Учебник для 11 класса

ФИЗИКА

§ 3.8. Асинхронный электродвигатель

Наиболее распространенным типом электрического двигателя в современной электротехнике является простой в устройстве, удобный и надежный в эксплуатации двигатель с вращающимся магнитным полем, основанный на применении трехфазного тока. Он изобретен в 1889 г. М. О. Доливо-Добровольским.

Чтобы понять основную идею конструкции и действия этих двигателей, обратимся к опыту (рис. 3.24). Если дугообразный магнит привести во вращение, то помещенный в это поле замкнутый проволочный виток тоже придет во вращение в ту же сторону, в какую вращается магнит. Объяснить опыт можно следующим образом. Так как магнит вращается, то создаваемое им магнитное поле тоже приходит во вращение. При вращении поля изменяется магнитный поток через виток, поэтому в витке индуцируется ток. Взаимодействие индукционного тока с магнитным полем вращающегося магнита вызывает вращение витка.

Рис. 3.24

Согласно правилу Ленца индукционный ток в витке противодействует изменению магнитного потока через виток, т. е. противодействует вращению поля. Но замедлить вращение магнитного поля он не может, так как оно определяется внешней механической силой. Поэтому виток сам вращается в сторону вращения поля.

При наличии трехфазного тока очень легко получить вращающееся магнитное поле без механического вращения магнита, что используется в асинхронном электродвигателе.

Устройство асинхронного электродвигателя

Асинхронный электродвигатель (рис. 3.25) состоит из двух главных частей: неподвижной части — статора 1 и вращающейся части — ротора 2.

Рис. 3.25

Статор электродвигателя набирается из отдельных стальных листов (рис. 3.26), которые изолируются друг от друга и образуют конструкцию, показанную на рисунке 3.27. На внутренней поверхности статора в пазах укладывается обмотка.

Рис. 3.26

Рис. 3.27

Ротор электродвигателя тоже набирается из стальных листов (рис. 3.28), которые закрепляются на валу (рис. 3.29).

Рис. 3.28

Рис. 3.29

В пазы ротора укладываются медные стержни, которые на торцовых частях соединяются друг с другом медными кольцами, образуя обмотку, называемую «беличьим колесом» (рис. 3.30).

Рис. 3.30

Обмотка статора трехфазного асинхронного электродвигателя в простейшем случае состоит из трех катушек, повернутых друг относительно друга на 120° (рис. 3.31). Эти катушки соединяются звездой или треугольником и включаются в сеть трехфазного тока.

Рис. 3.31

Вращающееся магнитное поле

По трем обмоткам (катушкам) статора (см. рис. 3.31) проходят токи трехфазной системы, сдвинутые по фазе на 2π/3. Эти токи образуют три переменных магнитных поля. Так как в любой момент времени модуль В индукции магнитного поля пропорционален силе тока в катушке i, то изменения модуля индукции магнитного поля любой катушки происходят по тому же закону, по которому изменяется сила тока в ней.

Мгновенные значения индукций магнитных полей каждой из трех катушек в произвольный момент времени t выражаются уравнениями:

Векторы _A, _B и _C, колеблются вдоль осей симметрии обмоток статора (рис. 3.32). (На рисунке 3.32, как и на рисунке 3.31, каждая обмотка (катушка) статора показана схематически в виде одного витка. Ротор внутри статора показан в виде круга без обмотки.)

Рис. 3.32

Для нахождения магнитной индукции результирующего поля проведем две взаимно перпендикулярные координатные оси Ох и Оу, направив ось Ох вдоль вектора В_A. Найдем проек-ции векторов _A, _B и _C на координатную ось Ох:

Определим теперь проекцию на ось Ох вектора индукции результирующего поля:

To же самое с заменой синуса на косинус имеет место для проекции В_y:

Зная проекции В_x и B_y с помощью теоремы Пифагора найдем модуль вектора в данный момент времени t:

При t = О (в начальный момент) В_x = О, а В_y = В_m. Следовательно, в начальный момент времени направление вектора индукции результирующего магнитного поля совпадало с направлением оси Оу. Поворот вектора за время t определяется углом α:

Отсюда

Таким образом, при прохождении трехфазного тока по обмоткам (катушкам) статора асинхронного электродвигателя модуль вектора индукции резулътирующего магнитного поля не изменяется и равен B_m, где B_m — амплитуда индукции магнитного поля одной катушки. Сам же вектор вращается в плоскости осей катушек с угловой скоростью ω.

В рассмотренном случае вектор магнитной индукции вращается по часовой стрелке (см. рис. 3.32). Но если поменять местами два любых провода, питающих электродвигатель, то магнитное поле (вектор ) будет вращаться в противоположном направлении. Это вы можете доказать самостоятельно.

В рассмотренном примере, когда обмотка статора состоит из трех катушек, повернутых друг относительно друга на 120°, вектор вращается с угловой скоростью ω, равной циклической частоте переменного тока. Одному периоду тока соответствует один оборот магнитного поля. Но если взять, например, шесть катушек, соединить их попарно последовательно и расположить в пазах статора так, как показано на рисунке 3.33, то при прохождении по ним трехфазного тока магнитное поле будет вращаться в два раза медленнее. Это можно строго доказать. Но понять его легко из следующих простых рассуждений.

Рис. 3.33

Когда обмотка статора состоит из трех катушек, они занимают всю окружность статора (360°) и вектор магнитной индукции за период поворачивается на 360°. При наличии же шести катушек они сдвинуты относительно друг друга на 60°, и комплект катушек АХ, BY, CZ занимает одну половину окружности статора (180°), а другую половину занимают катушки А'Х', B'Y', C'Z'. Теперь за период вектор повернется лишь на 180°, т. е. частота вращения магнитного поля оказывается равной половине частоты тока. Если число комплектов катушек статора (в комплект входит три катушки) обозначить через р, то частота вращения поля , где V — частота тока.

Таким образом, скорость вращения магнитного поля определяется числом катушек в обмотке статора, которое всегда кратно трем.

Принцип действия асинхронного электродвигателя

Вращающий момент двигателя создается силами взаимодействия вращающегося магнитного поля статора и токов, индуцируемых им в роторе.

Скорость вращения ротора электродвигателя не может достигнуть скорости вращения магнитного поля. Вращающий момент, действующий на ротор, определяется силой тока (или соответствующей ЭДС), индуцируемого в роторе. А индуцируемая в роторе ЭДС определяется скоростью вращения поля по отношению к скорости вращения ротора, который вращается в ту же сторону, что и поле. Значит, если бы ротор вращался с той же скоростью, что и поле, то он находился бы в покое относительно поля, и в нем не возникала бы ЭДС индукции. В роторе не было бы тока и не мог бы возникнуть вращающий момент. Отсюда ясно, что двигатель описываемого типа может работать только при частоте вращения ротора, несколько меньшей частоты вращения поля. Поэтому такие электродвигатели в технике принято называть асинхронными*.

Во время включения двигателя, когда ротор еще неподвижен, сила тока в нем значительно больше, чем при работе электродвигателя. Двигатель развивает в момент пуска довольно значительный вращающий момент, отчего частота вращения ротора нарастает и почти сравнивается с частотой вращения поля, и сила тока в роторе быстро уменьшается.

При изменении нагрузки электродвигателя (тормозного момента на валу) изменяется и вращающий момент. Например, при увеличении нагрузки возросший тормозной момент вызывает уменьшение скорости вращения ротора. При этом возрастает относительная скорость движения проводов ротора в магнитном поле, что приводит к увеличению ЭДС и токов в роторе, и, следовательно, вращающего момента. Благодаря этому асинхронный трехфазный электродвигатель сохраняет почти постоянной частоту вращения ротора при очень ихироких колебаниях нагрузки. Регулировать частоту вращения ротора в принципе невозможно.

Само собой разумеется, что при возрастании нагрузки двигателя, т. е. отдаваемой им механической мощности, должен возрастать не только ток в роторе, но и т,ок в ст,ато-ре. В соответствии с законом сохранения энергии двигатель должен получить от сети большую электрическую мощность. Здесь происходит такой же процесс, как и при работе нагруженного трансформатора (см. § 3.3). Детали этого процесса довольно сложны, и мы их рассматривать не будем.

* От греческого слова synchronos — одновременный или согласованный во времени, частица «а» означает отрицание.