Однофазные асинхронные электродвигателиИзготовление коллекторных двигателей сложное дело, а в эксплуатации они неудобны, так как требуют тщательного ухода за щетками и коллектором и создают помехи радиоприему. Поэтому встала необходимость заменить их более простыми двигателями, свободными от этих недостатков. Такими двигателями являются асинхронные электродвигатели, которые находят широкое применение и в домашнем быту и в схемах автоматического управления различными процессами.

Принцип действия асинхронного двигателя заключается в том, что ЭДС в обмотке ротора наводится переменным магнитным полем статора. Поэтому нет необходимости подводить ток к обмотке ротора от источника энергии, а, следовательно, асинхронным двигателям не нужны скользящие контакты в виде щеток и контактных колец. Поскольку обмотка ротора не соединена с источником питания, можно ее не изолировать от сердечника ротора. Если забить в пазы ротора медные стержни, то ток пойдет по ним, а не по стальным листам, так как они имеют значительно меньшее электрическое сопротивление.

Ротор асинхронного электродвигателя

Рис. 4-4. Ротор асинхронного электродвигателя. 1 - лист ротора, 2 - стержень, 3 - кольцо, 4 - вал, 5 - паз

Ротор асинхронного двигателя (рис. 4-4), как и якорь, состоит из тонких листов 1 с отверстием в центре для вала 4 и круглыми пазами 5 по окружности. В пазы забиты стержни 2 из медной проволоки. На торцах ротора концы стержней должны быть соединены, для чего их припаивают к медным кольцам 3, вырезанным из медной полосы. Устройство ротора очень простое. Он набирается из кружков, оставшихся от листов статора. Пазы ротора должны быть скошены так, чтобы один конец, стержня был против паза статора 1, а другой против паза 2.

Теперь посмотрим, как работает однофазный асинхронный двигатель. Возьмем статор от коллекторного двигателя (рис. 4-2 см. «Коллекторный электродвигатель«) и вставим в него ротор асинхронного двигателя (рис. 4-4). Обмотку статора будем питать переменным током от трансформатора.

Но здесь нас ждет разочарование. При соединении с трансформатором двигатель будет только гудеть, но ротор не стронется с места. Гудение означает, что в статоре двигателя есть магнитное поле. Следовательно, в стержнях ротора наводятся ЭДС и по ним текут токи. Почему же ротор не вращается? Ведь работают же трехфазные асинхронные двигатели. Это объясняется тем, что в статоре трехфазного двигателя создается вращающееся магнитное поле, которое ведет за собой ротор, а в однофазном двигателе такого поля нет.

В однофазном двигателе создается так называемое пульсирующее поле, меняющееся так же, как переменный ток или переменное напряжение. Сначала поле усиливается и достигает максимального значения, затем ослабевает и доходит до нуля. В следующий момент магнитное поле будет изменяться так же, но в обратном направлении. Таким образом, магнитное поле повторяет все изменения тока в катушке возбуждения.

Для объяснения работы однофазного асинхронного двигателя пользуются следующим приемом. Разлагают однофазное магнитное поле на две составляющие (M1 и М2, вращающиеся в противоположные стороны) и производят их геометрическое сложение (рис. 4-5).

Разложение однофазного электрического поля на прямое и обратное

Рис. 4-5. Разложение однофазного электрического поля на прямое и обратное

В положении, изображенном на рис. 4-5,а, обе составляющие магнитного поля М1 и М2 совпадают, и результирующее поле М равно их арифметической сумме. Если повернуть составляющие М1 и М2 в разные стороны (рис. 4-5,б) и сложить их по правилу параллелограмма подобно двум силам в механике, то результирующее магнитное поле М уменьшится. При дальнейшем вращении, составляющие магнитного поля М1 и М2 будут расположены по горизонтальному диаметру (рис. 4-5,в). Очевидно, что сумма их будет равна нулю, т.е. магнитное поле пропадет.

При продолжении вращения составляющих (рис. 4-5,г) снова будут получаться значения магнитного поля, но направленные вниз, значит, магнитное поле изменило направление. В положении рис. 4-5,д магнитное поле достигло наибольшего отрицательного значения. Изменения поля, показанные на рис. 4-5, соответствуют половине периода. Очевидно, что при дальнейшем повороте составляющих М1 и М2 изменения магнитного поля будут протекать периодически по закону синусоиды.

Разложение магнитного поля на составляющие показывает, что пульсирующее магнитное поле, создаваемое однофазным током, можно приравнять к действию двух магнитных полей, вращающихся с синхронной скоростью в противоположные стороны. Каждое поле тянет ротор в свою сторону. Пока действия обоих полей равны, ротор не сможет стронуться с места.

Возьмем конец вала двигателя двумя пальцами и сильно рывком повернем его по часовой стрелке. Ротор начнет вращаться, быстро увеличит скорость и будет вращаться со скоростью, близкой к синхронной скорости. Так, если скольжение двигателя 5%, а синхронная скорость двухполюсного двигателя 3000 об/мин, то скорость вращения ротора будет 3000-0,05*3000 = 3 000-150 = 2850 об/мин. Если зажать пальцами конец вала, то можно почувствовать, что двигатель развивает вращающий момент. Он остановится только тогда, когда тормозящий момент будет больше вращающего момента электродвигателя.

Если после остановки ротора повернуть его пальцами в обратную сторону, двигатель будет работать, вращаясь против часовой стрелки. Таким образом, можно убедиться, что асинхронный двигатель работает на однофазном токе, но не может самостоятельно стронуться с места.

Как же можно объяснить, что однофазный двигатель работает после того, как его ротор сдвинули с места при помощи посторонней силы? Пока ротор был неподвижен, составляющие магнитного поля М1 и М2 действовали на него с одинаковыми силами в противоположные стороны. Но когда ротор начал вращаться, действия составляющих магнитных полей изменились? Составляющую, которая вращается в ту же сторону, куда ротор, назовем прямым полем, а другую — обратным полем. Стержни ротора пересекают прямое поле со скоростью скольжения, которое составляет около 5% от синхронной скорости. Скорость пересечения стержнями ротора обратного поля гораздо больше. Ротор вращается со скоростью, близкой к синхронной скорости, а обратное поле вращается с синхронной скоростью ему навстречу. Поэтому суммарная скорость получается почти равной двойной синхронной скорости, и в стержнях ротора наводятся токи двойной частоты, т. е. около 100 пер/сек. При такой частоте сильно возрастает индуктивное сопротивление обмотки ротора. Согласно треугольнику мощностей (рис. 3-6 см. «Мощность переменного тока«) эти токи будут почти чисто реактивными, не создающими вращающего момента, а только ослабляющими обратное поле. Чем быстрее вращается ротор, тем больше ослабляется обратное поле и растет вращающий момент двигателя.