АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

ЛЕКЦИЯ 6
Принцип действия асинхронного двигателя.
Асинхронные двигатели трёхфазного тока нашли

наибольшее применение в промышленных установках. В основе устройства этих двигателей лежит явление вращающегося магнитного поля, которое образуется системой неподвижных обмоток, питаемых трёхфазным током.
Принцип действия асинхронного двигателя поясняет следующий рисунок.

Двухполюсный подковооб-разный магнит вращается с постоянной скоростью n0 вокруг оси А-А. Между по-люсами магнита на оси В-В помещён ротор, выпо-лненный из проводящих стержней по типу беличь-его колеса. Линии магнит-ного поля пересекают сте-ржни a, b, c,…,h ротора и

индуцируют в них э.д.с. ea, eb, ec, обуславливающие появление токов ia, ib, ic. Направление индуцированных э.д.с. Определяются по правилу правой руки. Взаимодействие токов с магнитным полем вызывает силы Ампера.

руки. Для си-
туации, показанной на рисунке, вектор индукции направлен от

северного
полюса к южному. Применяя правило левой руки, убеждаемся, что на вер-
хний проводник действует сила, направленная вправо, на нижний – сила,
направленная влево. Таким образом, обе силы создают вращающий мо-
мент направленный по часовой стрелке. Под действием этого момента ро-
тор начинает вращаться в направлении перемещения магнитного поля. По
мере возрастания скорости ротора уменьшается относительная скорость
между стержнями ротора и магнитным полем и, следовательно, уменьша-
ется э.д.с. в стержнях ротора и протекающий в них ток. В связи с этим
уменьшаются силы Ампера и вращающий момент. При некоторой скорости
момент сил Ампера сравнивается с моментом сопротивления и скорость
вращения ротора устанавливается постоянной, но меньшей скорости вра-
щения магнитного поля (n < n0). Степень отставания скорости вращения
ротора от скорости вращения поля характеризуется величиной, называе-
мой скольжением. n = n0(1 – s)

ротора от n = 0 до n = n0 скольжение
изменяется

в пределах от s = 1 до s = 0.
Таким образом, для работы асинхронного двигателя необходимо создать
вращающееся магнитное поле. В асинхронном двигателе вращающееся ма-
гнитное поле образуется электрическим путём: неподвижными обмотками,
питаемыми трёхфазным током.
Особенностью асинхронных двигателей является то, что скорость вра-
щения ротора всегда меньше скорости вращения магнитного поля. Отсюда
и термин «асинхронный двигатель», который означает несинхронность
скоростей вращения ротора и магнитного поля.
Если бы ротор вращался с синхронной частотой, скорость его вращения
относительно магнитного поля была бы равна нулю и э.д.с. в проводниках
ротора не возникала бы. Следовательно, отсутствие синхронизма – это ос-
новная причина работы двигателя.
Недостатком асинхронного двигателя является зависимость скорости его
вращения от нагрузки на валу двигателя.

сети
трёхфазного тока.
Статор асинхронного двигателя устроен точно так же, как

и статор трёхфазного генератора пе-ременного тока. В пазах статора размещены 3 обмотки, оси которых образуют между собой уг-лы равные 1200. Концы обмоток соединены меж-ду собой, а начала обмоток подключены к 3-м фазным проводам. В обмотках катушек протека-ют синусоидальные токи IA, IB, IC, взаимно сдви-нутые по фазе на треть периода. Каждая из ка-тушек создаёт пульсирующий магнитный поток,

ось которого совпадает с осью катушки.
Определим результирующее магнитное поле 3-х катушек в различные моменты времени. Выберем моменты времени t1, t2, t3, соответствующие максимальным значениям токов соответственно в фазах А, В и С. За поло-жительное направление токов примем направление от начала катушек к их концам.

осью катушки. В момент времени t1 ток фазы А имеет

максимальное положительное значение. Следовательно, в обмотке этой фазы магнитное поле макси-мально. Токи в обмотках В и С отрицатель-ны и равны по величине половине амплиту-ды. На рисунке показаны направления то-ков в обмотках в момент времени t1. Опре-деляя по правилу буравчика направления магнитных полей вокруг каждого проводни-ка, убеждаемся, что магнитные поля совпа-дают по направлению у трёх верхних и трёх нижних проводников. Построив результиру-ющие линии магнитных полей, получаем направление результирующей индукции справа налево. Следовательно, в момент времени t1 система обмоток эквивалентна электромагниту, у которого северный по-люс справа, а южный – слева.

обмоток асинхронного двигателя в моменты времени t2 (рис. б), в

момент t3 (рис.в) и в момент t4 (рис. г). Такое магнитное поле называется двухполюсным, так как в любой момент времени между обмотками статора имеются два полюса.
Вся цилиндрическая поверхность статора делится поровну между двумя полюсами, которые непрерывно перемещаются в пространстве вдоль ци-линдрической поверхности.

поле совершает один обо-
рот в течение одного периода; скорость вращения

n0 = 60f1 = 60∙50 =
3000 об/мин.
2. Направление вращения магнитного поля совпадает с порядком сле-
дования фаз питающей сети А → В → С.
3. Ось вращающегося поля совпадает с осью той катушки, у которой ток
в данный момент времени имеет максимальное значение.
4. Направление вращения магнитного поля можно изменить на противо-
положное, если поменять порядок следования фаз обмотки, т.е. поменять
местами концы любых двух проводов, которыми обмотки подключены к ис-
точнику трёхфазного тока.
Рассмотренное магнитное поле эквивалентно полю двухполюсного элек-
тромагнита с постоянной намагничивающей силой, вращаемого с неизмен-
ной скоростью n0 = 3000 об/мин. Трёхфазная машина, обмотки которой соз-
дают такое поле, называется двухполюсной.

вращения необ-
ходимо увеличить число катушек с 3-х до 6, 9,

12 и т. д.

На рисунке показана система, состоящая из 6-ти катушек, в которой I катушка соединена после-довательно с IV, катушка II с катушкой V, а ка-тушка III с катушкой VI. В такой системе получа-ется вращающееся магнитное поле с удвоенным числом полюсов (2p = 4). Скорость вращения че-тырёхполюсного поля вдвое меньше чем у двух-полюсного.
При использовании 9-ти катушек вращающее-ся поле будет иметь 6 полюсов, а скорость его вращения будет в 3 раза меньше.

При промышленной частоте 50 Гц скорость вращения поля:

неподвижно-
го статора и вращающегося ротора.
Статор состоит из чугунного или стального

корпуса, внутри которого помещён цилиндр, собранный из штампованных листов элект-ротехнической стали. На внутренней стороне цилиндра имеются пазы, в которых размеще-на обмотка, питаемая от сети трёхфазного тока и создающая вращающееся магнитное поле.
Ротор представляет собой цилиндр, соб-ранный из листов электротехнической стали.
На поверхности ротора имеются пазы, в ко-

торых помещается обмотка ротора. Эта обмотка не имеет электрической связи с питающей сетью, Ток, протекающий в обмотке ротора, является индукционным. В зависимости от типа двигатели разделяются на двигате-ли с короткозамкнутым ротором и двигатели с фазным ротором.

колеса»: в пазы ротора уложены стержни 1 из меди или

алюминия. Концы этих стержней по тор-цам соединены кольцами 2, выполненны-ми из того же металла.
Фазный ротор имеет трёхфазную обмо-тку, аналогичную обмотке статора. Катуш-ки трёх фаз соединяются в звезду. Три свободных конца обмотки ротора присое-диняются к трём контактным кольцам 1, размещённым на валу ротора. Кольца изо-лированы друг от друга и от вала. К кон-тактным кольцам пружинами прижимают-ся щётки 2, при помощи которых в цепь обмотки ротора включается трёхфазный реостат. Изменением сопротивления реос-тата регулируется мощность двигателя.

и той же фазе,
обычно соединяются последовательно. Поэтому независимо от числа

по-
люсов обмотка статора асинхронного двигателя имеет шесть выводов.
Три фазы обмотки статора включаются в сеть звездой или треугольни-
ком. На щитке двигателя обычно указывается два напряжения, например
127/220 В или 220/380. В таблице представлены схемы включения двига-
телей в зависимости от напряжения питающей сети.

При соединении звездой концы статорных обмоток присоединяют обыч-но с клеммой, соединённой с корпусом двигателя.
Обмотки фазного ротора выполняются аналогично обмоткам статора. Число полюсов обмотки должно соответствовать числу полюсов статора.

обмотки статора в
сеть ротор остаётся неподвижным, так как в разомкнутой

обмотке ток не
протекает. Частота индуцированной э.д.с. в неподвижной обмотке:


где p – число пар полюсов, f1 – частота питающей сети.
Т.е. в неподвижной обмотке индуцируется э.д.с. той же частоты, что и в
питающей сети.
Действующее значение э.д.с. в обмотке ротора:


При замкнутой обмотке ротора ток в ней будет равен нулю при n = n0.
При холостом ходе в обмотке статора протекает ток I0, величина которого
достигает (20 – 40)% от номинального тока статора. Повышенное значе-
ние тока холостого хода обусловлено наличием воздушного зазора между
статором и ротором, что увеличивает сопротивление магнитной цепи.

ротора, вращающегося со скоростью
n равна:

Частота f2< f1, поскольку s

< 1. При значениях скольжения s = 0,02 - 0,08,
с какими обычно работают асинхронные двигатели, частота тока в обмот-
ке ротора составляет всего 1 – 4 Гц, в то время как частота питающей се-
ти f1 = 50 Гц.
Величина э.д.с., индуцированная в обмотке вращающегося ротора:

Э.д.с. вращающегося ротора E2s значительно меньше э.д.с E2, индуцируе-
мой в неподвижном роторе. Так, при s = 0,02 – 0,08 э.д.с. Е2s составляет
всего (2 – 8)% от э.д.с. Е2. Ток в цепи вращающегося ротора зависит от
величины скольжения:

Здесь r2 – активное сопротивление, x2 – индуктивное сопротивление обмотки ротора.

на рисунке.
Наибольший ток в роторной цепи возникает при скольжении s

= 1, т.е. в момент пуска двигателя когда ротор неподвижен. С увеличением скорости вращения ротора и, следовательно, с уменьшени-ем скольжения s ток в роторе убывает. При иде-альном холостом ходе (s = 0) ток в цепи ротора падает до нуля. В реальном режиме холостого хода скорость вращения ротора не достигает зна-чения n0 из-за наличия трения вала ротора в под-

шипниках и сопротивления воздуха.
При холостом ходе ротора магнитное поле двигателя создаётся только намагничивающей силой обмотки статора:

В нагрузочном режиме:
Здесь I0m – амплитуда тока в обмотке статора в режиме холостого хода.
I1m, I2m – амплитуды тока в обмотках статора и ротора при нагрузке.

представить следующим уравнением:
Здесь Рэ = 3U1I1cos φ1- мощность, потребляемая двигателем

из сети;
ΔР1э= 3I12r1- электрические потери в обмотке статора; ΔРм- магнитные по-
тери в стали статора; ΔР2э= 3I22r2- электрические потери в обмотке ротора;
Рмех- полная механическая мощность, развиваемая двигателем.
Наглядно баланс активных мощностей асинхронного двигателя иллюст-
рируется энергетической диаграммой.

Необходимо помнить, что на щитке двигателя и в паспорте указывает-ся не потребляемая из сети элект-рическая мощность, а полезная механическая мощность на валу двигателя при номинальном режи-ме работы.