Асинхронные электрические двигатели

Введение.

Открытие в 1880 г. Г. Феррарисом и Н. Тесла вращающегося магнитного поля, получаемого с помощью переменных токов, положило начало конструированию многофазных электрических машин. Наиболее экономичной среди многофазных систем переменного тока оказалась система трёхфазного тока, основы которой заложил в 1889-91гг. инженер М. Доливо - Добровольский. Предложенная им конструкция трёхфазного асинхронного двигателя в основных чертах сохранилась до наших дней.

Асинхронные машины используются в основном как двигатели и в настоящее время они наиболее распространены во всех отраслях промышленности благодаря конструктивной простате, низкой стоимости и высокой надежности при минимальном обслуживании. По возможностям регулирования частоты вращения они уступают только двигателям постоянного тока.

Принцип действия асинхронного двигателя (АД)

В АД одну из обмоток размещают на статоре, а вторую - на роторе. Между статором и ротором имеется воздушный зазор, величину которого для улучшения магнитной связи между обмотками делают по возможности малым (рис.2.1).

Обмотка статора представляет собой трёхфазную (или в общем случае многофазную) обмотку, катушки которой размещают равномерно по окружности статора. Фазы обмотки статора АХ, BY, CZ соединяют по схеме "звезда" или "треугольник" и подключают к трёхфазной сети.

Обмотку ротора выполняют также трёхфазной или многофазной и размещают равномерно вдоль окружности ротора. Её фазы ах, by, cz в простейшем случае замыкают накоротко. При питании трёхфазным током обмотка статора создает вращающееся магнитное поле, синхронная частота вращением которого

где f₁ - частота сети, р - число пар полюсов, образованных обмоткой статора.

Вращающееся поле статора (полюсы N₁ и S₁ на рис.2/1) сцепляется как с обмоткой статора, так и с обмоткой ротора и наводит в них ЭДС. На рисунке показано, согласно правилу правой руки, направление ЭДС в проводниках ротора. При определении направления ЭДС принимают условно поле неподвижным, а проводники - движущимися в направлении, противоположном направлению движения поля (по часовой стрелке). Под действием ЭДС в проводниках короткозамкнутой обмотки ротора появляются токи. Активная составляющая этих токов совпадает по фазе с ЭДС. При этом условные обозначения (крестики и точки) на рис.2.1 показывают одновременно и направление ЭДС и направление активной составляющей тока.

На проводники с током, расположенные в магнитном поле, действуют электромагнитные силы, направление которых определяется с помощью правила левой руки. Суммарное усиление F_ЭМ, приложенное ко всем проводникам ротора, образует электромагнитный момент М, увлекающий ротор в направлении вращения магнитного поля статора. Если этот момент достаточен для преодоления момента сопротивления М_с, то ротор придет во вращение и его установившаяся скорость n₂ будет соответствовать условию М = М_с.

Таким образом, электрическая энергия, поступающая из сети, преобразуется в механическую энергию вращения ротора. Частота вращения ротора n₂, называется асинхронной, всегда меньше частоты вращения поля без внешнего вмешательства, так как только в этом случае существует индуктив­ная связь между обмоткой ротора и магнитным полем

Относительную разность частот вращения магнитного поля и ротора оценивают скольжением:

или

Очевидно, что в двигательном режиме 1>s>0. На рис.2-2 представлена зависимость между скольжением и скоростью вращения ротора.

Примечание к рисунку: режим тормоза и режим генератора надо поменять местами.

Если с помощью внешнего момента увеличитьчастоту вращения ротора n₂>n₁,то изменится направление ЭДС и активная составляющая тока в проводниках ротора и, соответственно, направление электромагнитного момента М, который станет тормозным. Это соответствует генераторному режиму работы двигателя, при котором механическая энергия внешнего воз­действия превращается в электрическую энергию, поступая в сеть. В этом режиме S<0.

Если изменить направление вращения ротора за счёт внешнего момента (или магнитного поля) так, чтобы магнитное поле и ротор вращались в противоположных направлениях, то ЭДС и активная составляющая тока в проводниках ротора будут направлены так же, как в двигательном режиме, т.е. машина будет получать из сети активную мощность. Однако, электромагнитный момент М будет направлен против вращения ротора, т.е. является тормозным. Этот режим работы асинхронной машины называют режимом электромагнитного торможения. При этом n₂<0, a s>1.

Так как частота вращения магнитного поля относительно ротора равна , то частота наводимых в ее обмотке ЭДС и тока

т.е. частота в роторе не постоянная, а изменяется прямо пропорционально скольжению.