Принцип действия асинхронных двигателей

Асинхронный двигатель также состоит из двух основных частей – статора и ротора. Статор устроен так же, как в синхронных машинах. Концы обмотки статора выведены в коробку зажимов и обозначены так:

C₁ - C₄ – начало и конец первой фазы обмотки.

C₂ - C₅ – начало и конец второй фазы.

C₃ – C₆ – начало и конец третьей фазы.

К обмотке статора (якоря) подводится питание от трехфазной сети переменного тока.

Ротор асинхронного двигателя имеет шихтованный цилиндрический сердечник, на наружной поверхности которого предусмотрены продольные пазы, в которые помещают проводники короткозамкнутой обмотки ротора. Она может быть двух типов: короткозамкнутая литая обмотки типа «беличья клетка» и фазная, которая выполняется так же, как обмотка статора. Чаще применяется первый вариант конструкции обмотки ротора. В этом случае обмотку выполняют методом литья под давлением из алюминиевых сплавов или методом сварки из медных стержней и колец, чтобы получилась конструкция, имеющая вид беличьего колеса, показанного на рисунке 8.

Стержни – активные части обмотки – расположены в пазах ротора. Кольца замыкают накоротко все активные стержни и расположены по торцам ротора. Для машин небольшой мощности заодно с кольцами отливают лопасти крылатки вентилятора, а также приливы для балансировки ротора.

Фазную обмотку выполняют из медных изолированных от ротора проводников, соединяют по схеме «Звезда» без нулевого провода, а начала фаз выводят на три изолированных от вала и от друг друга контактные кольца. В этом случае двигатель должен быть снабжен специальным щеточным устройством, обеспечивающим скользящий контакт между фазами обмотки ротора и регулировочными сопротивлениями или устройством, замыкающим обмотку ротора накоротко.

Действие асинхронного двигателя основано на явлении электромагнитной индукции. Трехфазная обмотка статора, включенная в сеть питания, создает вращающееся магнитное поле, которое замыкается по статору и ротору. При этом оно пересекает как проводники обмотки статора, так и проводники обмотки ротора, наводя в них ЭДС. В обмотке статора ЭДС является электродвижущей силой самоиндукции, которая направлена навстречу приложенному напряжению сети питания.

Эта ЭДС ограничивает величину тока в обмотке статора. ЭДС обмотки ротора является ЭДС взаимной индукции. Она направлена соответственно правилу правой руки и создает в проводниках обмотки ротора токи, величина которых очень большая, поскольку обмотка ротора замкнута накоротко. Токи обмотки ротора взаимодействуют с магнитным полем, созданным обмоткой статора, и создают электромагнитные силы F, направление которых соответствует правилу левой руки. Силы приводят ротор во вращение в том же направлении, куда вращается магнитное поле статора. Получается, что поле статора как бы увлекает за собой ротор. Это хорошо видно на рисунке 9, где магнитное поле статора показано схематически.

Совокупность электромагнитных сил, приложенных к проводникам ротора, образует электромагнитный момент М, который начнет вращать ротор, преодолевая момент сопротивления М_с на валу двигателя, созданный силами трения и силами сопротивления исполнительного механизма, присоединенного к двигателю.

Частота вращения ротора n < n₁ всегда меньше частоты вращения магнитного поля статора , поскольку только при этом условии возможно пересечение стержней обмотки ротора магнитным полем

статора и наведение в них ЭДС и токов. По этой причине электродвигатели такого типа называют асинхронными двигателями. Поскольку между обмотками статора нет электрической связи, а есть только индуктивная, асинхронные двигатели называют иногда индукционными двигателями.

Следует отметить, что разность частот вращения поля статора n₁ и ротора n по мере разгона ротора уменьшается. Следовательно, уменьшается и скорость пересечения проводников обмотки ротора магнитным полем статора. При этом уменьшается ЭДС и токи в проводниках обмотки ротора и соответствующие им электромагнитные силы. Эти изменения прекращаются, когда вращающий электромагнитный момент М двигателя станет равен моменту сопротивления М_с.

Разность частот вращения статора n₁ и ротора n называют частотой скольжения n_s = n₁ – n, а относительную величину, равную называют скольжением асинхронного двигателя. Эти величины используют для оценки режимов работы двигателя.

Нетрудно заметить, что при пуске двигателя, когда n = 0 скорость скольжения равна n_s = n₁ скорости поля статора, а скольжение s = 1. При идеальном холостом ходе, когда n = n₁ скорость скольжения n_s = 0 и скольжение s = 0. Но в этом случае и ЭДС обмотки ротора, и токи в ней, и вращающий момент двигателя отсутствуют. Ротор начнет уменьшать частоту вращения. Таким образом, при нормальной работе двигателя 0 < s < 1.

Отметим также, что частота токов в обмотке ротора f₂ также определяется скоростью скольжения n_S и числом пар полюсов обмотки статора р по формуле т.е. пропорциональна скольжению ротора.

Поскольку обмотка ротора создает свое магнитное поле, вращающееся относительно ротора с частотой вращения , то можно определить частоту вращения этого поля в пространстве. Она равна сумме частот вращения ротора n и поля ротора по ротору n₂, т.е.

Таким образом, магнитные поля, созданные обмотками статора и ротора вращаются в пространстве с одинаковыми скоростями, т.е. синхронно. Это обстоятельство является обязательным условием взаимодействия этих магнитных полей.

Увеличение нагрузки асинхронного двигателя осуществляется увеличением момента сопротивления М_с на валу. При этом уменьшится частота вращения ротора n, возрастут частота скольжения n_S, скольжение s, ЭДС обмотки ротора и токи в ней, возрастет вращающий момент двигателя М. При этом возрастут токи в обмотке статора и энергия, поступающая в двигатель из сети. Таким образом, скольжение s играет роль регулятора мощности асинхронного двигателя при изменении его нагрузки.

6. Устройство и принцип действия машин постоянного тока