3.4. Принцип действия асинхронного двигателя

Принцип действия асинхронного двигателя основан на силовом действии магнитного поля. Вращающееся магнитное поле, создаваемое токами обмотки статора, индуцирует в обмотке ротора ЭДС. Так как обмотка ротора всегда замкнута, то по ней под действием этой ЭДС будут протекать токи. Магнитное поле, взаимодействующее с этими токами ротора, создает на его валу вращающий электромагнитный момент.

Используя правило «левой» и «правой руки» можно доказать, что этот вращающий момент всегда направлен в сторону вращения магнитного поля. Под действием этого момента ротор начинает вращаться со скоростью .

Согласно закону электромагнитной индукции ЭДС в обмотке ротора будет индуцироваться только в том случае, если плоскость витков обмотки не совпадает с направлением магнитного поля, то есть ротор вращается либо медленнее, либо быстрее поля. Согласно принципу действия асинхронной машины скорость вращения магнитного поля и скорость вращения ротора всегда должны быть разными: . Из принципа действия машины следует, что у асинхронного двигателя (ротор отстает от магнитного поля), а у асинхронного генератора – (ротор опережает магнитное поле).

3.5. Режим идеального холостого хода

Под холостым ходом асинхронного двигателя понимают работу двигателя без нагрузки. Строго говоря, в режиме холостого хода из-за механических потерь скорость вращения ротора отличается от синхронной скорости приблизительно на 1-2%. На практике допустимо пренебрегать этими потерями и считать режим холостого хода идеальным, то есть полагают, что синхронная скорость совпадает со скоростью вращения ротора ( ). Ток, потребляемый двигателем из сети, является током холостого хода и составляет .

Отметим, что ток холостого хода в трансформаторе (I₁₀) значительно меньше и составляет Объясняется это наличием в асинхронном двигателе воздушного зазора между статором и ротором.

3.6. Скольжение

Скольжение является основной характеристикой асинхронного двигателя. Через него выражается ток двигателя и его вращающий момент.

В режиме работы двигателя под нагрузкой ( ) относительная скорость вращения ротора называется скольжением (s). Скольжение может выражаться в относительных единицах и в процентах:

или . (80)

Скольжение определяет относительное отставание скорости вращения ротора от синхронной скорости и обычно в номинальном режиме оно имеет небольшое значение – (2…8)%.

Зная скольжение s и синхронную скороcть, можно определить скорость вращения ротора АД:

. (81)

Оценим значение скольжения в различных режимах работы АД.

1) – режим идеального холостого хода (s = 0).

2) – номинальный режим

3) – момент пуска двигателя ( ).

Таким образом, диапазон изменения скольжения асинхронного двигателя:

.

3.7. Скорость вращения поля ротора

По принципу действия асинхронного двигателя в обмотке ротора возникает синусоидальный ток, который создает свое магнитное поле. Это магнитное поле будет вращаться вместе с ротором.

Определим скорость вращения поля ротора относительно статора.

Найдем сначала частоту тока ротора . Так как ток создается за счет скольжения магнитного поля относительно вращающегося ротора, то , (82)

то есть, .

Обозначим через скорость вращения магнитного поля ротора, тогда:

. (83)

Выразим скорость вращения поля ротора относительно статора: .

И так, скорость вращения поля ротора ( ) совпадает со скоростью вращения магнитного поля . Поскольку эти скорости совпадают, то преобразование электромагнитной энергии в асинхронном двигателе осуществляется неподвижными относительно друг друга полями. В этом смысле принцип работы асинхронного двигателя аналогичен принципу работы трансформатора. Таким образом, рассуждения, принятые при рассмотрении трансформатора могут быть применены к асинхронному двигателю. В частности, схема замещения одной фазы асинхронного двигателя имеет вид (рис. 33):

Рис. 33. Схема замещения асинхронного двигателя

– сопротивления обмотки статора; – сопротивления обмотки ротора, приведенные к обмотке статора; – сопротивление нагрузки двигателя.

В отличие от трансформатора, к вторичной обмотке которого подключается нагрузка, в асинхронном двигателе нагрузка представляется сопротивлением, величина которого зависит от скольжения.

Если пренебречь током намагничивания , то получим упрощенную схему замещения асинхронного двигателя (рис. 34):

Рис. 34. Упрощенная схема замещения асинхронного двигателя

Тогда ток статора двигателя:

– напряжение на фазе обмотки статора АД.

Таким образом, ток, потребляемый двигателем из сети (ток двигателя), зависит от скольжения s, а максимальное значение тока двигателя будет соответствовать значению скольжения то есть, значению скольжения при пуске двигателя.