Принцип действия трехфазного асинхронного двигателя.

Трехфазный асинхронный двигатель, схематично показан на рис. 3, - это двухполюсный двигатель с короткозамкнутым ротором.

При подаче трехфазного напряжения на зажимы статорной обмотке в его магнитной системе, как уже отмечалось выше, возникает вращающееся магнитное поле с полюсами N₀ – S₀, эквивалентное полю постоянного магнита.

Для рассмотрения принципа действия двигателя условно заменим вращающееся магнитное поле статора полем постоянного магнита, который будем вращать по часовой стрелке (рис. 3, а), а короткозамкнутым витком (рис. 3, б), закрепленным на осях с возможностью вращения.

Рис. 3. Конструктивная схема трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

1 – сердечник статора; 2 – обмотка статора; 3 – короткозамыкающее кольцо обмотки ротора; 4 – рабочие стержни обмотки ротора; 5 – вал; 6 - сердечник

Рис. 4. Условное обозначение асинхронного двигателя для объяснения принципа действия: а – вид спереди; б – вид сбоку

В момент запуска двигателя, когда ротор (изображаемый короткозамкнутым витком) неподвижен, а внешнее магнитное поле начало вращаться, силовые линии этого поля пересекают обмотки ротора и наводят в ней ЭДС, направление которой можно определить, используя правило правой руки.

Напомним его: «Если правую руку расположить так, чтобы силовые линии входили в ладонь, а отогнутый большой палец показывал направление движения проводника относительно магнитного поля, то вытянутые четыре пальца покажут направление наведенной ЭДС».

Обратим внимание на то, что в данном случае относительно движущегося по часовой стрелке магнитного поля проводник (будучи пока неподвижным) как бы перемещается в противоположном направлении. Поэтому, согласно правилу правой руки, в верхней части витка ЭДС будет направлен к нам, а в нижней части витка – от нас.

Так как ЭДС возникает в замкнутом витке, то под ее действием пойдет электрический ток, практический совпадающий по фазе с ЭДС.

Проводник же с током, находящийся в магнитном поле, будет из него выталкиваться в направлении, определенном правилом левой руки:

«Если расположить левую руку так, чтобы силовые линии входили в ладонь, а четыре вытянутых пальца показывали направление тока в проводнике, то отогнутый большой палец покажет направление выталкивающей силы, действующей на проводник».

Если применить это правило, то окажется, что верхний проводник выталкивается из поля вправо, а нижний – влево т.е. электромагнитные силы, приложенные к неподвижному ротору, создают пусковой момент, стремящийся повернуть ротор в направлении движения магнитного поля.

Когда электромагнитный момент, действующий на неподвижный ротор, превышает тормозной момент на валу, ротор получает ускоренное движение в направлении вращения магнитного поля двигателя.

По мере возрастания частоты вращения n₁ относительная разность частот n₁-n₂ сокращается, вследствие чего уменьшаются величины ЭДС и тока в проводниках ротора, что влечет за собой соответствующее уменьшение вращающего момента.

Процессы изменения ЭДС, тока, момента и частот вращения ротора прекратятся, как только наступит устойчивое равновесие между электромагнитным моментом, вызывающим вращение ротора, и тормозным моментом (моментом сопротивления) создаваемым производственным механизмом, который приводится в движение электродвигателем. При этом ротор машины будет вращаться с постоянной частотой n₂, в короткозамкнутых контурах его обмотки установятся токи, обеспечивающие создание вращающего момента, равному моменту тормозному.

Таким образом, принципом работы асинхронных двигателей основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора с токами, которые наводятся этим полем в проводниках ротора. Очевидно, что возникновение токов в роторе и создание вращающегося момента возможны лишь при движении проводников ротора относительно магнитного поля машины, т.е. при наличии разности частот вращения магнитного поля статора n₁ и ротора n (n₁- n) должно быть больше 0.

Для примера определим, что же произойдет, если частота вращения ротора n₂ сравниться с частотой вращения магнитного поля статора n₁ (n₁=n).

Магнитное поле статора и ротор будут в этом случае неподвижны относительно друг друга. Силовые линии магнитного поля статора не будут пересекать обмотку ротора, следовательно, в ней не будет наводиться ЭДС, не появится ток, не будет и выталкивающей силы.

Ротор несколько притормозится, но как только возникает разность частот вращения n₁- n, вновь в обмотке ротора наведется ЭДС, появится ток и начнут действовать выталкивающая сила и электромагнитный момент.

Таким образом, ротор вращаться с синхронной частотой n₁ в естественных условиях не может.

Отсюда следует важный вывод о том, что магнитное поле статора и ротор АД вращаются в пространстве в одном направлении, но с разной частотой: частота вращения ротора двигателя n₂ всегда меньше частоты вращения n₁ магнитного поля статора. С этим связано, кстати, и название машины: асинхронный двигатель.

При анализе работы асинхронных машин пользуются безразмерным параметром S, называемым скольжением и определяемым разностью частот вращения магнитного поля статора n₁ и ротора n выраженной в относительных единицах (отнесенной к n₁):

Это выражение часто записывают следующим образом: n = n₁(1 – S).

В соответствии с этим соотношением зависимость частоты вращения ротора n от скольжения при заданной n₁ графически выражается прямой, построенной в двух граничных режимах при запуске двигателя n = 0, т.е. скольжение S = 1, а при n = n₁ (так называемый идеальный холостой ход) S = 0 (рис. 2.100). Следовательно, режим двигателя характеризуется скольжением, изменяющимся от 1 до 0.

Номинальное же скольжение S_н современных машин общепромышленного исполнения S_н = 1-3%. Например, при n₁ = 3000 об/мин и S = 1% ротор будет вращаться с

частотой, всего на 30 об/мин меньше, чем n₁ (n = 2970 об/мин).

n

Рис. 5. График зависимости частоты вращения ротора трехфазного

асинхронного двигателя от скольжения

Лабораторная работа №9