Принцип работы асинхронного двигателя

Рис.27.4.Направления векторов магнитной индукции (а); временная диаграмма токов статора (б); векто- ры суммарной индукции (в–д)

В реальном АД каждая фазная обмотка статора состоит из отдельных, последовательно расположенных катушек, занимающих несколько соседних пазов сердечника, что позволяет приблизить распределение магнитной индукции вдоль зазора между статором и ротором к синусоидальному и уменьшить габариты статора. Рассмотрим упрощенную конструкцию статора, в которой каждая фазная обмотка состоит из одной сосредоточенной катушки. Плоскости катушек А–Х, В–Y, С–Z и, соответственно, их оси смещены в пространстве на 120° (рис.27.4, а). Начала обмоток, условно изображенных в виде одного витка, обозначены А, В, С, а концы – X, Y, Z.

Пусть обмотки статора подключены к симметричной трехфазной сети, создающей в них симметричную трехфазную систему токов i_A,, i_B, i_C (рис.27.4, б). Положительное направление тока в каждой обмотке выбираем от начала к концу, т. е. положительный ток в проводнике, примыкающем к началу обмотки, направлен от нас (крест), а в проводнике, примыкающем к концу, – к нам (точка). Положительные направления векторов магнитной индукции B_А, B_В, B_С определяются по правилу буравчика (рис. а). Магнитное поле каждой катушки изменяется во времени (пульсирует) по синусоидальному закону, сохраняя направление оси пульсации. Найдем положение вектора суммарной индукции B_S, создаваемой тремя обмотками, в равноотстоящие моменты времени t₁, t₂, t₃ (рис. 3.19, б). При t = t₁ ток i_А положителен и равен I_m, а токи i_B, i_C отрицательны и равны – I_m/2 (на рис. а направления токов в проводниках обмоток указаны «´», «·» при t = t₁). Поскольку индукция и ток знаками синфазны, то B_A(t₁) = B_m, B_B(t₁) = B_C(t₁) = –B_m/2, где B_m – амплитуда индукции одной катушки.

Направления векторов индукции катушек определяются по правилу буравчика (рис.27.4, в). Суммируя векторы B_A, B_B, B_C, находим, что вектор B_S в момент t = t₁ направлен горизонтально влево и равен 1,5B_m. При t = t₂ = t₁ + T₁/6, где T₁ = 1/f₁ – период питающего напряжения, B_S займет положение, показанное на рис. г, а при t = t₃ – согласно рис. д. Таким образом, вектор B_S равномерно вращается по часовой стрелке, проходя за время Т/6 угол 60° = = π/3 рад. Угловая скорость вектора B_S Ω₁ = π/3 : (Т /6) = 2πƒ₁. Скорость вращения АД принято оценивать частотой вращения n₁, измеряемой числом оборотов в минуту. Тогда n₁ = 60Ω₁/(2p) = 60ƒ₁, n₁ = 9,55Ω₁. В данном случае вращающееся магнитное поле имеет один северный и один южный полюс, число пар полюсов р = 1. Если каждую фазную обмотку статора разбить на р последовательно включенных катушечных групп и группы равномерно сместить вдоль окружности статора, то вращающееся магнитное поле статора будет иметь р пар полюсов (2р чередующихся N и S полюсов). Такому полю соответствуют частота вращения n₁ и угловая скорость W₁:

При подключении обмоток неподвижного статора к трехфазной питающей сети внутри статора образуется вращающееся магнитное поле, частота вращения которого определяется по приведенной формуле. Поле статора пересекает проводники обмотки ротора и индуцирует в них ЭДС, под действием которой в этих проводниках появляются индукционные токи. На каждый проводник с током в магнитном поле действует сила, поэтому на валу ротора образуется вращающий момент М, приводящий ротор во вращение в направлении вращающегося поля статора. По мере разгона АД вращающий момент М изменяется до установления равновесия М = М_с, где М_с – момент сопротивления (тормозной момент), создаваемый приводимым во вращение механизмом (насос, центрифуга, вентилятор и т. д.) и силами трения. Равновесию моментов соответствует установившийся режим двигателя с постоянной частотой вращения ротора n = const.

Скольжением s называют относительную разность частот вращения поля статора и ротора:

где Ω = pn/30 » n/9,55– угловая скорость ротора (рад/с). При условии М_с = 0 (идеальный холостой ход) ротор теоретически достигает частоты вращения поля статора, т. е. n = n₁, (s = 0). При этом проводники обмотки ротора не пересекаются магнитными линиями поля статора, индуцированные токи в роторе исчезают и вращающий момент М становится нулевым: М = М_с = 0. На валу АД всегда имеется момент сопротивления М_с, обусловленный трением в подшипниках, сопротивлением воздуха и т. д., поэтому частота вращения реального холостого хода немного ниже n₁: n_xx » 0,99n₁ (s_xx » 0,01). КПД АД наибольший при малом скольжении, поэтому устанавливают s_ном = 0,02¸0,08, т. е. n_ном = = (0,92¸0,98)n₁. Реверс двигателя (изменение направления вращения) осуществляют изменением направление вращения поля статора. Для этого нужно изменить порядок чередования фаз напряжения статора,
т. е. поменять местами выводы любых двух фаз питающей сети.