Принцип действия асинхронного двигателя
Электромагнитная схема асинхронной машины (рис, 57, а) отличается от схемы трансформатора тем, что первичная обмотка размешена на неподвижном статоре, а вторичная - на вращающемся роторе 3. Между ротором и статором имеется воздушный зазор, величину которого для улучшения магнитной связи между обмотками делают по возможности малым. Обмотка статора 2 представляет собой трехфазную (или в общем случае многофазную) обмотку, катушки которой размещены равномерно по окружности статора.
Рис. 57. Электромагнитная схема асинхронной машины
Фазы обмотки статора 
, 
и 
соединяют в звезду или треугольник и подключают к сети трехфазного тока (рис, 57, б). Обмотку ротора 4 в такой машине трех- или многофазной выполняют или размешают равномерно вдоль окружности ротора. Фазы ее 
, 
и 
в простейшем случае замыкаются накоротко.
При питании трехфазным током обмотки статора создаётся вращающееся магнитное поле, частота вращения которого (синхронная) 
. Если ротор неподвижен или вращается с частотой, меньшей 
, то вращающееся поле индуктирует в проводниках ротора ЭДС и по ним проходит ток, который, взаимодействуя с магнитным потоком, создает электромагнитный момент. На рис 57. а показано направление ЭДС, индуктированной в проводниках ротора при вращении магнитного потока 
по часовой стрелке (согласно правилу правой руки). Активная составляющая тока ротора совпадает по фазе с индуктированной ЭДС; поэтому крестики и точки показывают одновременно и направление активной составлявшей тока.
На проводники с током, расположенные в магнитном поле, действуют электромагнитные силы, направление которых определяется правилом правой руки. Суммарное усилие 
приложенное ко всем проводникам ротора, образует электромагнитный момент 
, увлекающий ротор за вращающимся магнитным полем. Если этот момент достаточно велик, то ротор приходит во вращение и его установившаяся частота 
вращения соответствует равенству электромагнитного момента тормозному, приложенному к валу от приводимого во вращение механизма, и внутренних сил трения.
Такой режим работы асинхронной машины является двигательным и, очевидно, при нем 
.
Относительную разность частот вращения магнитного поля и ротора называют скольжением:
. (1)
Скольжение часто выражают в процентах:
.
Очевидно, что при двигательном режиме:
.
Если ротор асинхронной машины разогнать с помощью внешнего момента (например, каким-либо двигателем) до частоты, большей частоты вращения магнитного поля 
то изменится направление ЭДС в проводниках ротора и активной составляющей тока ротора, т.е. асинхронная машина перейдет в генераторный режим (рис. 58, а). При этом изменит свое направление и магнитный момент , который станет тормозящим. В данном режиме асинхронная машина получает механическую энергию от первичного двигателя, превращает её в электрическую и отдаёт в сеть. В генераторном режиме 
.
Если изменить направление вращения ротора (или магнитного поля) так, чтобы магнитное поле и ротор вращались в противоположных направлениях (рис. 58, б), 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 в таком режиме электромагнитный момент направлен против вращения ротора, т.е. является тормозящим. Этот режим работы асинхронной машины называют электромагнитным торможением. В режиме электромагнитного торможения направление вращения ротора является отрицательным (по отношению к направлению магнитного поля, поэтому 
, а 
.
Таким образом, характерной особенностью асинхронной машины является наличие скольжения, т.е. неравенство частот вращения и 
. Только при этом условии в проводниках обмотки ротора индуктируется ЭДС и возникает электромагнитный момент. По этой причине машину называют асинхронной (её ротор вращается не синхронно с полем).
На практике чаще всего встречается двигательный режим асинхронной машины, поэтому теория асинхронных машин изложена здесь применительно к этому режиму с последующим обобщением её на другие режимы работы.
а) б)
Рис. 58. Направление электромагнитного момента в асинхронной машине при работе её в режимах: генераторном (а), и электромагнитного торможения (б).
Лекция № 11
Основные уравнения.
Векторная диаграмма.
Схема замещения АД.
При заторможенном роторе обмотки статора и ротора пересекаются магнитным потоком с одной и той же скоростью, при этом в обмотках статора и ротора на водится ЭДС статора 
и ротора 
.
; (2)
. (3)
Отношение ЭДС:
, (4)
называют коэффициентом трансформации ЭДС.
Для основных гармоник обмоточные коэффициенты обычно равны 0,96–0,90 и поэтому в первом приближении можно считать:
, (5)
аналогично тому, как это имеет место в трансформаторе.
Холостой ход. Если обмотка ротора разомкнута, то по ней не будет проходить ток и, следовательно, она не будет влиять на электромагнитные процессы в статоре. Этот режим называют холостым ходом. Режим х.х. имеет место при условии равенства скорости вращения ротора со скоростью вращения поля статора 
. При этом 
; 
и электромагнитный момент 
.
При холостом ходе для каждой фазы обмотки статора можно написать уравнение, полностью тождественное уравнению для первичной обмотки трансформатора при холостом ходе:
, (6)
где: ЭДС, индуктируемая вращающимся магнитным потоком , обхватывающим обмотки ротора и статора; 
ЭДС, вызываемая потоком рассеяния 
обмотки статора; 
– падение напряжения в обмотке статора от тока холостого хода.
На рис. 59, а показана векторная диаграмма асинхронной машины при холостом ходе. В принципе указанная диаграмма должна быть аналогична векторной диаграмме трансформатора при холостом ходе. Однако величина тока холостого хода в асинхронной машине из-за наличия воздушного зазора между ротором и статором значительно больше, чем в трансформаторе (20-40 % от номинального тока по сравнению с 2-5% у трансформатора), вследствие чего здесь нельзя уже пренебрегать падением напряжения 
и 
, и пользоваться приближенным уравнением 
.
Асинхронная машина с заторможенным ротором может быть использована в качестве трансформатора, если в цепь обмотки ротора (вторичной обмотки) включить сопротивление нагрузки.
Векторная диаграмма асинхронной машины с заторможенным ротором (рис. 59, б) аналогична диаграмме трансформатора и отображает на плоскости основные уравнения асинхронных машин:
;
; (7)
.
а) б)
Рис. 59. Векторные диаграммы асинхронной машины
Однако наличие в асинхронной машине вращающегося потока обуславливает некоторые специфические особенности при взаимодействии магнитных полей, токов в первичной и вторичной обмотках. Поскольку фазы обмотки ротора сдвинуты в пространстве, а токи в них имеют временный сдвиг, они создают бегущую волну МДС ротора 
, частота вращения которой
, (8)
где 
и 
– частота тока и число пар полюсов ротора.
Так как при неподвижном роторе ЭДС в обмотках статора и ротора имеют одинаковую частоту, т.е.; 
, то:
. (8а)
Асинхронная машина может работать только при равенстве частот вращения бегущих волн МДС статора 
и ротора . Следовательно, статор и ротор должны иметь одинаковое число полюсов, т.е. 
. При этом условии бегущие волны МДС ротора и статора будут неподвижны относительно друг друга, и будут взаимодействовать между собой, обеспечивая передачу мощности из статора в ротор так же, как и в трансформаторе. В результате ток ротора 
будет создавать компенсирующую его составляющую тока статора 
, вследствие чего результирующий магнитный поток останется примерно таким же, как и при режиме холостого хода.
Таким образом, для асинхронной машины, как и для трансформатора, справедливо условие 
, т.е. магнитный поток при изменении режима работы меняется мало. Требование равенства частот вращения бегущих волн МДС ротора и статора жестко определяет лишь равенство числа полюсов. Число фаз обмоток статора и ротора в принципе может быть любым.
Схема замещения асинхронной машины с заторможенным ротором (рис. 60). Эта схема аналогична схеме замещения трансформатора, но параметры её определяются другими коэффициентами приведения. Полагая 
из условия равенства мощностей реального и приведенного роторов 
, находим:
. (9)
Рис. 60. Схема замещения асинхронной машины при заторможенном роторе
Величину 
называют коэффициентом приведения (трансформации) токов.
Из равенства электрических потерь 
получаем:
. (10)
Из равенства относительных реактивных падений напряжений 
находим:
. (11)
Величину 
называют коэффициентом приведения сопротивлений. При определении коэффициентов 
, 
и 
для короткозамкнутой обмотки типа беличьей клетки принимают 
, 
и 
.
Таким образом, теория работы асинхронной машины с заторможенным ротором в основном подобна теории работы трансформатора. Однако использование асинхронной машины в качестве трансформатора обычно нецелесообразно, так как она значительно дороже трансформатора и имеет худшие эксплуатационные характеристики (больший ток холостого хода, меньший КПД и пр.). Только в некоторых специальных устройствах асинхронную машину используют в режиме работы трансформатора, т.е. при заторможенном роторе (поворотные трансформаторы, фазорегулятор и индукционный регулятор).
Параметры ротора зависящие от скольжения. Рассмотрим общий случай индуктирования ЭДС в обмотке ротора, увлекаемого вращающимся магнитным потоком. Так как эта обмотка пересекается магнитным потоком частотой 
, частота индуктируемой в ней ЭДС:
. (12a)
При вращении ЭДС в обмотке ротора
. (13)
Учитывая, что эта ЭДС при заторможенном роторе
,
получаем
. (13a)
Если обмотка ротора замкнута, по ней будет проходить ток с частотой 
, который создает МДС .
.
где: 
Направление вращения МДС ротора определяется порядком чередования максимумов тока в фазах, т.е. МДС ротора вращения в ту же сторону, что и магнитное поле статора.
Таким образом, в асинхронной машине магнитное поле, вращающееся с частотой 
, возникает в результате совместного действия МДС ротора и статора. Оно служит связующим звеном между статором и ротором, обеспечивая обмен энергией между ними.
Лекция № 12