Принцип действия асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель предназначен для преобразования электрической энергии в механическую с целью ее расходования при совершении работы приводимым им в действие устройством У (рис. 12.1). Для осуществления такого преобразования энергии двигателем при вращении в установившемся режиме должен создаваться электромагнитный вращающий момент М, совершающий работу по преодолению равного и встречно направленного ему момента Мс сопротивления, создаваемого устройством У. Рассмотрим механизм создания такого электромагнитного момента.

При подключении неподвижного двигателя к электрической сети в каждой из его фазных обмоток появляется ток I. Токи фазных обмоток создают в магнитной системе двигателя вращающееся со скоростью c магнитное поле с индукцией Вс, которую, для упрощения рассуждений будем считать распределенной вдоль окружности статора по синусоидальному закону. Кривая распределения индукции Вс изображена на рис. 14.4, расположенной в воздушном зазоре двигателя и вращающейся со скоростью c. Поле с индукцией Вс, перемещаясь относительно неподвижной обмотки ротора, наводит в ней ЭДС Ер, под действием которой в каждом стержне короткозамкнутой обмотки ротора появляется ток Ip. Токи в стержнях создают магнитное поле с индукцией Вр, которое согласно правилу Ленца противодействует породившему его магнитному полю с индукцией Вс, стремясь компенсировать последнее (рис. 14.4а). Поэтому магнитное поле с индукцией Вр распределено вдоль окружности ротора также по синусоидальному закону и неподвижно относительно поля с индукцией Вс, то есть вращается со скоростью c. Однако направление намагничивающей силы Fp магнитного поля с индукцией Вр не противоположно направлено намагничивающей силы Fс магнитного поля с индукцией Вс, а смещено от этого положения на некоторый угол опережения (рис. 14.4а). Это объясняется тем, что ЭДС Ер на каждом периоде своего изменения совершает работу, покрывающую активные потери энергии при протекании тока Iр в обмотке ротора. Следствием этого является фазовое отставание? тока Iр от ЭДС Ер на угол не /2, как при неучете упомянутых активных потерь, а меньший его на величину.

Из рис. 14.4а видно, что проводники с током обмотки ротора находятся в магнитном поле с индукцией Вс. На них согласно закону Ампера и правилу «левой руки» действуют силы, которые в сумме и определяют электромагнитный момент М двигателя. Этот момент отличен от нуля и направлен в сторону вращения поля с индукцией Вс, так как, во-первых, число стержней обмотки ротора, на которые действуют силы, стремящиеся повернуть ротор в указанном направлении, больше числа стержней, на которые действуют противоположно направленные силы, и во-вторых, каждый стержень из первой группы находится в более сильном магнитном поле, нежели стержень с таким же током из второй группы, и на него поэтому действует и большая сила.

Если момент сопротивления Мс устройства У больше момента М двигателя, то последний не в состоянии сдвинуться с места и поэтому неподвижен, потребляет из сети незначительную активную мощность, идущую на покрытие активных потерь от протекания токов по его обмоткам, и значительную реактивную мощность. Последнее объясняется тем, что наводимая в обмотке ротора ЭДС Ер и протекающий под ее действием ток Iр изменяются с частотой s= c скольжения, при которой пропорциональное ей индуктивное сопротивление обмотки ротора значительно превышает активное сопротивление последней. В результате фазовое отставание? тока Iр от ЭДС Ер близко к /2, то есть угол опережения? незначителен (рис. 14.4а). Поэтому поле токов обмотки ротора с индукцией Вр в значительной мере компенсирует поле токов обмоток статора с индукцией Вс, то есть оказывает значительное размагничивающее действие на статорные обмотки. В результате неподвижный двигатель характеризуется малой индуктивностью (индуктивным сопротивлением) статорных обмоток и следовательно потребляет значительный реактивный ток (реактивную мощность). Таким образом в заторможенном состоянии двигатель преобразования электрической энергии в механическую не осуществляет.

Если же момент сопротивления Мс меньше момента М двигателя, то последний под действием избыточного вращающего момента приходит в движение и разгоняется до скорости р, при которой упомянутые моменты компенсируют друг друга. Эта скорость р меньше синхронной с, а в идеальном случае при моменте Мс=0 равна ей. Последнее обусловлено тем, что при этом обмотка ротора неподвижна относительно поля с индукцией Вс, в ней не наводится ЭДС Ер, не протекает ток Iр и поэтому не создается электромагнитный момент М, то есть Мс=М=0. При вращении же ротора двигателя со скоростью р< c наводимая в его обмотке ЭДС Ер и определяемый ею ток Iр изменяются с меньшей, чем у заторможенного двигателя, частотой s на величину скорости р вращения ротора. При меньшей частоте s обмотка ротора характеризуется пропорциональным ей меньшим индуктивным сопротивлением хр, что проявляется в меньшем фазовом отставании тока Iр от ЭДС Ер и следовательно в большем угле опережения (рис. 14.4.б) по сравнению с заторможенным двигателем (рис. 14.4а). Это означает, что в отличие от неподвижного во вращающемся двигателе поле токов обмотки ротора с индукцией Вр в меньшей мере компенсирует поле токов статорных обмоток с индукцией Вс, то есть оказывает меньшее размагничивающее действие на статорные обмотки. В результате двигатель характеризуется большей индуктивностью (индуктивным сопротивлением) статорных обмоток и следовательно потребляет меньший реактивный ток (реактивную мощность). В идеальном случае при скольжении s=0 в обмотке ротора ЭДС Ер не наводится, ток Iр отсутствует, поэтому отсутствует и размагничивающее действие на статорные обмотки магнитного поля тока Iр роторной обмотки, следовательно двигатель характеризуется наибольшей индуктивностью (индуктивным сопротивлением) статорных обмоток и потребляет минимальный реактивный ток (реактивную мощность). Во вращающемся со скольжением s#0 двигателе ЭДС Ер совершает работу, покрывающую кроме активных потерь энергии, связанных с протеканием тока Iр в обмотке ротора, еще и потери энергии при совершении электромагнитным моментом М работы по преодолению момента сопротивления Мс устройства У. Совершение электромагнитным моментом двигателя работы по преодолению момента сопротивления Мс означает преобразование электрической энергии в механическую, расходуемую на совершение работы устройством У.