда он отдает вырабатываемую активную мощность Р2. Следовательно, для работы. асинхронного генератора необходим источник переменного тока, при подключения ккоторомупроисходитвозбуждение генератора, т е в нем возбуждается вращающееся магнитное поле.

Режимторможенияпротивовключением.Если у работающего трехфазного асинхронного двигателя поменять местами любуюпару подходящих к статору из сети присоединяющих проводов, то вращающееся поле статора изменит направление вращения наобратное. Приэтомроторасинхронной машины под действием сил инерции будет продолжать вращение в прежнем направлении. Другими словами, ротор и поле статораасинхронной машины будут вращаться в противоположных направлениях. В этих условиях электромагнитный моментмашины, направленный в сторону вращения поля статора, будет оказывать на ротор тормозящее действие (рис 3, в). Этот режим работы асинхронной машины называется электромагнитным торможением противовключением. Активная мощность, поступающая из сети в машину при этом режиме, частично затрачивается накомпенсацию механической мощности вращающегося ротора, то есть на его торможение. В режиме электромагнитного торможения частота вращения ротора является отрицательной, а поэтому скольжение приобретает положительные значения больше единицы

S=[n1 —(—n2)]/n1 =(n1 + n2)/n1 >1

Скольжение асинхронной машины в режиме торможения противовключением может изменяться в диапазоне от 1 до бесконечности, т. е. оно может принимать любые положительные значения больше единицы.
Обобщая изложенное о режимах работы асинхронной машины, можно сделать вывод: характерной особенностью работы асинхронной машины является неравенство частот вращения магнитного поля статора n1 и ротора n2, т. е. наличие скольжения, так как только в этом случае вращающееся магнитное поле наводит в обмотке ротора ЭДС и на роторе возникает электромагнитный момент. При этом каждому режиму работы асинхронной машины соответствует определенный диапазон изменений скольжения, а следовательно, и частоты вращения ротора.
Из рассмотренных режимов работы наибольшее практическое применение получил двигательный режим асинхронной машины, т. е. чаще используют асинхронные двигатели, которые составляют основу современного электропривода, выгодно отличаясь от других электродвигателей простотой конструкции и высокой надежностью. Поэтому теорию асинхронных машин принято излагать применительно к асинхронным двигателям.