§ 17*. Асинхронный трехфазный двигатель

Определения и обозначения

Асинхронный трёхфазный двигатель — электрическая машина, преобразующая энергию трёхфазного тока в механическую энергию вращения ротора. Он получает питание от трёхфазной сети и приводит в движение механизмы. Слово «асинхронный» указывает, что ротор вращается не с той же скоростью, что и магнитное поле.

Статор — неподвижная часть двигателя с обмоткой, создающей вращающееся магнитное поле. Он закреплён в корпусе и не участвует в механическом вращении. Через статорную обмотку электрическая энергия поступает в рабочий процесс двигателя.

Ротор — вращающаяся часть двигателя, в проводниках которой индуцируется ток и возникает электромагнитный момент. Ротор расположен внутри статора и соединён с валом, передающим вращение механизму. Его ток обычно создаётся не отдельным источником, а электромагнитной индукцией.

Скольжение — относительная разность между частотой вращения магнитного поля и частотой вращения ротора: s = (n₀ − n)/n₀. Здесь n₀ — скорость поля, а n — скорость ротора. Скольжение показывает, насколько ротор отстаёт от поля, и обеспечивает появление индукционного тока.

Как это устроено

Статор представляет собой магнитопровод с пазами, в которых размещена трёхфазная обмотка. Её секции распределены по окружности так, чтобы магнитные поля отдельных участков складывались нужным образом. Внутри статора на валу установлен ротор с проводниками: у короткозамкнутого ротора они соединены кольцами, а у фазного выведены к контактным кольцам. Такая конструкция позволяет либо сделать двигатель простым и надёжным, либо регулировать его пусковые свойства.

Токи трёх фаз достигают максимума неодновременно: между соседними фазами есть сдвиг 120°. Поэтому в каждый момент сильнее поле одной части обмотки, затем другой, и результирующий магнитный вектор перемещается по окружности. Суммарное поле при симметричной системе фаз сохраняет почти постоянную величину и вращается равномерно. Именно поэтому трёхфазный двигатель не нуждается в механическом переключателе обмоток для создания вращения.

Скорость поля определяется частотой переменного тока и числом пар полюсов. За один период поле перемещается на угол, зависящий от устройства обмотки: чем больше пар полюсов, тем меньшую скорость оно имеет. В оборотах в минуту используют формулу n₀ = 60f/p, где f измеряется в герцах, а p — число пар полюсов. Например, при увеличении частоты скорость поля возрастает, а при увеличении числа пар полюсов уменьшается.

Вращающееся поле пересекает проводники ротора, поэтому по закону электромагнитной индукции в них появляется ЭДС и ток. Направление тока определяется так, чтобы его магнитное действие противодействовало причине возникновения, то есть относительному движению поля и ротора. Взаимодействие тока ротора с магнитным полем создаёт силу Ампера и суммарный электромагнитный момент. Этот момент вращает ротор в ту же сторону, в которую движется поле.

Ротор не может полностью догнать поле: при равенстве скоростей исчезло бы относительное движение, а вместе с ним индукционный ток и момент. Поэтому под нагрузкой ротор вращается немного медленнее, а разность скоростей выражают скольжением s = (n₀ − n)/n₀. Когда нагрузка увеличивается, ротор сильнее тормозится, скольжение возрастает, а ток в роторе и потребляемый ток двигателя увеличиваются. Так двигатель автоматически создаёт больший момент, необходимый для новой нагрузки.

Устройство и принцип действия асинхронного трёхфазного двигателя

Таблица помогает разделить функции неподвижной части, вращающейся части и магнитного поля. При чтении сначала найдите, какой элемент создаёт поле, затем проследите путь энергии и возникновение момента. Скорость поля и скорость ротора нужно сравнивать: их отличие выражается скольжением.

Разбор задач

Направление вращения

Условие. Фазы подключены в порядке A–B–C. Определить направление вращения поля и ротора, а также изменение направления при перестановке двух фаз. Точное направление «по часовой стрелке» зависит от того, как расположены обмотки и откуда на двигатель смотрят, поэтому используют условное первоначальное направление.

1. Порядок A–B–C задаёт последовательность изменения токов в пространстве и направление движения результирующего магнитного поля.
2. Ротор получает момент от взаимодействия с этим полем, поэтому начинает вращаться в том же направлении.
3. После перестановки, например, фаз B и C получается порядок A–C–B. Последовательность меняется на обратную, поэтому поле и ротор реверсируются.

Ответ: при исходном порядке ротор вращается вслед за полем; перестановка любых двух фаз меняет направление вращения на противоположное.

Скорость поля и ротора

Условие. f = 50 Гц, p = 2, s = 4%. Найти n₀ и n. Сначала определим идеальную скорость магнитного поля, а затем учтём отставание ротора.

1. n₀ = 60f/p = 60 · 50/2 = 1500 об/мин.
2. Из s = (n₀ − n)/n₀ выразим скорость: n = n₀(1 − s).
3. s = 4% = 0,04, поэтому n = 1500 · 0,96 = 1440 об/мин.

Ответ: магнитное поле вращается со скоростью 1500 об/мин, ротор — со скоростью 1440 об/мин.

Потребляемый ток двигателя

Условие. Полезная мощность двигателя P₂ = 7,5 кВт, линейное напряжение U = 380 В, cos φ = 0,8, КПД η = 90%. Требуется найти ток установившегося режима и объяснить большой пусковой ток. Сначала найдём электрическую мощность на входе: P₁ = P₂/η.

1. P₁ = 7500/0,90 = 8333 Вт.
2. Для симметричной трёхфазной цепи P₁ = √3UI cos φ, поэтому I = P₁/(√3U cos φ).
3. I = 8333/(1,732 · 380 · 0,8) ≈ 15,8 А.
4. При пуске ротор неподвижен, поэтому скольжение близко к единице. Индукционная ЭДС и ток ротора велики, а двигатель потребляет повышенный ток из сети.

Ответ: рабочий ток примерно 15,8 А; пусковой ток больше, потому что при неподвижном роторе скольжение максимально.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что ротор вращается с той же скоростью, что и поле. Так думают, потому что момент направляет ротор вслед за полем, однако при равенстве скоростей индукция прекращается. Проверка: в формуле s = (n₀ − n)/n₀ для работающего двигателя должно быть s > 0.

Ошибка — подставлять в формулу число отдельных полюсов вместо числа пар полюсов. Причина в похожих обозначениях: если полюсов четыре, пар полюсов только две. Перед расчётом проверьте, что p — именно число пар, иначе скорость получится вдвое неверной.

Ошибка — называть скольжением просто разность n₀ − n. Эта разность имеет единицы скорости, а скольжение является относительной величиной и равно отношению разности к n₀. Проверяйте размерность: s безразмерно, а в процентах его записывают после умножения на 100%.

Ошибка — утверждать, что перестановка одной фазы меняет направление вращения. Одно переключение подключения не меняет порядок чередования фаз, тогда как реверс возникает при перестановке любых двух фаз. Для проверки выпишите исходный и новый порядки, например A–B–C и A–C–B.

Связь с другими темами

Для понимания работы двигателя нужны знания о трёхфазном переменном токе, электромагнитной индукции, силе Ампера и правиле Ленца. Эти законы объясняют появление токов ротора и направление электромагнитного момента.

Двигатель связан с темами электропривода, трансформаторов и регулирования скорости электрических машин. Изменяя частоту питания, число полюсов или режим работы, можно управлять скоростью и моментом.

Принцип асинхронного двигателя используется в насосах, вентиляторах, станках, подъёмных механизмах и бытовой технике. Практическая ценность машины — в простой конструкции, надёжности и возможности работы от промышленной трёхфазной сети.

Что запомнить

• Трёхфазная обмотка статора создаёт вращающееся магнитное поле.
• Частота вращения поля определяется частотой сети и числом пар полюсов: n₀ = 60f/p.
• Ток в роторе возникает благодаря электромагнитной индукции.
• Электромагнитный момент вращает ротор в направлении движения магнитного поля.
• Ротор всегда вращается медленнее магнитного поля.
• Скольжение необходимо для поддержания тока в роторе и вращающего момента.
• Направление вращения меняют перестановкой двух фаз.