"Физика. Колебания и волны (углублённый уровень)", Мякишев Г.Я., Синяков А.З.
Асинхронный электродвигатель превращает электрическую энергию переменного тока в механическую энергию вращения. Трёхфазный ток создаёт в статоре вращающееся магнитное поле, которое индуцирует ток в проводниках ротора. Взаимодействие этих токов с полем заставляет ротор вращаться. Ротор всегда немного отстаёт от поля, поэтому двигатель называют асинхронным; это отставание характеризует скольжение.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Асинхронный электродвигатель — двигатель переменного тока, в котором ротор вращается с частотой, отличной от частоты вращения магнитного поля статора. Он нужен для преобразования электрической энергии во вращение вала. Отставание ротора от поля обеспечивает работу двигателя.
Статор — неподвижная часть двигателя с обмотками, создающими магнитное поле. В его пазах размещают проводники, соединённые с источником переменного тока. Статор формирует поле, которое передаёт энергию ротору.
Ротор — вращающаяся часть двигателя, в проводниках которой возникают токи под действием вращающегося магнитного поля. Эти токи не обязательно подводятся к ротору проводами. Их взаимодействие с полем создаёт силу, вращающую ротор.
Скольжение — относительная разность частот вращения магнитного поля и ротора: s = (n₁ − n₂)/n₁. Здесь n₁ — частота вращения поля, а n₂ — частота вращения ротора. Величина s показывает, насколько ротор отстаёт от поля; её часто выражают в процентах.
Трёхфазный переменный ток в обмотках статора создаёт магнитные поля, сдвинутые друг относительно друга во времени и пространстве. При сложении этих полей результирующее поле не просто усиливается и ослабевает, а перемещается по окружности внутри двигателя. Частота его вращения определяется частотой тока и числом пар полюсов: n₁ = 60f/p, поэтому при большей частоте поле вращается быстрее, а при большем числе пар полюсов — медленнее.
Вращающееся поле пересекает проводники ротора, потому что между полем и ротором существует относительное движение. Из-за изменения магнитного потока по проводникам проходит индуцированный ток. Если бы ротор сразу двигался с той же частотой, что и поле, поток через его проводники не менялся бы, и индукция не возникала бы.
Ток в проводниках ротора находится в магнитном поле статора, поэтому на проводники действуют электромагнитные силы. Их совокупное действие создаёт вращающий момент, направленный вслед за движением поля. Благодаря этому ротор начинает вращаться в ту же сторону, постепенно увеличивая частоту.
Ротор не может достичь частоты вращения магнитного поля в установившемся режиме. При равенстве частот исчезло бы относительное движение, а вместе с ним — индуцированный ток и электромагнитный момент. Без момента ротор замедлился бы, относительное движение снова появилось, и двигатель продолжил бы работу с небольшим отставанием.
При увеличении нагрузки валу требуется больший вращающий момент, поэтому ротор немного замедляется. Разность n₁ − n₂ и скольжение возрастают, поле быстрее пересекает проводники ротора, а индуцированный ток усиливается. В результате увеличивается электромагнитный момент, который уравновешивает новую нагрузку.
В таблице показано, чем различаются основные части двигателя и процессы в них. Состояние указывает, неподвижна ли деталь или вращается, а графа «что происходит» описывает физический процесс. По последнему столбцу можно восстановить общий путь передачи энергии от статора к ротору.
| Часть двигателя | Состояние | Что происходит | Роль в работе |
|---|---|---|---|
| Статор | Неподвижен | Создаёт вращающееся магнитное поле | Передаёт энергию магнитным полем |
| Ротор | Вращается | Воспринимает электромагнитный момент | Создаёт механическое вращение |
| Обмотки статора | Неподвижны вместе со статором | По ним проходит трёхфазный переменный ток | Формируют магнитное поле |
| Проводники ротора | Вращаются вместе с ротором | В них индуцируется ток | Взаимодействуют с полем и создают момент |
Частота переменного тока равна 50 Гц, статор имеет две пары полюсов. Найдём частоту вращения магнитного поля. Используем формулу для синхронной частоты поля, хотя сам ротор асинхронного двигателя вращается немного медленнее.
Ответ: частота вращения магнитного поля равна 1500 об/мин.
Магнитное поле вращается с частотой 1500 об/мин, а ротор — с частотой 1440 об/мин. Требуется определить скольжение. Сначала найдём абсолютное отставание ротора, затем разделим его на частоту поля, поскольку именно она стоит в знаменателе определения.
Ответ: скольжение двигателя равно 0,04, или 4%.
Двигатель подключён к сети с неизменной частотой. После увеличения нагрузки его ротор стал вращаться медленнее. Объясним изменения по причинной цепочке, не считая частоту поля изменившейся: она задаётся частотой сети и числом пар полюсов.
Ответ: скольжение и ток ротора увеличатся, а вращающий момент возрастёт до значения, необходимого для равновесия с нагрузкой.
Ротор вращается с той же частотой, что и поле. Так считают, потому что ротор следует за полем. Но при равенстве частот исчезли бы относительное движение, индукционный ток и момент; проверить себя можно сравнением n₁ и n₂.
Частоты поля и ротора путают. Их обозначают разными величинами, поскольку поле задаётся статором, а ротор отстаёт от него. При решении сначала определите, какая частота относится к магнитному полю, а какая — к валу.
Ток подают непосредственно в ротор. В распространённом короткозамкнутом двигателе внешняя цепь подключена к статору, а ток ротора возникает благодаря электромагнитной индукции. Проверьте описание цепи: наличие короткозамкнутых проводников не означает прямого подключения к сети.
Разность частот делят на частоту ротора. В формуле s = (n₁ − n₂)/n₁ знаменатель — частота вращения поля. Если результат нужно получить в процентах, безразмерное значение дополнительно умножают на 100%.
Для понимания работы двигателя нужны знания об электромагнитной индукции и о действии магнитного поля на проводник с током. Именно индукция объясняет появление тока в роторе, а сила Ампера — возникновение вращающего момента.
Тема связывает переменный ток с электромагнитными явлениями и показывает практическое преобразование электрической энергии в механическую. Эти представления пригодятся при изучении электрических машин, генераторов и способов передачи и преобразования энергии.
Почему двигатель называется асинхронным?
Ротор вращается не синхронно, то есть не с той же частотой, что и магнитное поле статора. Разность частот необходима для возникновения индукционного тока и вращающего момента.
Как в неподвижном статоре возникает вращающееся магнитное поле?
В обмотки статора подают токи, сдвинутые по фазе относительно друг друга. Их магнитные поля складываются так, что результирующее поле непрерывно меняет направление и вращается в пространстве.
Почему ток в роторе возникает без прямого подключения его обмоток к сети?
Вращающееся магнитное поле пересекает проводники ротора и изменяет магнитный поток через них. По закону электромагнитной индукции в проводниках возникает ток, даже если ротор не соединён с источником напрямую.
Почему ротор не может вращаться с частотой магнитного поля?
При одинаковых частотах ротор и поле перестали бы двигаться друг относительно друга. Индукция тока в роторе и создаваемый им вращающий момент исчезли бы, поэтому ротор снова начал бы отставать.
Что происходит со скольжением при увеличении нагрузки на двигатель?
Под нагрузкой ротор немного замедляется, поэтому разность частот увеличивается. Скольжение и ток ротора возрастают, а электромагнитный момент становится больше и уравновешивает нагрузку.
§ 3.8. Асинхронный электродвигатель
