Принцип действия асинхронной машины и режимы работы

Обмотка статора создает вращающийся магнитный поток Ф1, который при своем вращении пересекает проводники обмотки статора и ротора, индуктируя в них ЭДС e1, e2. ЭДС обмотки статора e1, являясь ЭДС самоиндукции, действует встречно приложенному к обмотке напряжению и ограничивает ее ток.

Если обмотку фазного ротора замкнуть, то в ней под действием ЭДС e2 возникнет ток i2, частота которого при неподвижном роторе равна первичной частоте f1 (частоте тока обмотки статора). При трехфазной обмотке ротора в ней индуктируется трехфазный ток, который создает вращающийся магнитный поток ротора Ф2.

При неподвижном роторе вращающийся магнитный поток ротора Ф2, вследствие равенства числа полюсов обмоток, имеет частоту и направление вращения такие же, как у магнитного потока статора

, об/с.

Потоки Ф1 и Ф2 вращаются синхронно и образуют результирующий вращающийся магнитный поток Ф.

При короткозамкнутом роторе, в отличие от фазного ротора, в стержнях его обмотки индуктируется многофазная система токов i2. Эти токи также создают вращающийся магнитный поток Ф2, у которого число полюсов, частота и направление вращения являются такими же, как у потока фазного ротора.
ЭДС, индуктируемые в обмотках статора и ротора вращающимся магнитным потоком, можно рассматривать как действие результирующего магнитного потока Ф.
В результате взаимодействия проводников с током, размещенных в пазах ротора, с результирующим магнитным потоком Ф возникают действующие на проводники ротора механические силы F и вращающий электромагнитный момент М.
Изобразим на рис.2.7 упрощенную развертку двухполюсной асинхронной машины. В верхней части рисунка представлена вращающаяся слева направо синусоидальная волна индукции В результирующего магнитного потока Ф, и направления ЭДС e2 в проводниках обмотки неподвижного короткозамкнутого ротора, индуктируемых этим потоком. Ниже показаны направления токов проводников i2 и действующих на них сил F, когда угол сдвига фаз между e2 и равен нулю и 90 эл.град.

При =0 все механические силы действуют в сторону вращения магнитного потока. Поэтому создается электромагнитный вращающий момент, действующий в сторону вращения магнитного потока.
При = механические силы действуют на проводники обмотки ротора таким образом, что не создается результирующий электромагнитный вращающий момент. Это позволяет сделать вывод, что вращающий момент создается только активной составляющей тока ротора

.
Так как обмотка ротора асинхронного двигателя обладает активным и индуктивным сопротивлениями, то в первый момент пуска (при неподвижном роторе) всегда , в результате создается электромагнитный вращающий момент. Если он больше статического момента на валу, ротор придет во вращение в том же направлении, что и поток, но с несколько меньшей частотой вращения n. Причина этого заключается в том, что ротор является симметричным в электрическом и магнитном отношении. Поэтому не создается "реактивный" момент, как в синхронных машинах, и синхронизма вращения ротора и потока нет. Это и заставило назвать рассматриваемые электрические машины асинхронными.

Относительная разность частот вращения потока и ротора называется скольжением и может рассчитываться в относительных единицах или в процентах

, о.е.,

, %.

Частота вращения ротора определяется через скольжение в о.е. следующим образом , через скольжение в % .
В первый момент пуска (при неподвижном роторе) скольжение равно единице. Если ротор вращать синхронно с потоком , вращающееся магнитное поле относительно ротора неподвижно и скольжение равно нулю. ЭДС в обмотке ротора в этом случае не индуктируется, ток в обмотке ротора отсутствует, поэтому электромагнитный момент не создается.
Таким образом, асинхронная машина в режиме двигателя обладает частотой вращения ротора и скольжением в следующих диапазонах:

; .

Рис. 2.7

Ранее было отмечено, что потоки обмоток статора и ротора в первый момент пуска (при неподвижном роторе) вращаются синхронно. Рассмотрим, изменится ли ситуация при вращающемся роторе.

При вращении ротора в сторону вращения потока частота пересечения потоком проводников обмотки ротора пропорциональна разности их частот вращения , поэтому частота тока в обмотке ротора будет равна
.
Т.е. частота тока в обмотке ротора пропорциональна скольжению.

При частоте тока в обмотке ротора частота вращения поля ротора относительно самого ротора также меньше

.

Частота вращения потока обмотки ротора относительно статора
,
т.е. частота вращения потока обмотки ротора относительно статора при любой частоте вращения ротора n равна частоте вращения потока обмотки статора n1.
К выше сказанному остается добавить следующее. Если ротор асинхронной машины с помощью дополнительного устройства привести во вращение в направлении вращения потока с частотой выше синхронной (n>n1), то ротор будет обгонять поток и направления индуктируемых в обмотке ротора ЭДС и токов изменятся на обратные. Также изменятся на обратные направления сил F и электромагнитного момент М.

Момент теперь будет тормозящим, а машина будет работать в режиме генератора и отдавать активную мощность в сеть. Скольжение для генераторного режима S< 0.
Если ротор вращать в направлении обратном направлению вращения потока, то направления , , F сохраняются такими же, как в двигательном режиме. Электромагнитный момент М будет действовать в направлении вращения потока, но будет теперь тормозить вращение ротора. Этот режим асинхронной машины называется режимом противовключения или режимом электромагнитного тормоза. В этом режиме .