АСИНХРОННЫЕ
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ

1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Принцип действия электрических машин переменного тока основан на физических законах взаимодействия магнитного поля и помещенного в это поле проводника, по которому проходит электрический ток, а также на явлениях, возникающих при движении этого проводника в магнитном поле.

По своему назначению электрические машины разделяются на генераторы и двигатели. Генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую и предназначаются для генерирования электрического тока. Двигатели преобразуют электрическую энергию в механическую и являются потребителями электроэнергии, так называемой двигательной нагрузкой генераторов пли электрической сети.

Для лучшего понимания принципов, на которых основана работа современного асинхронного электродвигателя, рассмотрим известный опыт Фарадея (рис. 1). В этом опыте некоторый постоянный магнит М с полюсами N — S приводится во вращение механически с помощью рукоятки Р. На сравнительно небольшом расстоянии от полюсов магнита устанавливается легкий медный диск Д на оси, которая может вращаться в подшипниках. При вращении рукоятки и соответственно магнита в медном диске наводятся токи, которые, взаимодействуя с магнитным полем N— S, обеспечивают появление вращающего момента. Под влиянием этого момента диск увлекается в сторону вращения магнита. Таким образом, диск Фарадея является прототипом современного асинхронного электродвигателя.

Если в магнитное поле поместить прямолинейный проводник перпендикулярно направлению поля и пропустить через него ток I, то на него будет действовать механическая сила F, прямо пропорциональная силе  (интенсивности) магнитного поля, количественно определяемого магнитной индукцией В, длине l и току I, Н:

где В—магнитная индукция, Т; l — длина той части проводника, которая находится в магнитном поле, м; I— сила тока, проходящего по проводнику, А.

Численный коэффициент 1,02 ∙ 10-13 в правой части уравнения определяет размерность полученного значения. В нашем случае мы получим значение действующей на проводник силы

Рис. 1. Опыт Фарадея с диском.

в ньютонах (Н).

Таким образом, электромагнитный механизм любой электрической машины должен содержать две основные части: устройство, содержащее магнитное поле, и совокупность проводников, пересекающих линии магнитного поля. В машинах электрическое поле обычно создается с помощью стальных сердечников с намотанными на них катушками. По этим катушкам проходит электрический ток и создает, таким образом, магнитное поле большой интенсивности.

Рассмотрим теперь образование магнитного (поля с помощью переменного тока, преходящего по витку катушки, имеющему форму, показанную на рис. 2,а. Промышленная сеть переменного тока обычно обеспечивает синусоидальную форму тока. На рис. 2,в изображена кривая изменения тока в рассматриваемом контуре по времени. Как видно из графика, величина тока имеет один знак, принятый положительным, на участке от 0 до t1, а затем противоположный, отрицательный знак на участке от t1 до t2 по оси времени. Максимальные величины тока Iмакс достигаются в моменты времени t' и t''.

При прохождении тока по проводнику образуется магнитное поле, направление силовых линий которого показано на рис. 2,б в плоскости, перпендикулярной контуру с током. Условно направление тока от плоскости чертежа к читателю обозначено точкой О•, а противоположное направление — крестиком О+. Пунктиром показан постоянный магнит, обеспечивающий аналогичное магнитное поле, как и контур с током в момент вре­мени t'. Для любого другого момента времени на участке 0 — t1 магнитное поле будет иметь то же направление, но по величине оно будет слабее (например, в момент времени t''). Далее на участке характеристики t1— t2 (рис. 2,в) направление магнитных силовых линий поля (рис. 2,б) меняется на противоположное в соответствии с изменением знака, т. е. направление тока в контуре (противоположное по сравнению с изображенным на рис. 2,б) также изменится на противоположное.

Рис.2. Образование пульсирующего магнитного  поля  контуром с током. а — контур   с   током;    б — магнитное   поле   контура;    в — изменение   тока в   контуре  во   времени.

Таким образом, при питании контура переменным током направление и величина (интенсивность) магнитного поля, образованного этим витком, периодически изменяются. Такое магнитное поле получило название пульсирующего.

Выше был рассмотрен случай образования магнитного поля при питании контура однофазным переменным током. На практике асинхронные двигатели, как правило, питаются трехфазным переменным током. Трехфазная цепь переменного тока состоит из трех однофазных цепей. В этих цепях токи или напряжения изменяются по тому же периодическому закону с той же частотой, но с некоторым сдвигом (отставанием) во времени. Величина отставания тока во второй фазе по сравнению с током в первой фазе составляет 1/3 периода Т, или 120°. Ток в третьей фазе также отстает от тока во второй фазе на 1/3 периода.

На рис. 3,б показано образование магнитного поля с помощью трех контуров, сдвинутых относительно друг друга на 120° и питающихся от трехфазной сети переменного тока. На рис. 3,а показан характер прохождения токов в каждой фазе, т. е. в каждом из контуров. Обозначение направлений токов на рис. 3,б (точка или крестик) соответствует принятому нами на рис. 2. Токи считаются положительными, если они имеют направления из плоскости чертежа (обозначено точкой) в началах контуров с током в фазах Ан, Вн, Сн и одновременно направление в плоскость   чертежа (обозначено крестиком) в концах контуров фаз Ак , Вк , Ск .

Рис. 3. Образование вращающегося магнитного поля трехфазным током. а —изменение  фазных токов  во  времени;   б —магнитное поле  в  разные моменты времени.

Такой случай, соответствующий моменту времени t1, показан на верхнем примере рис. 3,б. Пользуясь известным из физики правилом буравчика, можно построить силовые линии создаваемого магнитного поля токов. Направление этих силовых линий будет аналогично направлению силовых линий поля, создаваемого с помощью постоянного магнита, обозначенного на рисунке пунктиром.

Рис. 4. Изменение чередования фаз питающего напряжения для изменения направления вращения асинхронного двигателя.

В некоторый момент времени t2 величина iВ достигнет своего наибольшего положительного значения, при этом токи iА , iС отрицательны. Такой пример рассмотрен на втором сверху рисунке (рис. 3,б). Как видно, в рассматриваемом случае две образовавшиеся зоны токов противоположного направления создают таксе же поле, как и в момент времени t1, однако, повернутое на 1/3 окружности, т. е. на 120° по часовой стрелке.

Далее сравним распределение магнитного поля на оставшихся двух примерах рис. 3,б, соответствующих моментам времени t3 и t4, с рассмотренными выше случаями для моментов времени t1 и t2. При сравнении видно, что за период изменения тока Т создаваемое этим трехфазным током магнитное поле поворачивается на целый оборот, т. е. на 360°. Такое магнитное поле называется вращающимся.

Если изменить чередование каких-либо двух фаз (рис. 4), например подключить обмотки b к фазе С и наоборот, т. е. вместо соединения по схеме на рис. 4,а выполнить его по схеме на рис. 4,б, то произойдет изменение направления вращения магнитного поля на противоположное. Это свойство обычно используется при необходимости изменения вращения асинхронного электродвигателя, т. е. при осуществлении так называемого реверса двигателя.

Как видно из простейшего примера, аналогичное магнитное поле могло быть получено с помощью электромагнита, имеющего одну пару полюсов (северный N и южный S). В дальнейшем понятием число пар полюсов мы будем часто пользоваться. В асинхронном электродвигателе имеются две основные части: вращающийся ротор и неподвижный статор. В наиболее широко распространенных трехфазных асинхронных электродвигателях статор подключается к трехфазной сети переменного тока. Трехфазный ток обмоток статора создает вращающееся магнитное поле с магнитным потоком Ф. Поле, вращаясь вокруг ротора и пересекая его обмотки, наводит в них электродвижущие силы (э. д. с), под действием которых в обмотках ротора проходит ток I2 (в дальнейшем индекс 1 будет соответствовать параметрам статора и индекс 2— ротора).

При взаимодействии тока ротора с вращающимся магнитным полем статора возникает сила, которая заставляет ротор двигаться в сторону вращения магнитного поля. Этой силе соответствует вращающийся электромагнитный момент М (Н∙м), величина которого пропорциональна магнитному потоку Ф (Вб) поля статора и току ротора I2 (А), т. е.

Необходимо отметить, что вращающееся поле может быть двухполюсным, четырехполюсным, шестиполюсным и т. д. Число пар полюсов вращающегося поля определяется устройством создающей его обмотки статора. При одной и той же частоте питающего тока (промышленная частота 50 периодов в секунду) многополюсное магнитное поле будет вращаться медленнее двухполюсного в число раз, равное числу пар полюсов.

В асинхронном двигателе частота вращения ротора, увлекаемого магнитным полем статора, меньше частоты вращения самого поля. В самом деле, в случае равенства этих частот прекратилось бы движение поля по отношению к ротору, так как в роторе перестала бы наводиться электродвижущая сила, создающая токи в его обмотках. При этом прекратилось бы взаимодействие ротора с вращающимся полем и устранилась бы причина вращения ротора. В таком случае ротор стал бы неминуемо проскальзывать, т. е. частота его вращения стала бы меньше, чем частота вращения магнитного поля, что и соответствует действительному положению в асинхронном двигателе. Ввиду различия частот вращения поля и ротора рассматриваемые машины получили название асинхронных.

При изучении явлений, протекающих в роторе асинхронного двигателя, когда он заторможен (т. е. при неподвижном роторе), можно заключить, что машина в этом режиме по своей физической природе представляет собой трансформатор. Первичной обмоткой трансформатора служит статор, а вторичной — обмотка ротора. В общем случае асинхронный двигатель отличен от трансформатора главным образом своим конструктивным исполнением. У асинхронной машины вторичная обмотка отделена от первичной воздушным зазором, чего нет в общепромышленных трансформаторах. Кроме того, вторичная обмотка двигателя вращается по отношению к первичной. Как было отмечено выше, частота вращения п, с которой вращается ротор, должна отличаться от частоты вращения магнитного поля п1. В зависимости от соотношения этих частот существуют три режима работы асинхронной машины: двигательный, генераторный, тормозной.

При работе асинхронной машины в двигательном режиме частота вращения ротора изменяется в пределах 0<п<п1. Вращение ротора осуществляется под воздействием электромагнитного вращающего момента и его направление совпадает с направлением вращения поля статора. Этот режим является основным при работе машины. Подводимая к статору электрическая энергия преобразуется в данном режиме в механическую.

Если с помощью какой-либо другой установки, т. е. другого первичного двигателя, установленного на валу асинхронной машины, обеспечить частоту вращения ротора выше частоты вращения магнитного поля статора (n>п1), то асинхронная машина перейдет в генераторный режим. При этом направление вращения поля статора относительно ротора изменится на обратное по сравнению с работой машины в двигательном режиме. Электромагнитный момент на валу, развиваемый асинхронной машиной, становится тормозящим по отношению к двигателю, который приводит ее во вращение. Механическая энергия, передаваемая этим двигателем асинхронной машине, преобразуется в электрическую и отдается в сеть, к которой подключен ее статор. Примером может служить работа электровоза при спуске железнодорожного состава под уклон.

Режим работы асинхронной машины, когда ротор приводится во вращение против направления вращения электромагнитного поля статора, получил название режима электромагнитного тормоза. Этот режим нашел применение в ряде подъемнотранспортных устройств. Однако генераторный режим и режим электромагнитного тормоза редко используются в асинхронных машинах и в данной книге подробно не рассматриваются.