§ 107. Режимы работы асинхронного двигателя

Подключим обмотку статора к сети трехфазного переменного тока. Внутри статора возникает магнитное поле, вращающееся со скоростью n₀. Магнитные линии поля будут пересекать обмотку неподвижного ротора и индуктировать в ней э.д.с. E_2s. Под действием э.д.с. Е_2s в обмотке ротора будет протекать ток I₂. Ток ротора, взаимодействуя с вращающимся магнитным полем, создает вращающий момент, под действием которого ротор начинает вращаться в сторону вращения поля со скоростью, меньшей скорости вращающегося поля. Если предположить, что ротор будет иметь такую же скорость вращения, как и магнитное поле, то токи в обмотке ротора исчезнут. С исчезновением токов в обмотке ротора прекратится взаимодействие их с магнитным полем и ротор станет вращаться медленнее вращающегося поля. При этом обмотка ротора вновь начнет пересекаться вращающимся полем и на ротор снова будет действовать вращающий момент. Следовательно, ротор при своем вращении всегда должен отставать от скорости вращения магнитного поля статора, т. е. вращаться с меньшей скоростью, почему эти двигатели и получили название асинхронных.

Если через n₀ обозначить скорость вращения магнитного поля (синхронная скорость), а через n - скорость вращения ротора двигателя, то разность n₀ - n будет называться скоростью скольжения. Отношение скорости скольжения к скорости вращающегося магнитного поля называется скольжением двигателя и обозначается буквой S.

Таким образом, скольжение

откуда

Если, например, магнитное поле делает 1500, а ротор - 1450 об/мин, то скольжение

В момент пуска двигателя, когда скорость ротора n = 0, скольжение

при холостом ходе n ≈ n₀ и поэтому скольжение

Скольжение асинхронного двигателя в зависимости от нагрузки меняется незначительно (1-6%). Чем больше мощность двигателя, тем меньше его скольжение.

Пример. Определить скольжение в процентах для шестиполюсного асинхронного двигателя, если ротор его делает 960 об/мин.

если f = 50 гц то

тогда скольжение

Асинхронная машина, работая в режиме двигателя, изменяет скорость вращения от n = 0 (момент пуска) до n ≈ n₀ (холостой ход) и соответственно скольжение от S = +1 до S ≈ 0.

Скольжение S характеризует скорость пересечения обмоток ротора вращающимся магнитным полем. Поэтому с изменением скорости вращения двигателя изменяется скольжение S и соответственно изменяется частота э.д.с. и токов в роторе, что видно из уравнения

При пуске двигателя

при холостом ходе

Например, если f₁ = 50 гц, то при пуске f₂ = 50 гц. При скольжении S = 2% частота тока в роторе

Наибольшее значение э.д.с. E₂ в обмотке ротора асинхронного двигателя возникает в момент пуска, когда ротор неподвижен (n = 0, S = 1) и магнитный поток пересекает обмотку ротора с максимальной скоростью. Поэтому величина тока ротора, а следовательно, и тока статора в этот момент будет также наибольшей.

Особенно велик пусковой ток у асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором из-за отсутствия токоограничивающих сопротивлений в его цепи. Пусковой ток у этих двигателей может превышать номинальное значение тока в 5-7 раз:

В этом заключается основной недостаток асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

У асинхронных двигателей с фазным ротором удается при помощи пускового реостата значительно уменьшить пусковой ток. У этих двигателей пусковой ток только в 2-2,5 раза больше номинального тока:

Электромагнитные процессы, происходящие в асинхронном двигателе, во многом подобны процессам, происходящим в трансформаторе.

Двигатель, как и трансформатор, имеет две обмотки, между которыми существует магнитная связь. Роль первичной обмотки трансформатора выполняет в двигателе обмотка статора, роль вторичной - обмотка ротора.

При работе асинхронного двигателя по обмоткам статора W₁ и ротора W₂ протекают соответственно токи I₁ и I₂, которые создают две намагничивающие силы W₁I₁ и W₂I₂. Совместным действием этих намагничивающих сил в машине создается результирующий магнитный поток Φ. Как и в трансформаторе, напряжение на зажимах обмотки статора U₁ уравновешивается почти полностью э.д.с. Е₁, индуктированной в этой обмотке вращающимся магнитным полем. Величина результирующего магнитного потока Φ определяется величиной напряжения U₁ и почти не зависит от величины нагрузки.

Взаимное отношение токов статора и ротора в асинхронных двигателях аналогично соотношению первичного и вторичного токов в трансформаторе. Ток статора является намагничивающим, а ток ротора, согласно правилу Ленца, является размагничивающим.

При работе электродвигателя без нагрузки (холостой ход) скольжение S очень мало. С увеличением нагрузки на валу двигателя скорость вращения ротора уменьшается, а скольжение S увеличивается. В связи с этим возрастает скорость пересечения витков обмотки ротора вращающимся магнитным полем, а следовательно, увеличиваются индуктированная в роторе э.д.с. Е₂ и ток I₂. Так как результирующий магнитный поток Φ должен оставаться при этом неизменным, то возрастание размагничивающего тока I₂ вызывает соответственно увеличение тока I₁, потребляемого обмоткой статора из питающей сети. По амперметру, включенному в цепь статора, можно, таким образом, судить о нагрузке двигателя.

Разница между асинхронным двигателем и трансформатором заключается, во-первых, в конструкции магнитной цепи. У двигателя цепи (первичная и вторичная) разделены воздушным промежутком, чего не бывает у трансформаторов обычной конструкции. При работе двигателя ротор вместе с его обмоткой вращается.

Во-вторых, в асинхронном двигателе электрическая энергия, потребляемая из сети, за вычетом потерь в двигателе, преобразуется в механическую энергию, используемую для приведения во вращение машины, станка или механизма, соединенного с валом двигателя.

В электрическом двигателе потери складываются из электрических (в обмотках), магнитных (в стали магнитопровода) и механических (трение в подшипниках и трение вращающегося ротора о воздух). Эти потери вызывают нагревание обмоток и других частей машин.

Номинальная мощность электрического двигателя, так же как и трансформатора, определяется предельно допустимой температурой нагрева изоляции обмоток, т. е. главным образом предельно допустимым длительным номинальным током. В паспорте электрического двигателя указывается его номинальная мощность Р_н (квт), т. е. механическая мощность на валу двигателя, которая может длительно отдаваться приводимой рабочей машине без перегрева обмоток двигателя. к.п.д. асинхронных двигателей при номинальной нагрузке находится в пределах 85-95% (верхний предел относится к двигателям большей мощности).