ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Исходя из конструктивной схемы асинхронного двигателя (АД)  (рис. 1 в статье — Устройство асинхронного двигателя)  и принципа получения кругового вращающегося магнитного поля (рис. 1 в статье — Вращающееся магнитное поле трехфазной обмотки машин переменного тока), принцип действия АД можно проиллюстрировать схемой, показанной на рис. 1 ниже. В электромеханическом преобразовании энергии в АД участвуют трехфазная обмотка 1, расположенная на неподвижном статоре 2 и создающая круговое вращающееся магнитное поле, и обмотка 3 вращающегося ротора 4, вал 5 которого соединен с исполнительным механизмом. Между статором и ротором предусматривается воздушный зазор 6.

Рис. 1 —  Принцип действия асинхронного двигателя

При вращении магнитного поля со скоростью:

линии магнитной индукции:

пересекают проводники обмотки ротора и в них индуктируется ЭДС Е₂ и протекает ток . Направление ЭДС определяется по правилу «правой руки«, а ее величина равна:

где L – активная длина проводника обмотки ротора;

ν₁ — линейная скорость движения магнитного поля статора:

D – диаметр расточки статора.

Направление тока I₂ совпадает с направлением ЭДС Е_2пр. В результате взаимодействия проводников с током и магнитного поля на каждый проводник действует электромагнитная сила:

направление, которой определяется по правилу «левой руки».

Совокупность этих сил создает на роторе результирующую силу F_рез и электромагнитный момент М_эм, приводящий ротор во вращение со скоростью n₂  в ту же сторону, что и вращение поля статора. Вращение ротора через вал передается исполнительному механизму. Таким образом, электрическая энергия, поступающая в обмотку статора из сети, преобразуется в механическую энергию. С началом движения ротора ЭДС в проводниках ротора определяются разностью скоростей ν₁ и ν₂

где ν₂ 

  Это линейная  скорость движения проводника ротора.

Чем выше скорость вращения ротора n₂, тем меньшая ЭДС в нем индуктируется, тем меньше ток Ι₂, тем меньше сила  f_пр и F_рез. При достижении ротором скорости вращения  n₂ = n₁, E₂ = 0, действие электромагнитных сил прекращается и вращение ротора замедляется под действием сил трения (на холостом ходу) или под действием момента сопротивления исполнительного механизма (при работе под нагрузкой). Но когда n₂ станет меньше n₁, опять начнет действовать электромагнитная сила.

Следовательно, в рассматриваемой системе возможно только асинхронное (несинхронное) вращение ротора относительно вращающегося магнитного поля статора.

Электромагнитный момент М_эм уравновешивается моментом сопротивления М_с исполнительного механизма. Чем больше М_с, тем больше должен быть вращающий момент М_эм, который может возрасти в первую очередь за счет тока в проводниках ротора. Ток при постоянстве сопротивления проводника пропорционален ЭДС, которая зависит от скорости пересечения проводников ротора вращающимся магнитным полем.

Следовательно, чем больше момент сопротивления, тем меньше скорость вращения ротора и наоборот.

Отношение:

При неподвижном роторе (n₂ = 0) скольжение равно 1,0. Это для АД режим короткого замыкания. При холостом ходе, когда скорость ротора максимально приближается к синхронной (n₂ = n₁) скольжение минимально и очень близко к нулю. Скольжение, соответствующее номинальной нагрузке АД, называется номинальным скольжением S_н и составляет единицы процента, в зависимости от типа и назначения двигателя.

С учетом отношения, скорость вращения ротора может быть выражена через n₁  и скольжение s:

В рабочем режиме АД вращающееся магнитное поле статора пересекает обмотку ротора со скоростью:

Частота ЭДС и токов, наводимых этим полем в обмотке ротора, равна:

Таким образом, частота ЭДС и токов в роторе зависит от сколь- жения. Так, при S=1 (при пуске) f₂ = f₁, при номинальном режиме нагрузки S_н = (0,02…0,04), f₂= 1…2Гц.

Протекающие в обмотке ротора токи создают МДС и магнитное поле ротора, которые вращаются относительно ротора со скоростью:

С учетом:

cкорость вращения этого поля относительно неподвижного статора составляет:

т.е. магнитное поле ротора вращается в расточке статора с той же скоростью и в ту же сторону, что и поле статора. Стало быть, они неподвижны друг относительно друга, образуют единое магнитное поле, созданное совместным действием МДС статора и ротора.

Таким образом, вектор:

на рис.1 необходимо рассматривать как вектор результирующего магнитного поля.

Условие неподвижности друг относительно друга магнитных полей статора и ротора означает, что число пар полюсов обмоток статора и ротора должно быть обязательно одинаково, p₁ = p₂ = p. В короткозамкнутом роторе это действие выполняется автоматически, в двигателе с фазным ротором оно должно быть обеспечено при проектировании. В то же время соотношение между числом фаз обмоток статора и ротора может быть произвольным.

Асинхронная машина обратима, т.е. может работать как в двигательном, так и в генераторном режимах. Если ротор с помощью постороннего двигателя разогнать до скорости вращения n₂ >n₁, то изменится направление ЭДС и тока в проводниках ротора, изменит свое направление и электромагнитный момент, который станет тормозящим. Асинхронная машина механическую энергию, получаемую от приводного двигателя, преобразует в электрическую и отдает в сеть, т.е. переходит в генераторный режим.

В процессе эксплуатации асинхронного двигателя возможен режим работы при S >1,0, когда ротор вращается в сторону, противоположную направлению вращения поля статора. В этом режиме, называемом режимом электромагнитного торможения (или режимом противовключения ), ЭДС и ток в роторе направлены также как в двигательном режиме, однако электромагнитный момент направлен против движения ротора, т.е. является тормозящим. В машине происходит преобразование как электрической энергии, поступающей из сети, так и механической энергии, передаваемой с вала.