2.3. Принцип действия асинхронных машин

В обмотке статора, включенной в сеть переменного тока напряжением ,возникает переменный ток , который создает переменный магнитный поток. Первая (основная) гармоника этого потока вращается ссинхронной частотой, об/мин:

, где– число пар полюсов обмотки статора.

Угловая скорость вращения магнитного поля, рад/с:

, где, рад/с.

Переменный поток пересекает проводники обмотки ротора и наводит в них ЭДС. Если цепь ротора замкнута, то в ней появится ток. На проводники с током,расположенные в магнитном поле , действуют электромагнитные силы, суммарное усилие которых образует электромагнитный момент между статором и ротором. Статор укреплен на основании и не вращается, поэтому весь момент действует на ротор.

Между статором и ротором асинхронной машины существует магнитная связь, такая же, как между первичной и вторичной обмотками трансформатора.

Асинхронные машины могут работать в генераторном режиме, но для его реализации паралельно машине должен быть включен соовтетствующий источник реактивной мощности, необходимый для образования магнитного поля в машине. Таким источником может быть, например, батарея конденсаторов.

Частота , с которой вращается ротор, обязательно должна отличаться от частоты вращающегосямагнитного поля , так как приротор неподвижен относительно поля статора, ЭДС и ток в обмотке ротора равны нулю и электромагнитный момент отсутствует.

Разность частот вращения иотносительно синхронной частоты вращенияназываютскольжением асинхронной машины:

. Скольжение обычно выражается в относительных единицах или процентах.

2.4. Магнитная цепь асинхронной машины

Магнитодвижущая сила обмотки статора создает магнитный поток, который замыкается через элементы магнитной системы машины. Магнитная система асинхронной машины неявнополюсная. Количество полюсов, создающих магнитное поле в ней, определяется числом полюсов в обмотке статора. На рисунке 2.2 представлена магнитная цепь неявнополюсной машины. Здесь видны участки магнитной цепи: воздушный зазор , зубцовый слой статораи ротора, ярмо статора и ротора .

Рис. 2.2. Магнитная цепь асинхронной машины.

Каждый из этих участков оказывает магнитному потоку некоторое магнитное сопротивление. Поэтому на каждом участке магнитной цепи затрачивается часть МДС обмотки статора, называемая магнитным напряжением:

, где – сумма магнитных напряжений участков магнитной цепи.

Расчет МДС обмотки статора на одну пару полюсов сводится к расчету магнитных напряжений на всех участках магнитной цепи.

Полученное в результате расчета магнитной цепи значение МДС на пару полюсов позволяет определить основную гармонику намагничивающего тока обмотки статора (реактивную составляющую):

, где – амплитуда МДС, А;– число фаз обмотки статора;– число витков обмотки статора;– обмоточный коэффициент обмотки статора, учитывающий уменьшение наводимой в ней ЭДС вследствие укорочения шага обмотки и ее распределением.

Исходным параметром при расчете магнитной цепи является максимальная магнитная индукция в воздушном зазоре, которая определяет магнитную нагрузку двигателя: при слишком малоймагнитная система двигателя недогружена, габаритные размеры двигателя получаются неоправданно большими; при чрезмерно большом значениирезко возрастут магнитные напряжения на участках магнитной системы, особенно в зубцовых слоях статора и ротора, в результате возрастет намагничивающий ток статора и снизится КПД двигателя.

Наибольшее магнитное напряжение приходится на воздушный зазор, поэтому ток холостого хода при значительно выше, чем в трансформаторе аналогичной мощности. Относительный ток холостого ходадля двигателей мощностью от 1 до 100 кВт лежит в диапазоне 0,25–0,5; в микродвигателях – 0,5–1,0.

В процессе работы асинхронного двигателя токи в обмотках статора и ротора создают две магнитодвижущие силы: МДС статора и МДС ротора. Совместным действием эти МДС наводят в магнитной системе двигателя результирующий магнитный поток, вращающийся относительно статора с синхронной частотой вращения . Этот магнитный поток можно рассматривать состоящим изосновного потока , сцепленного как с обмоткой статора, так и с обмоткой ротора (магнитный поток взаимоиндукции), ипотоков рассеяния статора и ротора . Потоки рассеяния сцепляется только с собственными обмотками и наводят в каждой из них ЭДС рассеяния: в обмотке статора, в обмотке ротора.

Наличие магнитных потоков рассеяния обусловливает индуктивности рассеяния в обмотке статора и в обмотке ротора, и, соответственно, индуктивные сопротивления рассеяния:

и. Индуктивные сопротивления рассеяния зависят от типа обмотки.

В пазах индукция магнитного поля значительно меньше, чем в зубцах, однако условия наведения ЭДС в обмотке остаются такими же, как если бы пазовые стороны обмотки были расположены на гладкой поверхности сердечника. Это объясняется свойством непрерывности магнитных линий: магнитные линии вращающегося магнитного поля переходят из одного зубца в другой и пересекают пазовые проводники обмотки, лежащие в пазах между зубцами, наводя в них ЭДС.

Электромагнитная сила, возникающая при взаимодействии тока в проводнике обмотки с внешним магнитным полем, приложена главным образом не к проводнику, а к зубцам, образующим стенки паза. По величине сила, действующая на зубец, в 50–100 раз больше силы, действующей на проводник в пазу. Явление переноса механических сил с проводников на зубцы объясняется возникновением пондеромоторных сил, которые появляются в магнитном поле на границе раздела двух сред с разной магнитной проницаемостью и всегда направлены от среды с большей магнитной проницаемостью к среде с меньшей магнитной проницаемостью.