Принцип роботи асинхронного двигуна
Рис. 1.1.13. Модель трифазного асинхронного двигуна
Розглянемо принцип дії асинхронного двигуна. На рис. 1.1.13 обертове поле статора умовно зображене у вигляді полюсів постійного магніта, які обертаються з частотою n1. Обмотка ротора короткозамкнена. Поле статора при обертанні перетинає провідники обмотки ротора і наводить в них ЕРС. Так як обмотка ротора замкнена, то в провідниках цієї обмотки виникають струми. Струм в кожному з провідників обмотки ротора, взаємодіючи з полем статора, створює електромагнітну силу Fем .Сукупність Fем створює електромагнітний момент М, який приводить ротор в обертання з частотою n2 в напрямку обертового поля. Таким чином, електрична енергія, яка поступає з мережі в обмотку статора, перетворюється в механічну енергію обертання ротора.
Частота обертання ротора n2 (асинхронна частота) завжди менша синхронної частоти, тобто ротор асинхронного двигуна завжди відстає від статора. Це явище може бути пояснене слідуючим чином: якщо б ротор обертався з частотою обертового поля, то це поле не перетинало б провідники обмотки ротора. В останніх не наводилася б ЕРС і не було б струмів, а це значить, що обертовий момент на роторі був би рівний нулю. Таким чином, ротор асинхронного двигуна принципово не може обертатися з синхронною частотою.
Різниця між частотою обертання поля статора і частотою обертання ротора (n1-n2) називається частотою ковзання ns. Це та частота обертання, з якою поле перетинає провідники обмотки ротора:
ns=n1-n2.
Відношення частоти ковзання до частоти обертання поля називається ковзанням:
s= (n1-n2)/ n1 (1.1.3)
Іноді ковзання вимірюють в процентах, тоді в формулу (1.1.3) вводять множник 100.
З появою протидіючого момента на валу двигуна ковзання підвищується, що викликає збільшення струму в провідниках обмотки ротора, а тому і електромагнітного момента. Таким чином, ковзання асинхронного двигуна, а тому і частота обертання ротора залежать від навантаження, з збільшенням якої частота обертання зменшується (ковзання підвищується).
В загальному випадку ковзання асинхронного двигуна може змінюватися в діапазоні від нуля (режим холостого ходу) до одиниці (пуск двигуна). Ковзання і частота обертання, що відповідають номінальному навантаженню, називаються номінальними. Номінальне ковзання асинхронних .двигунів загального використання, як правило, складає 1-8%, при цьому більші значення ковзання відповідають двигунам меншої потужності.
Перетворивши вираз (1.1.3), отримаємо вираз частоти обертання ротора
n2=n1(1-s),
або, враховуючи вираз (1.1.2),
Наприклад, якщо ковзання двохполюсного асинхронного двигуна, ввімкненого в мережу з частотою f1=50 Гц, складає 7%, то частота обертання ротора
n2 = 60×50(1 — 0,07)/1 = 2790 об/хв.
Обмотка ротора асинхронного двигуна електрично не пов’язана з обмоткою статора. Енергія, яка поступає з мережі в обмотку статора, передається ротору завдяки магнітному полю. В цьому відношенні асинхронний двигун нагадує трансформатор, в якому обмотка статора являється первинною обмоткою, а обмотка ротора — вторинною. Різниця між асинхронним двигуном і трансформатором полягає в тому, що ЕРС в обмотках трансформатора наводиться пульсуючою — яка змінюється в часі магнітним потоком, а ЕРС в обмотках асинхронного двигуна — обертовим потоком, постійним за величиною, але з зміною свого напрямку в просторі. Але ефект і в тому і в другому випадку однаковий — потокощеплення між обмотками Y=wF змінюється в часі. На відміну від трансформатора вторинна обмотка асинхронного двигуна — обмотка ротора обертається в просторі.
ЕРС обмотки ротора як по величині, так і по частоті залежить від частоти обертання ротора n2. В останньому неважко пересвідчитись, аналізуючи процеси, що протікають в асинхронному двигуні. Магнітне поле, яке обертається в просторі з синхронною частотою n1, статора зміщується відносно ротора, а тому і відносно його обмотки з частотою ковзання . Воно наводить в обмотці ротора ЕРС E2s, частота якої [див.(1.1.2)]
або, з урахуванням того, що
pn1/60=f1, (n1-n2)/n1=s,
(1.1.5)
З виразу (1.1.5) видно, що частота ЕРС ротора Е2S залежить від ковзання, тобто від частоти обертання ротора n2. Вона рівна частоті мережі (f2=f1) при нерухомому роторі, коли n2=0 і s=1, і нулю (f2=0) при ідеальному холостому ході, коли n2=n1, s=0.
Асинхронні двигуни загального використання в номінальному режимі працюють з невеликим ковзанням (1¸8%). Це значить, що частота ЕРС ротора f2=f1s в номінальному режимі при промисловій частоті мережі 50 Гц складає всього 0,5¸4 Гц.