Принцип действия асинхронной машины и режимы ее работы
Трехфазная обмотка статора создает магнитное поле, вращающееся со скоростью
.
Электромагнитное взаимодействие между статором и ротором возникает только при неравенстве скорости поля статора и скорости вращения ротора.
Отношение
(11.3)
Рис. 11.5
или
(11.4)
называется скольжением асинхронной машины.
В зависимости от соотношения 
и 
различают три режима работы: в режиме двигателя; в режиме
генератора; в режиме электромагнитного тормоза.
Работа в режиме двигателя.
На рис. 11.5 показано магнитное поле статора, вращающееся по часовой стрелке.
При 
линии поля статора перемещаются относительно
ротора также по часовой стрелке со скоростью 
. Согласно правилу правой руки ЭДС в проводниках
ротора под северным полюсом направлены к нам, в проводниках под южным полюсом
– от нас. То же направление имеют и активные составляющие токов в проводниках.
Электромагнитные силы взаимодействия магнитных полей статора и ротора создают
вращающий момент в направлении вращения поля статора. Скорость 
, с которой вращается двигатель, зависит
от его нагрузки. При холостом ходе скорость становится почти равной , так как при = 0 ЭДС и токи в роторе равны нулю
и электромагнитное взаимодействие исчезает. Таким образом, асинхронная машина
работает в режиме двигателя в пределах от = 0 до 
, т.е. при скольжении от 
+1 до 
0. При этом электрическая энергия, подводимая к статору
из сети, преобразовывается в механическую энергию на валу.
Работа в режиме
генератора. Предположим, что подключенный к сети статор создает вращающееся магнитное
поле, а ротор приводится во вращение в том же направлении со скоростью 
. В этом случае скольжение будет отрицательным,
а ЭДС и токи ротора изменяют направление по сравнению с работой в режиме двигателя.
Момент на валу становится тормозящим по отношению к вращающему моменту первичного
двигателя. Асинхронная машина работает генератором. Механическая энергия, подведенная
к валу, преобразовывается в электрическую энергию и отдается в сеть. Таким образом,
асинхронная машина может работать в режиме генератора параллельно с сетью в пределах
от 
до 
, т.е. при скольжении от 
до 
.
Работа в режиме электромагнитного тормоза. Допустим,
что ротор приводится во вращение против направления вращения магнитного потока
статора. В этом случае к асинхронной машине подводится энергия с двух сторон —
электрическая из сети и механическая от первичного двигателя. Такой режим работы
называется режимом электромагнитного тормоза. Он возникает при скольжении от 
до 
. Примером практического применения режима электромагнитного
тормоза является опускание груза в подъемно-транспортных устройствах.
Электродвижущие силы в обмотках статора и ротора
Вращающийся магнитный поток в воздушном зазоре пересекает проводники обмоток статора и ротора и индуктирует в них синусоидальные ЭДС. ЭДС одного витка
,
где
– максимальное значение вращающегося магнитного потока.
Обмотка статора имеет 
витков, уложенных в пазах. В один и тот же момент времени
мгновенные значения ЭДС, наведенные в витках, получаются сдвинутыми по фазе. Суммарная
ЭДС равна геометрической сумме ЭДС, которая меньше алгебраической суммы. Эта разность
учитывается коэффициентом распределения. Кроме того, в электрических машинах переменного
тока применяют укороченные шаги обмотки и профилирование пазов с целью получения
синусоидального распределения потока. Эти меры также уменьшают ЭДС, что учитывается
соответствующими коэффициентами укорочения и скоса пазов. Произведение всех трех
коэффициентов называется обмоточным коэффициентом, числовое значение которого
= 0,92…0,98. Амплитуда ЭДС
фазной обмотки статора
,
а
ее действующее значение с учетом 
можно записать в виде
.
(11.5)
Сравнение (11.5) с (7.3) показывает, что ЭДС обмотки статора зависит
от тех же параметров, что и ЭДС первичной обмотки трансформатора, если принять
= 1.
Частота этой ЭДС
. (11.6)
ЭДС, наведенная в обмотке ротора, имеет частоту
.
(11.7)
В режиме двигателя частота ЭДС ротора при пуске равна частоте напряжения
сети, а в рабочем режиме составляет несколько герц. Так, при 
= 0,04
частота ЭДС в роторе 
= 50·0,04
= 2 Гц.
ЭДС обмотки вращающегося ротора
,
где
– обмоточный коэффициент для обмотки ротора, 
– число витков фазы обмотки ротора.
В короткозамкнутой обмотке в пазу
находится один проводник, который представляет собой отдельную фазу. Поэтому = 0,5, а = 1.
У двигателя с фазным ротором 
С учетом (11.7) ЭДС вращающегося ротора можно представить в виде
,
(11.8)
ЭДС неподвижного ротора при = 1
.
(11.9)
Следовательно, ЭДС вращающегося ротора (11.8) можно выразить через ЭДС неподвижного ротора
,
(11.10)
т.е. ЭДС обмотки ротора прямо пропорциональна скольжению или обратно
пропорциональна частоте вращения ротора. Максимальное значение ЭДС ротора в режиме
двигателя соответствует скольжению = 1, т.е. при неподвижном роторе.
Из сравнения (11.5) и (11.9) следует, что асинхронная машина подобна трансформатору с коэффициентом трансформации по ЭДС
.
(11.11)
По аналогии с трансформатором введем понятие ЭДС заторможенного ротора, приведенной к статору
.
(11.12)
Кроме рассмотренных ЭДС обмоток статора и ротора, обусловленных результирующим (основным) магнитным потоком, в обмотках индуктируются ЭДС от потоков рассеяния:
в обмотках статора
,
(11.13)
в обмотках ротора
.
(11.14)
Составляющие напряжения сети, соответствующие ЭДС самоиндукции, представляют в виде
,
(11.15)
где 
– индуктивное сопротивление от потоков рассеяния одной
фазы статорной обмотки, и в виде
(11.16)
где 
– индуктивное сопротивление от потоков рассеяния одной
фазы обмотки вращающегося ротора.
11.6. Ток ротора
Под действием ЭДС ротора (11.10) в его обмотке протекает ток
.
(11.17)
С учетом равенств 
и 
получаем
.
(11.18)
Ток по (11.18) равен току (11.17), но отличается тем, что имеет частоту, равную частоте неподвижного ротора, т.е. частоте напряжения сети. Угол сдвига по фазе между ЭДС и током остается неизменным
.
