Принцип действия асинхронного двигателя

Работа двигателя основана на принципе воздействия вращающегося магнитного поля на приспособленную для вращения короткозамкнутую обмотку.

Вращающееся магнитное поле, создаваемое обмотками статора, пересекая проводники обмотки ротора, индуктирует в них ЭДС.

Под действием индуктированных ЭДС по проводникам ротора будет проходить электрический ток. В результате взаимодействия тока ротора с вращающимся магнитным полем возникает электромагнитные силы, действующие на обмотку ротора. Суммарные действия этих сил создает вращающий момент, который приводит ротор во вращение в направление магнитного поля.

Величина ЭДС индуктированной в проводниках обмотки ротора, зависит от частот их пересечения вращающимся магнитным полем, т.е от разности частот вращения магнитного поля n₁ и ротора n₂. Чем больше разность (n₁-n₂), тем больше величина ЭДС.

Частота вращения ротора n₂ будет всегда меньше синхронной частоты n₁, т.е ротор всегда отстает от поля статора. Разность между частотами поля статора n₁ и поля ротора n₂ называется частотой скольжения ∆n. ∆n= n₁- n₂

Следовательно, необходимым условием для возникновения в асинхронной машине электромагнитного вращающегося момента является неравенство частот вращения n₁ и n₂. Только при этом условии в обмотке ротора индуктируется ЭДС и возникает ток ротора. По этой причине машина называется асинхронной (Ротор ее вращается несинхронно с полем).

Понятие «скольжение»

Чтобы охарактеризовать отставание частоты вращения ротора двигателя от частоты вращения магнитного поля, введено понятие скольжение. Отношение частоты скольжения к частоте поля называется скольжением. Скольжение S выражают в процентах от частоты вращения магнитного поля.

Частота вращения ротора, выраженная через скольжение, определяется формулой;

Направление вращения ротора асинхронного двигателя определяется направлением вращения его магнитного поля, а направление вращения магнитного поля обуславливается последовательностью фаз (А, В, С) трехфазной сети. Для изменения направления вращения двигателя (рис.12) достаточно изменить направление вращения магнитного поля, создаваемого обмотками статора. Это достигается изменением порядка поступления импульсов тока в отдельные обмотки. Например: если импульсы тока будут поступать в обмотки статора в следующем порядке: фаза А, фаза В, фаза С, то ротор двигателя будет вращаться по часовой стрелки. Если изменить порядок поступления импульсов тока и подавать их в последовательности: фаза В, фаза А. фаза С, то ротор двигателя начнет вращаться против часовой стрелки.

Рис. 12 Изменение направления вращения

При пуске двигателя вращающееся магнитное поле пересекает обмотку ротора с большой скоростью и индуктирует в ней значительную ЭДС (Е₂), которая создает в коротко замкнутом роторе большой пусковой ток. Соответственно и в обмотке статора также возникает значительный пусковой ток. По мере того, как скорость ротора возрастает, уменьшается Е₂, индуктируемая в нем ЭДС, а вместе с ней уменьшаются токи ротора и статора. В конце пуска ненагруженного двигателя сила тока ротора должна быть такой, чтобы вращающий момент, развиваемый двигателем покрывал все его механические потери от трения в подшипниках.

Если нагрузить уже вращающийся асинхронный двигатель, то механический тормозящий момент на валу двигателя сначала окажется больше вращающего момента и ротор уменьшитскорость вращения n₂. Соответственно возрастает разность скоростей (n₁-n₂), т.е увеличится скольжение.

Вращающиеся поле будет пересекать ротор с относительно большой скоростью и индуктировать в роторе большую ЭДС (Е₂).

Возрастание ЭДС (Е₂) вызовет увеличение тока в роторе. Пропорционально силе тока в роторе возрастет вращающий момент и уравновесит тормозящий момент нагрузки на валу двигателя. Одновременно увеличение силы тока ротора вызовет соответствующее повышение силы тока статора, в результате возрастет и потребление мощности двигателя из сети. Таким образом с увеличением нагрузки на валу двигателя возрастает скольжение, сила тока статора и потребление мощности двигателя из сети.

Скорость вращения ротора асинхронного двигателя определяется:

, об/мин.

При пуске асинхронной тяговой машины необходимо регулировать уровень и частоту трехфазного напряжения, питающего его обмотки, которое осуществляется трехфазным автономным инвертором напряжения.Асинхронные двигатели бывают короткозамкнутые и с фазовым ротором. У короткозамкнутых двигателей обмотка ротора замкнута накоротко так называемая «беличья клетка». Короткозамкнутые двигатели имеют сравнительно небольшой пусковой момент при значительном пусковом токе в статоре и роторе. Пусковой ток статора короткозамкнутого двигателя в 6-7 раз превышает ток статора при нормальной работе его с полной нагрузкой.

Большим достоинством асинхронных короткозамкнутых двигателей является простота их устройства. В асинхронном двигателе электрическая энергия, потребляемая из сети, за вычетом потерь в двигателе, преобразуется в механическую энергию, используемую для приведения во вращение машины, станка или механизма, соединенного с валом двигателя.