Принцип действия асинхронной машины

В основу действия асинхронной машины положено использование вращающегося магнитного поля, которое индуцирует электродвижущую силу (ЭДС) в обмотке ротора. При взаимодействии тока ротора с вращающимся магнитным полем создается электромагнитный момент, приводящий ротор во вращение (в двигательном режиме) или осуществляющий его торможение (в тормозных режимах).

Принцип действия асинхронной машины основан на законе электромагнитной индукции, открытом М. Фарадеем, и работах Д. Максвелла и Э. Ленца.

В асинхронной машине одну из обмоток размещают на статоре 1 (рис. 1.1, а), а вторую – на роторе 3. Между ротором и статором имеется воздушный зазор, который для улучшения магнитной связи между обмотками делают по возможности малым. Обмотка статора 2 представляет собой многофазную (или в частом случае трехфазную) обмотку, катушки которой размещают равномерно по окружности статора. Фазы обмотки статора AX, BY и CZ соединяют по схеме Y или D и подключают к сети трехфазного тока. Обмотку ротора 4 выполняют многофазной короткозамкнутой или трехфазной и размещают равномерно вдоль окружности ротора.

Из курса теоретических основ электротехники известно, что при питании трехфазным синусоидальным током трехфазной обмотки статора возникает вращающееся магнитное поле, частота вращения (об/мин) которого:

n₁ = 60f₁/p, (1.1)

где f1 – частота питающей сети; p – число пар полюсов.

Вращающееся магнитное поле индуцирует в проводниках замкнутой накоротко обмотки ротора ЭДС E2 и по ним проходит ток I2.

На рис. 1.1, а показано (по правилу правой руки) направление ЭДС, индуцированной в проводниках ротора при вращении магнитного потока Ф по часовой стрелке (при этом проводники ротора перемещаются относительно потока Ф против часовой стрелки). Если ротор неподвижен или частота его вращения меньше частоты n1, то активная составляющая тока ротора совпадает по фазе с индуцированной ЭДС; при этом условные обозначения (крестики и точки) на рис. 1.1 показывают одновременно и направление активной составляющей тока.

На проводники с током, расположенные в магнитном поле, действуют электромагнитные силы, направление которых определяется правилом левой руки. Суммарное усилие Fрез, приложенное ко всем проводникам ротора, образует электромагнитный момент M, увлекающий ротор за вращающимся магнитным полем.

Электромагнитный момент, возникающий от взаимодействия магнитного потока Ф и тока ротора I2,

M = cФI₂cosψ₂ ,

где c – коэффициент пропорциональности; I₂cosψ₂ – активная составляющая тока ротора; ψ2 – угол сдвига фаз между током I2 и ЭДС E2 в обмотке ротора.

Если электромагнитный момент M достаточно велик, то ротор приходит во вращение и его установившаяся частота вращения n2 соответствует равенству электромагнитного момента тормозному, создаваемому приводимым во вращение механизмом и внутренними силами трения. Такой режим работы асинхронной машины является двигательным.

Частота вращения ротора n2 всегда отличается от частоты вращения магнитного поля n2, так как в случае совпадения этих частот вращающееся поле не пересекает обмотку ротора и в ней не индуцируется ЭДС, а следовательно, и не создается вращающий момент.

Если вращать ротор от постороннего двигателя в сторону, противоположную вращению магнитного поля (рис. 1.1, в), то ЭДС и активная составляющая тока в проводниках ротора направлены так же, как и в двигательном режиме, т.е. машина получает из сети электрическую энергию. Однако в данном режиме электромагнитный момент M направлен против вращения ротора, т.е. является тормозящим. Этот режим работы асинхронной машины – режим электромагнитного торможения. В этом режиме ротор вращается в обратном направлении (по отношению к направлению магнитного поля).