Принцип действия асинхронного электродвигателя

Система трехфазного переменного тока, позволившая создать устройства для получения вращающегося магнитного потока, вызвала появление наиболее распространенного в данное время электродвигателя, называемого асинхронным. Это название обусловлено тем, что вращающаяся часть машины — ротор — всегда вращается со скоростью, не равной скорости магнитного потока, т.е. не синхронно с ним. Изготовляемый на мощности от долей ватта до тысяч киловатт при напряжениях 127, 220, 380, 500, 600, 3000, 6000, 10 000 В, такой электродвигатель прост по конструкции, надежен в эксплуатации и дешев по сравнению с другими электродвигателями. Он применяется во всех видах работ, где не требуется поддержания постоянной скорости вращения, а также в быту, в однофазном исполнении при малой мощности.

Рассмотрим устройство, показанное на рис. 1.

Рис. 1.Модель асинхронного двигателя

Оно состоит из постоянного магнита 1, медного диска 2, рукоятки 3 и подшипников 4. Если вращать магнит при помощи рукоятки, то медный диск начинает вращаться в ту же сторону, но с меньшей частотой вращения. Медный диск можно рассматривать как бесчисленное множество замкнутых витков; при вращении магнита 1 его магнитные силовые линии (м.сл.) пересекают витки диска, и в витках индуцируется электродвижущая сила (э.дс). В замкнутых витках диска появится ток, а вокруг проводников с током — магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем магнита и приводит диск во вращение. Обозначим:
n₁ — частота вращения магнита (синхронная частота), об/мин;
n₂ — частота вращения диска, об/мин;
n — разность частот вращения магнита и диска, об/мин.
Частота вращения диска меньше частоты вращения магнита, и, следовательно, диск вращается с несинхронной (асинхронной) частотой. Разница частот магнита и диска представляет собой частоту, с которой м.сл. пересекают витки диска. Отношение разницы частот к синхронной частоте называется скольжением. Скольжение может быть выражено в долях единицы и в процентах:

В двигателях вращающееся магнитное поле создается трехфазным током, протекающим по обмотке статора, а роль диска выполняет обмотка ротора. Активная сталь статора и ротора служит магнитопроводом, уменьшающим в сотни раз сопротивление магнитному потоку.
Под влиянием подведенного к статору напряжения сети U₁ в его обмотке протекает ток I₁. Этот ток создает вращающийся магнитный поток Ф, замыкающийся через статор и ротор. Поток создает в обеих обмотках э.д.с. E₁ и Е₂, как в первичной и вторичной обмотках трансформатора. Таким образом, асинхронный двигатель подобен трехфазному трансформатору, в котором э.д.с. создаются вращающимся магнитным потоком.
Пусть поток вращается в направлении движения стрелки часов. Под влиянием э.д.с. Е₂ в обмотке ротора пойдет ток I₂, направление которого показано на рис. 2. В предложении, что он совпадает по фазе с Е₂. Взаимодействие тока I₂ и потока Ф создает электромагнитные силы F, приводящие ротор во вращение, вслед за вращающимся потоком. Таким образом, асинхронный двигатель представляет собой трансформатор с вращающейся вторичной обмоткой и способный поэтому превращать электрическую мощность E₂I₂cosφ в механическую.
Ротор всегда отстает от вращающегося магнитного потока, так как только в этом случае может возникать э.д.с. Е₂, а следовательно, ток I₂ и силы F. Чтобы изменить направление вращения ротора, следует изменить направление вращения потока. Для этого меняют местами два любых провода, подводящие ток от сети к статору. В этом случае меняется порядок следования фаз ABC на АСВ или ВАС и поток вращается в обратную сторону.
Ротор двигателя вращается с асинхронной частотой n₂, поэтому и двигатель называется асинхронным. Частоту вращения магнитного потока называют синхронной частотой n₁. Частота вращения ротора:

где f — частота сети; S — скольжение; 2р — число пар полюсов статора.
Теоретически скольжение меняется от 1 до 0 или от 100 до 0%, так как при неподвижном роторе в первый момент пуска n₂=0, а если вообразить, что ротор вращается синхронно с потоком,n₂ = n₁.
Чем больше нагрузка на валу, тем меньше скорость ротора n₂ и, значит, больше S, так как больший тормозной момент должен уравновеситься вращающим моментом; последнее возможно только при увеличении Е₂ и I₂, а значит, и S. Скольжение при номинальной нагрузке S_н у асинхронных двигателей равно от 1 до 7%; меньшая цифра относится к мощным двигателям.