Конструкція асинхронного двигуна була розроблена в 1890 р. російським інженером М.О. Доливо-Добровольським.
Асинхронні двигуни збуджуються змінним струмом. Асинхронні двигуни поділяються на:
- бесколекторні (основний тип);
- колекторні.
Асинхронні бесколекторні двигуни випускаються у двох основних виконаннях:
- двигун з фазним ротором (з контактними кільцями);
- двигун з короткозамкненим (КЗ) ротором.
Незалежно від типу, будь-який двигун змінного струму складається з двох частин:
- статора - нерухомої частини;
- ротора - обертової частини.
За числом фаз двигуни змінного струму бувають: трифазні, двофазні, однофазні.
Позитивні якості асинхронних двигунів:
- простота і дешевина;
- надійність у роботі;
- достатньо високий ККД.
Недоліки асинхронних двигунів:
- споживання індуктивного струму, який, намагнічуючи статор, призводить до зниження cos j мережі;
- неможливість плавного регулювання частоти обертання вала в широких межах (існують електронні засобі регулювання частоти обертання вала двигуна шляхом зміни частоти змінного струму, але вони достатньо складні і коштовні);
- погані пускові характеристики у двигунів із КЗ-ротором.
Створення магнітного поля, що обертається. Однією із переваг трифазного струму є його спроможність створювати магнітне поле, що обертається.
Три однакові нерухомі котушки АХ, BY, CZ розташовані на внутрішній поверхні сталевого циліндра (статора) і з'єднані зіркою (рис.5.19).
Рис.5.19 - З'єднання обмоток статору зіркою.
По котушках проходять струми трифазної системи, графіки яких приведені на рис.5.20.
Рис.5.20. Струми обмоток статору при з'єднанні їх зіркою.
Приймемо за позитивний напрямок струму струм від початку до кінця котушки і знайдемо дійсні напрямки струмів у кожній котушці для декількох моментів часу а, б, в, г, д, е, ж. Наприклад, у момент (а) струм у другій котушці відсутній; струм у першій котушці має позитивний напрямок і тому на початку котушки (А) спрямований від спостерігача; струм у третій котушці має негативний напрямок і на початку котушки (С) спрямований до спостерігача (рис.5.21).
Побудувавши лінії магнітної індукції, що охоплюють однаково спрямовані струми, для всіх обраних моментів часу, можна побачити, що напрямок сумарного магнітного потоку змінюється. Сумарний магнітний потік обертається за напрямком руху годинної стрілки і робить протягом періоду одне обертання.
Якщо змінити порядок приєднання двох будь-яких котушок трифазної мережі, то напрямок обертання магнітного поля зміниться на протилежний.
Рис.5.21 - Створення магнітного поля, що обертається.
Таким чином, трифазний струм, проходячи по трьох котушках статора, зсунутих у просторі на кут 120 градусів, створить постійне за величиною, але обертове магнітне поле.
За час, який дорівнює одному періоду, магнітний потік робить одне обертання, а за f1 періодів магнітний потік зробить n1 обертів у секунду (або f1×60 періодів у хвилину):
(5.47)
де р - число пар полюсів статора.
Швидкість обертання n1 магнітного поля статора називають синхронною. Ця швидкість пропорційна числу пар полюсів.
Приклад:
При f1=50 Гц , p=1: n1=3000 об/хв.
При f1=50 Гц , p=2: n1=1500 об/хв.
Конструкція та принцип дії трифазного асинхронного електродвигуна. Трифазний асинхронний електродвигун має дві основні частини: ротор і статор (рис. 5.22). Зазор між статором і ротором робиться мінімально можливим (0,3÷0,5 мм у двигунів малої потужності, 1÷1,5 мм у двигунів великої потужності). Це пояснюється тим, що статор і ротор пов'язані між собою тільки електромагнітно, тому чим менше зазор, тим краще цей зв'язок і тим вище ККД двигуна.
Рис.5.22 - Конструкція трифазного асинхронного електродвигуна.
Статор складається з корпуса (1), у який запресоване осердя з пазами (2). В пазах осердя розміщується трифазна обмотка. Кінці обмотки виведені в коробку. Для приєднання до мережі живлення обмотки статора можуть з'єднуватися зіркою або трикутником. Найбільший обертаючий момент на валу двигуна утворюється при з'єднанні обмоток трикутником.
Ротор складається з осердя (3), що насаджено на вал, і обмоток (4). Обмотки укладаються в пази осердя. У залежності від конструкції обмотки, ротори поділяються на:
- короткозамкнені;
- з фазною обмоткою.
Частіше застосовуються КЗ-ротори, у яких у пазах осердя розміщені мідні стрижні, що замикаються накоротко мідними кільцями на торцях. Обмотка створює клітину, так зване "біляче колесо" (рис.5.23).
Рис. 5.23 - Конструкція короткозамкненого ротора ("біляче колесо").
Фазний ротор має три фазні обмотки, кінці яких з'єднані разом, а початки прикріплені до ізольованих мідних кілець, укріплених на валу. До кілець притиснуті щітки. Кільця і щітки служать для з'єднання обмоток ротора з пусковим реостатом. Для зменшення зносу і втрат на тертя деякі двигуни мають пристосування для підйому щіток і замикання обмоток ротора накоротко.
Принцип дії асинхронних електродвигунів трифазного струму заснований на явищі обертового магнітного поля (рис.5.24).
Обертове магнітне поле статора перетинає провідники обмотки ротора і наводить у них ЕРС, а оскільки провідники замкнуті, то в них виникає струм. Струм у провідниках обмотки ротора утворює власне магнітне поле, яке вступає у взаємодію з обертовим магнітним полем статора, внаслідок чого ротор починає обертатися слідом за обертовим полем статора. Із зростанням швидкості обертання ротора зменшується швидкість, з якою провідники ротора перетинаються магнітними лініями.
|
|
Рис.5.24 - Принцип дії трифазного асинхронного двигуна.
Якби ротор досяг тієї ж швидкості обертання, що й магнітний потік статора, то перетинання провідників узагалі не відбувалося б, і струм у роторі став би дорівнювати нулю. Але за відсутності струму в роторі обертаючий момент також дорівнював би нулю.
Отже, за наявності гальмуючого моменту магнітний потік і ротор не можуть обертатися з тією ж швидкістю, що і потік статора (синхронно). Швидкість обертання ротора завжди дещо менша. Тому двигуни такого типу і називаються "асинхронними" (тобто несинхронними).
Основні параметри та характеристики трифазного асинхронного електродвигуна. До основних параметрів трифазного асинхронного двигуна відносяться: ковзання, частота ЕРС і струму в обмотці ротора, ЕРС статора і ротора, електромагнітний момент.
Раніше була введена швидкість обертання магнітного поля статора n1:
. (5.48)
Позначимо швидкість обертання вала ротора n2.
Ковзанням s називається відношення швидкості обертання поля відносно ротора до швидкості обертового магнітного поля, виражене в частках одиниці або відсотках:
. (5.49)
Очевидно, що при s=1 вал двигуна не обертається, а при s→0 - швидкість обертання вала наближається до синхронної. Чим вище навантаження на валу, тим більше s. За номінального навантаження звичайно s=3-6%.
Магнітне поле статора обертається зі швидкістю, що визначається формулою (5.48). Швидкість ротора залежить від режиму роботи двигуна. Припустимо, що ротор нерухомий (n2=0), а поле статора обертається відносно нерухомого ротора зі швидкістю:
. (5.50)
Відповідно до цієї швидкості в обмотці ротора наводиться ЕРС (виникає струм), що має частоту:
. (5.51)
(f- частота струму в мережі живлення; f1- частота ЕРС, яка наводиться магнітним полем в роторі; s - ковзання).
Магнітний потік статора, обертаючись у просторі з постійною синхронною швидкістю, індукує у кожній з фаз статорної і роторної обмоток ЕРС Ес і Ер.
В обмотці статора, як і в первинній обмотці трансформатора, індуктується ЕРС:
(5.52)
де f1 - частота ЕРС, що наводиться магнітним полем в роторі;
w1 - число послідовно з'єднаних витків обмотки статора;
Ф - магнітний потік статору;
К1 - обмотувальний коефіцієнт;
4,44 - коефіцієнт пропорційності.
В обмотці ротора, що обертається, як і у вторинній обмотці трансформатора індукується ЕРС:
(5.53)
де w2 - число витків обмотки ротора.
Враховуючи, що 
, одержимо
(5.54)
де Ерн - ЕРС нерухомого ротора.
Отже, ЕРС, яка наводиться в роторі, що обертається, дорівнює ЕРС, що наводиться у нерухомому роторі, помноженій на ковзання.
Обертаючий момент двигуна змінного струму визначається за формулою:
. (5.55)
Обертаючий момент асинхронного двигуна залежить від активної складової струму ротора 
:
, (5.56)
де φ - кут зсуву фаз між струмом ротора Iр та ЕРС ротора Ер.
Також важливим є баланс потужності. Рівняння енергетичного балансу:
, (5.57)
де
- електрична потужність;
Р2- корисна потужність на валу двигуна;
РВС- потужність втрат в обмотках статора;
РС- потужність втрат в сталі;
РВР- потужність втрат в обмотках ротора;
РМВ- потужність механічних втрат в підшипниках.
Тоді корисна потужність на валу двигуна:
. (5.58)
Позначимо
- механічна потужність;
- електромагнітна потужність.
Відомо, що:
, (5.59)
, (5.60)
де М - обертаючий момент;
- кутова швидкість обертання магнітного поля,
- кутова швидкість обертання валу ротора.
Тоді
. (5.61)
Відомо, що 
, тоді
. (5.62)
Таким чином, втрати в роторі значною мірою впливають на величину механічної потужності.
Потужність, що підводиться до двигуна, перетворюється на механічну і теплову, яка може розглядатися як пожежонебезпечна.
Основними характеристиками трифазного асинхронного двигуна є:
1) моментна характеристика - залежність обертаючого моменту М від ковзання s (рис.5.25);
2) механічна характеристика - залежність швидкості обертання вала ротора n2 від моменту навантаження M на валу (рис.5.26);
|
|
Рис.5.25 - Моментна характеристика.
|
|
Рис.5.26 - Механічна характеристика.
3) робочі характеристики (при U=const,I=const):
- залежність ККД η від корисної потужності на валу Р2,
- залежність коефіцієнта потужності cosφ від корисної потужності на валу Р2,
- залежність обертаючого моменту M від корисної потужності на валу Р2,
- залежність швидкості обертання вала ротора n2 від корисної потужності на валу Р2,
- залежність ковзання s від корисної потужності на валу Р2,
- залежність струму I, споживаного двигуном, від корисної потужності на валу Р2.
Робочі характеристики приведені на рис. 5.27
Рис.5.27 - Робочі характеристики.
Схеми пуску трифазного асинхронного електродвигуна. Найпростішим є безпосереднє вмикання в мережу. Цей спосіб застосовується для вмикання двигунів потужністю до 30 кВт. Він є найбільш простим, але має основний недолік - великий пусковий струм, який перевищує номінальний струм у 6 - 8 разів ( 
- кратність пускового струму), що викликає падіння напруги в мережі, збільшує силу струму, споживаного двигуном із мережі, призводить до перегоряння плавких вставок запобіжників.
Пусковий момент двигунів складає усього 1,5·Мном. Тому пуск його під навантаженням протікає у складних умовах.
Частіше застосовується пуск за допомогою переключення «зірки» на «трикутник» (рис.5.28).
Рис.5.28 - Пуск трифазного асинхронного двигуна за допомогою переключення «зірки» на «трикутник».
При такому пуску статор включають за схемою «зірка», а коли двигун набере номінальних оборотів, обмотки статора переключають на схему «трикутник».
Таким чином, при пуску двигуна напруга на статорі в 
разів менше номінальної (лінійної) напруги, внаслідок чого струм у лінії зменшується в 3 рази, в порівнянні з прямим пуском за схемою «трикутник»:
(5.63)
Тому за даного способу пуску двигуни пускають вхолосту або слабко навантаженими, тому що зі зменшенням струму зменшується і момент.
Пуск за допомогою реактора застосовується при пуску двигунів потужністю 100 кВт і вище. Реактор є додатковим індуктивним опором, що обумовлює деяке зниження напруги на затискачах статора (на 30-40 %). Негативними якостями цього способу пуску є зменшення пускового моменту і зростання вартості установки, внаслідок застосування реакторів.
За аналогією проводиться запуск двигуна за допомогою автотрансформатора.
Порядок пуску асинхронного електродвигуна з фазним ротором приведений на рис.5.29.
Рис.5.29 - Пуск асинхронного електродвигуна з фазним ротором.
Пуск таких двигунів проводиться за допомогою пускового реостата, який включається в коло обмоток ротора послідовно. Вмикання реостата проводиться за допомогою щіток і кілець, до яких кріпляться початки обмоток ротора, а кінці з'єднуються між собою.
Реостат у момент пуску створює максимальний опір у колі обмотки ротора. За мірою розгону двигуна опір пускового реостата зменшується до нуля. В кінці пуску обмотки з'єднуються накоротко.
| « 5.3 Електричні машини змінного струму. | 5.3.2 Синхронні машини. » |