§ 91. Работа асинхронного двигателя под нагрузкой

В рабочем режиме ротор двигателя вращается с числом оборотов в минуту n₂, меньшим числа оборотов n₁ магнитного поля статора, вращающегося в том же направлении, что и ротор. Поэтому магнитное поле, имеющее большую скорость, вращается относительно ротора с числом оборотов, равным разности чисел оборотов поля и ротора, т. е.

n_s = n₁ - n₂ об/мин. (118)

Относительное отставание ротора от вращающегося магнитного поля статора характеризуется скольжением S.
Скольжение представляет собой отношение числа оборотов магнитного поля статора относительно вращающегося ротора к числу оборотов поля статора в пространстве, т. е.

Эта формула определяет скольжение в относительных единицах. Скольжение может быть также выражено в процентах:

Если ротор неподвижен (n₂ = 0), то скольжение равно единице или 100%.
Если ротор вращается синхронно с магнитным полем, т. е. с одинаковой скоростью (n₂ = n₁) то скольжение равно нулю.
Таким образом, чем больше скорость вращения ротора, тем меньше скольжение.
В рабочем режиме асинхронного двигателя скольжение мало. У современных асинхронных двигателей скольжение при полной нагрузке составляет 3 — 5%, т. е. ротор вращается с числом оборотов, незначительно отличающимся от числа оборотов магнитного поля статора.
При холостом ходе, т. е. при отсутствии нагрузки на валу, скольжение ничтожно мало.
Скорость вращения ротора можно определить из следующих соотношений:

Двигатель будет работать устойчиво с постоянной скоростью вращения ротора при равновесии моментов, т. е. если вращающий момент двигателя M_вр равен тормозному моменту на валу двигателя M_торм, который развивает приемник механической энергии, например резец токарного станка. Следовательно, можно записать:

M_вр = M_торм.

Любой нагрузке машины соответствует определенное число оборотов ротора n₂ и определенное скольжение S.
Магнитное поле статора вращается относительно ротора с числом оборотов n_s и индуктирует в его обмотке э. д. с. E₂, под действием которой по замкнутой обмотке ротора протекает ток силой I₂.
Если нагрузка на валу машины увеличилась, т. е. возрос тормозной момент, то равновесие моментов будет нарушено, так как тормозной момент окажется больше вращающего. Это приведет к уменьшению скорости вращения ротора, а следовательно, к увеличению скольжения. В связи с этим магнитное поле статора будет пересекать проводники обмотки ротора чаще; э. д. с. E₂, индуктированная в обмотке ротора, возрастает, а в результате увеличится как сила тока в роторе, так и развиваемый двигателем вращающий момент. Увеличение скольжения и силы тока в роторе будет происходить до наступления равновесия моментов, т. е. когда вращающий момент станет равным тормозному.
Так же протекает процесс изменения числа оборотов ротора и развиваемого момента при уменьшении нагрузки двигателя. С уменьшением нагрузки на валу двигателя тормозной момент становится меньше вращающего, что приводит к увеличению скорости вращения ротора или к уменьшению скольжения. В результате уменьшаются э. д. с. и сила тока в обмотке ротора, а следовательно, и вращающий момент, который вновь становится равным тормозному моменту.
Магнитное поле статора пересекает проводники обмотки статора и индуктирует в ней э. д. с. T₁, которая уравновешивает приложенное напряжение сети U₁.
Если пренебречь падением напряжения в сопротивлении статорной обмотки, которое мало по сравнению с э. д. с., то между абсолютными значениями приложенного напряжения и э. д. с. обмотки статора можно допустить приближенное равенство, т. е.

U₁ = E₁.

Таким образом, при неизменном напряжении сети будет неизменна и э. д. с. обмотки статора. Следовательно, магнитный поток в воздушном зазоре машины, так же как в трансформаторе, при любом изменении нагрузки останется постоянным.
Ток обмотки ротора создает свое магнитное поле, которое направлено навстречу магнитному полю, создаваемому током обмотки статора. Чтобы результирующий магнитный поток в машине оставался неизменным при любом изменении нагрузки двигателя, размагничивающее магнитное поле обмотки ротора должно быть уравновешено магнитным полем обмотки статора. Поэтому при увеличении силы тока в обмотке ротора увеличивается и сила тока в обмотке статора.
Таким образом, работа асинхронного двигателя принципиально подобна работе трансформатора, у которого при увеличении тока во вторичной обмотке увеличивается ток в первичной обмотке.