§ 89. Принцип действия асинсхронного двигателя

Наибольшее распространение среди электрических двигателей получил трехфазный асинхронный двигатель, впервые сконструированный известным русским электриком М. О. Доливо-Добровольским.
Асинхронный двигатель отличается простотой конструкции и несложностью обслуживания. Так же как и любая машина переменного тока, асинхронный двигатель состоит из двух основных частей: статора и ротора. Статором называется неподвижная часть машины, ротором — ее вращающаяся часть. Как и любая электрическая машина, асинхронная может быть использована как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Из-за ряда существенных недостатков асинхронные генераторы практически почти не применяются, тогда как асинхронные двигатели, как это было отмечено выше, получили очень широкое распространение. Поэтому мы будем рассматривать работу асинхронной машины в режиме двигателя, т. е. процесс преобразования электрической энергии в энергию механическую.
Действие всякой многофазной машины переменного тока, как уже говорилось, основано на использовании вращающегося магнитного поля. Многофазная обмотка переменного тока создает вращающееся магнитное поле, число оборотов которого в минуту

Если ротор вращается со скоростью n₂, равной скорости вращения магнитного поля (n₂ = n₁), т. е. синхронно с полем, то такая скорость называется синхронной.
Если скорость ротора не равна скорости вращения поля (n₂ ≠ n₁), то такая скорость называется асинхронной.
Асинхронный двигатель развивает вращающий момент только при асинхронной скорости, т. е. при скорости вращения ротора, не равной скорости вращения магнитного поля.
Скорость ротора может очень мало отличаться от скорости поля, но принципиально важно, что при работе двигателя она будет всегда меньше (n₂ < n₁) скорости поля.
Работу асинхронного двигателя можно пояснить с помощью простого устройства, получившего название диска Арго — Ленца. Перед полюсами постоянного магнита N — S (рис. 110) помещен медный диск 1, укрепленный на оси 2.

Если начать вращать магнит вокруг его оси при помощи рукоятки, то медный диск будет вращаться в том же направлении. Это объясняется тем, что при вращении магнита магнитные линии его поля, замыкаясь от северного полюса к южному, пронизывают диск и индуктируют в нем вихревые токи. В результате взаимодействия вихревых токов с магнитным полем магнита возникает сила, приводящая диск во вращение. На основании закона Ленца направление всякого индуктированного тока таково, что он противодействует величине, его вызвавшей. Поэтому вихревые токи, возникающие в диске, стремятся задержать вращение магнита, но, не имея возможности сделать это, приводят диск во вращение так, что он следует за магнитом. При этом скорость вращения диска всегда меньше, чем скорость вращения магнита. Если бы эти скорости почему-либо стали одинаковыми, то магнитные линии не пересекали бы диска и, следовательно, в нем не возникали бы вихревые токи, т. е. не было бы силы, под действием которой диск вращается.
В асинхронных двигателях постоянный магнит заменен вращающимся магнитным полем, возбуждаемым токами трехфазной обмотки статора при включении ее в сеть трехфазного тока.
Вращающееся магнитное поле статора пересекает проводники обмотки ротора и индуктирует в них э. д. с. Если обмотка ротора замкнута на какое-либо сопротивление или накоротко, то по ней под действием индуктируемой э. д. с. протекает ток. В результате взаимодействия тока в обмотке ротора с вращающимся магнитным полем обмотки статора создается вращающий момент, под действием которого ротор начинает вращаться.
На рис. 111 выделена часть окружности ротора, на которой находится один проводник его обмотки. Поле статора представлено северным полюсом N, который вращается в пространстве и вокруг ротора по часовой стрелке с числом оборотов n₁ в минуту. Следовательно, полюс N перемещается относительно проводника обмотки ротора слева направо, в результате чего в этом проводнике индуктируется э. д. с., которая, согласно правилу правой руки, направлена на зрителя (знак точка). Если обмотка ротора замкнута, то под действием э. д. с. по этой обмотке течет ток, направленный в выбранном нами проводнике также на зрителя.

В результате взаимодействия тока в проводнике обмотки ротора с магнитным полем возникает сила F, которая стремится перемещать проводник в направлении, определяемом по правилу левой руки, т. е. слева направо по направлению вращения поля. Эти электромагнитные силы заставляют ротор вращаться вслед за магнитным полем.
Если силу F, действующую на проводник обмотки ротора, умножить на расстояние этого проводника от оси ротора (плечо приложения силы), то получим вращающий момент, развиваемый током данного проводника. Так как на роторе помещено большое количество проводников, то сумма произведений сил, действующих на каждый из проводников, на расстоянии этих проводников от оси ротора определяет вращающий момент, развиваемый двигателем. Под действием вращающего момента ротор приходит во вращение по направлению вращения магнитного поля. Следовательно, для реверсирования двигателя, т. е. для изменения направления вращения ротора, необходимо изменить направление вращения магнитного поля, созданного обмоткой статора. Это осуществляется изменением последовательности фаз обмоток статора, для чего следует поменять местами по отношению к зажимам сети любые два из трех проводов, соединяющих обмотку статора с сетью. Реверсивные двигатели снабжаются переключателями, при помощи которых можно изменять чередование фаз обмоток статора, а следовательно, и направление вращения ротора.
Вне зависимости от направления вращения ротора его скорость n₂, как уже указывалось, всегда меньше скорости магнитного поля статора.
Если предположить, что в какой-то момент времени число оборотов ротора оказалось равным числу оборотов поля статора, то проводники обмотки ротора не будут пересекаться магнитными линиями поля статора и тока в роторе не будет. В этом случае вращающий момент станет равным нулю и скорость вращения ротора уменьшится по сравнению со скоростью вращения поля статора, пока не возникнет вращающий момент, уравновешивающий тормозной момент. Последний складывается из тормозного момента на валу двигателя (привод), момента сил трения в машине и т. п.