Індукційний двигун

Першим хто створив асинхронний двигун був Нікола Тесла, який у Будапешті навесні 1882 р. вирішив проблему створення обертового магнітного поля за допомогою нерухомої багатофазної обмотки змінного струму, а в 1884 р. у Страсбурзі продемонстрував діючу модель свого двигуна.

Внесок у розвиток асинхронних двигунів зробив Галілео Ферраріс, який в 1885 р. в Італії побудував модель асинхронного двигуна потужністю 3 Вт. У 1888 р. він опублікував свої дослідження в статті для Королівської Академії Наук в Турині (в тому ж році, Тесла одержав патент США 381,968 від 01.05.1888 (US Patent 0381968 | заявка на винахід № 252132 від 12.10.1887), в якій виклав теоретичні основи асинхронного двигуна. Заслуга Ферраріса у тому, що, зробивши хибний висновок про невеликий к.к.д. асинхронного двигуна і про недоцільність застосування систем змінного струму, він привернув увагу багатьох інженерів до проблеми вдосконалення асинхронних машин. Стаття Галілео Ферраріс, опублікована в журналі «Атті ді Турині», була передрукована англійським журналом і була прочитана в липні 1888 р. випускником Дармштадтського Вищого технічного училища, вихідцем з Росії Михайлом Йосиповичем Доливо-Добровольським. Уже в 1889 р. Доливо-Добровольський отримав патент на трифазний асинхронний двигун з коротко замкненим ротором типу «біляча клітка», а в 1890 р. — патенти в Англії № 20425 та Німеччини № 75361 на трифазний асинхронний двигун з фазним ротором. Дані винаходи відкрили еру масового індустріального застосування електричних машин. В даний час асинхронний двигун є найпоширенішим електродвигуном.

Анімація індукційний мотор

На обмотку статора подається змінна напруга, під дією якої в обмотках протікає трифазна система струмів. Оскільки обмотки в асинхронної машині зрушені один відносно одного на 120 градусів, так як в симетричній системі струми в обмотках мають фазовий зсув в 120 градусів, в таких обмотках створюється обертове магнітне поле. Обертове магнітне поле, перетинаючи провідники обмотки ротора, індукує в них електрорушійну силу, під дією якої в обмотці ротора протікає струм, який спотворює магнітне поле статора, збільшуючи його енергію, що веде до виникнення електромагнітної сили, під дією якої ротор починає обертатися (для більш простого пояснення, можна послатися на силу Ампера, що діє на провідники обмотки ротора, які знаходяться в магнітному полі статора). Щоб в обмотці ротора виникала ЕРС, необхідно, щоб швидкість обертання ротора відрізнялася від швидкості обертання поля статора.

Частота обертання ротора (асинхронна частота) завжди менша синхронної частоти, тобто ротор асинхронного двигуна завжди відстає від статора. Це явище може бути пояснене таким чином: якщо б ротор обертався з частотою обертового поля, то це поле не перетинало б провідники обмотки ротора. В останніх не наводилася б ЕРС і не було б струмів, а це значить, що обертовий момент на роторі був би рівний нулю. Таким чином, ротор асинхронного двигуна принципово не може обертатися з синхронною частотою.

Картина руху магнітного поля при роботі асинхронного двигуна

Тому ротор обертається асинхронно щодо поля статора, а двигун називається асинхронним. Відносна різниця швидкості обертання ротора від швидкості обертання поля статора називається ковзанням (s). Номінальне ковзання зазвичай становить 2-8% Швидкість обертання ротора асинхронної машини завжди менша від швидкості обертового магнітного поля і визначається за формулою:

${\displaystyle n={{f\cdot 60} \over p}{(1-S)}}$,

де ${\displaystyle f\!}$ — частота змінного струму джерела живлення, ${\displaystyle p\!}$ — кількість пар полюсів первинної обмотки, ${\displaystyle S\!}$ — ковзання ротора, ${\displaystyle f\cdot 60/p}$ — швидкість обертання магнітного поля.

При f = 50 Гц, ця швидкість може бути різною, наприклад може дорівнювати 2 999, 1 500, або 1 000 об/хв, залежно від кількості пар полюсів первинної обмотки (p = 1; p = 2; p = 3 і т. д.). Щоб досягти більшої швидкості обертання магнітного поля, первинну обмотку асинхронної машини живлять струмом підвищеної частоти (100–500 Гц). Швидкість обертання ротора асинхронної машини регулюють зміною частоти струму живлення, або зміною кількості пар полюсів первинної обмотки (ступінчасте регулювання), а також, зміною ковзання. Ковзання змінюють за допомогою активного опору, який вводять у вторинне коло асинхронної машини, каскадних схем, або способом зміни напруги, підведеної до первинної обмотки асинхронної машини.

Режим двигуна

Якщо частота обертання ротора менше синхронної, то обертове магнітне поле перетинає провідники обмотки ротора і індукує в них ЕРС, під дією якої в обмотці ротора виникає струм. На провідники зі струмом цієї обмотки (а точніше, на зубці сердечника ротора), діють електромагнітні сили; їх сумарна сила утворює електромагнітний момент, що обертає ротор слідом за магнітним полем. Якщо цей момент достатній для подолання сил тертя, ротор приходить в обертання, і в ньому встановилася частота обертання. Частота обертання ротора не може досягти частоти обертання магнітного поля, так як в цьому випадку кутова швидкість обертання магнітного поля щодо обмотки ротора стане рівною нулю, магнітне поле перестане індукувати в обмотці ротора ЕРС і в свою чергу, створювати обертовий момент.

Режим генератора

Якщо ротор розігнати за допомогою зовнішнього моменту (наприклад, будь-яким двигуном) до частоти, більшої частоти обертання магнітного поля, то зміниться напрямок ЕРС в обмотці ротора і активної складової струму ротора, тобто асинхронна машина перейде в генераторний режим. При цьому змінить напрямок і електромагнітний момент, який стане гальмівним. У генераторному режимі робота ковзання завжди менша 0.

Для роботи асинхронної машини в генераторному режимі потрібно джерело реактивної потужності, що створює магнітне поле. При відсутності початкового магнітного поля в обмотці статора потік створюють за допомогою постійних магнітів, або при активному навантаженні за рахунок залишкової індукції машини і конденсаторів, паралельно підключених до фаз обмотки статора.

Асинхронний генератор споживає реактивний струм і вимагає наявності в мережі генераторів реактивної потужності у вигляді синхронних машин, синхронних компенсаторів, батарей статичних конденсаторів (БСК). Через це, незважаючи на простоту обслуговування, асинхронний генератор застосовують порівняно рідко, в основному в якості вітрогенераторів малої потужності, допоміжних джерел невеликої потужності і гальмівних пристроїв. Генераторний режим асинхронного двигуна використовується досить часто в механізмах з активним моментом: в такому режимі можуть працювати двигуни ескалаторів метро (при русі вниз), опусканні вантажу в підйомних кранах, в генераторному режимі також працюють двигуни ліфтів, в залежності від співвідношення ваги в кабіні і в противазі; при цьому поєднуються необхідний за технологією режим гальмування механізму і рекуперація енергії в мережу з економією електроенергії.

Трифазну асинхронну машину можна використовувати не тільки як асинхронний електродвигун, але й як генератор змінного струму, електромагнітне гальмо, перетворювач частоти, трансформатор з обертовим магнітним полем (див. Перетворювач частоти).

Застосування асинхронної машини як генератора дуже обмежене, оскільки треба мати джерело намагнічувального змінного струму, для утворення магнітного поля в машині. Крім того, важко регулювати напругу такого генератора. Асинхронні машини з живленням від однофазної мережі, широко застосовують у схемах автоматики і побутових приладах. Здебільшого, це двигуни малої потужності (мікродвигуни).

Особливістю однофазних асинхронних машин є наявність пускової обмотки, для утворення обертового магнітного поля під час пуску. Основні схеми їх такі:

1) схема з підвищеним активним опором пускової обмотки;

2) схема з увімкненою в коло пускової обмотки ємністю;

3) схема з екрануючим короткозамкненим витком на полюсі.

Трифазні асинхронні машини, в порівнянні з однофазними, мають кращі пускові та робочі характеристики і вищі економічні показники.

• Українська радянська енциклопедія : у 12 т. / гол. ред. М. П. Бажан ; редкол.: О. К. Антонов та ін. — 2-ге вид. — К. : Головна редакція УРЕ, 1974–1985.
• Конструкція асинхронних двигунів : Навч. посіб. для студ. старш. курсів напряму "Електромеханіка" спец. "Електр. машини та апарати" / В. В. Попічко; Нац. ун-т "Львів. політехніка". - Л., 2001. - 160 c.
• Костенко М. П., Пиотровский Л. М. Электрические машины. — Москва ; Львов, 1958. — Ч. 2.(рос.)
• Постников И. М. Проектирование электрических машин. — К., 1952.(рос.)
• Васюра А.С. – книга “Електромашинні елементи та пристрої систем управління і автоматики” частина 2

• Динамічні властивості асинхронного двигуна