Индукционни двигатели

Преглед на асинхронните двигатели

Асинхронният двигател е вид електродвигател, който преобразува електрическата енергия в механична чрез принципа на електромагнитната индукция. За разлика от другите видове двигатели, които изискват директни електрически връзки както към неподвижните, така и към въртящите се части, индукционният двигател произвежда роторен ток единствено чрез магнитното поле, индуцирано от статора. Тази елегантна простота, съчетана със здрава конструкция и ниска цена, превърна асинхронните двигатели в доминираща промишлена машина през 20-и век и след това.

Характерната особеност на тези машини, наричани още асинхронни двигатели, е, че роторът винаги се върти малко по-бавно от въртящото се магнитно поле, създавано от статора. Тази разлика в скоростта, известна като приплъзване, е от съществено значение за генерирането на въртящ момент от двигателя. Без приплъзване в ротора не би протичал ток и валът на двигателя не би произвеждал полезна работа.

Днес асинхронните двигатели за променлив ток захранват огромен брой приложения. Трифазните асинхронни двигатели задвижват помпи, компресори, конвейери и вентилаторни системи за охлаждане на ОВК инсталации във фабрики, пречиствателни станции и търговски сгради. Вариантите на еднофазни асинхронни двигатели се появяват в хладилници, перални машини, малки водни помпи и настолни шлайфмашини, които се намират в домовете и работилниците. Съвременните инсталации все по-често съчетават асинхронните двигатели с честотно задвижване за прецизно управление на скоростта и значително спестяване на енергия, особено при вентилатори, помпи и технологични вентилатори, където натоварването се променя в зависимост от условията на работа.

Синхронната скорост на асинхронния двигател може да се изчисли като 120 пъти честотата на захранването, разделена на броя на магнитните полюси. Например, 4-полюсен двигател, работещ със захранване 50 Hz, има синхронна скорост 1500 об/мин. Действителната скорост на ротора при пълно натоварване може да бъде около 1440-1470 об/мин, като при промишлените трифазни машини приплъзването обикновено е в диапазона 1-5%.

Основен принцип на работа

Когато свържете трифазна система към статорните намотки на асинхронен двигател, се случва нещо забележително: трите тока, всеки от които е изместен на 120 градуса, се комбинират, за да създадат въртящо се магнитно поле в статора. Това статорно магнитно поле се върти с фиксирана синхронна скорост, определена от честотата на захранването и броя на полюсите в конфигурацията на намотката на двигателя.

Да разгледаме един практически пример. Четириполюсен двигател, свързан към променливотоково захранване с честота 50 Hz, създава въртящо се поле с 1500 об/мин. При 60 Hz същата 4-полюсна конструкция би създала поле, въртящо се при 1800 об/мин. Формулата с думи: синхронната скорост е равна на 120 пъти честотата, разделена на броя на полюсите.

Когато статорното поле се върти, то преминава покрай неподвижните роторни пръти. Съгласно закона на Фарадей този променящ се магнитен поток през проводниците на ротора индуцира напрежение, което задвижва индуциран ток през късо съединените роторни пръти и крайни пръстени. Този роторен ток създава собствено магнитно поле - индуцираното в ротора магнитно поле - което взаимодейства с магнитното поле на статора, за да създаде електромагнитен въртящ момент. Роторът се върти в същата посока като полето, като го преследва, но никога не го догонва.

Тази разлика между скоростта на въртящото се поле и скоростта на ротора се нарича приплъзване. При празен ход приплъзването е много малко (често под 1%), тъй като двигателят трябва да преодолява само триенето в лагерите и намотката. При пълно механично натоварване приплъзването се увеличава - обикновено до 3-5% за стандартните промишлени двигатели - защото по-големият въртящ момент изисква по-голям ток на ротора, което от своя страна изисква по-голямо относително движение между ротора и полето.

Основни понятия, които трябва да запомните:

• Въртящото се магнитно поле се създава от променлив ток, протичащ през пространствено изместени статорни намотки.
• Приплъзването е от съществено значение: ако роторът съответства точно на синхронната скорост, няма да се индуцира напрежение, няма да протича ток в ротора и няма да се създава въртящ момент.
• Създаването на въртящ момент зависи от непрекъснатото взаимодействие между статорното поле и роторния ток.

Основни компоненти на асинхронния двигател

Асинхронният двигател се състои от два основни електромагнитни блока - статор и ротор, както и от поддържащи механични части, включително крайни щитове, лагери и охладителна система. Въпреки вариациите в размерите, вариращи от еднофазни агрегати с малка мощност до многомегаватови трифазни машини, основното подреждане на компонентите остава постоянно в цялата фамилия.

Ядрата на статора и ротора са изработени от подредени стоманени ламинати, а не от плътна стомана. Тези тънки, изолирани листове значително намаляват загубите от вихрови токове, които иначе биха довели до загуба на енергия и генериране на излишна топлина. Индустриалните двигатели обикновено отговарят на стандартизирани размери на рамите - като например IEC рамки от 90 до 315 - което позволява на инженерите да определят заместващи устройства без потребителски механични модификации.

Ако разгледате чертеж на типичен асинхронен двигател, ще видите цилиндричния статор, обграждащ ротора, с малка въздушна междина между тях. Валът на двигателя минава през центъра, поддържан от лагери, разположени в крайни щитове, закрепени с болтове към рамката на статора. Външни охлаждащи ребра, клемна кутия за електрически връзки и капак на вентилатора завършват сглобката.

Статор

Статорът представлява неподвижният външен възел на двигателя. Той се състои от цилиндричен куп стоманени ламинати, пресовани в чугунена или фабрична стоманена рамка. В прорезите, пробити във вътрешната обиколка на тези ламинати, се поставят изолирани намотки от медна тел - или алуминий при някои конструкции, които са чувствителни към разходите - подредени така, че да образуват две двойки полюси, четири полюса, шест полюса или повече в зависимост от желаните скоростни характеристики.

В трифазен двигател статорните намотки са разпределени в групи, разположени на разстояние 120 електрически градуса една от друга. Когато е свързан към трифазно захранване, електрическият ток, протичащ през тези намотки, създава въртящото се магнитно поле, което задвижва двигателя. Първичната намотка получава директно променливотоково захранване, което прави статора аналогичен на първичната намотка на трансформатор.

Общите стойности на захранващото напрежение включват 230/400 V и 400/690 V в регионите на IEC и 230/460 V в Северна Америка. Двигателите обикновено предлагат възможност за двойно напрежение чрез звездни (Y) или делта (Δ) връзки, направени в клемната кутия. Например един и същ двигател може да работи с напрежение 400 V в конфигурация звезда или 690 V в конфигурация триъгълник, като се адаптира към различни електрически системи на съоръжението.

Рамката обикновено е снабдена с външни охлаждащи ребра, които отвеждат топлината, пренасяна от преминаващия през повърхността въздух. Разпоредбите за монтиране - за крачета, за фланци или и за двете - позволяват гъвкав монтаж в различни посоки.

Ротор

Роторът е въртящата се част на двигателя, монтирана на стоманен роторен вал и разположена концентрично в статора. Въздушната междина между ротора и статора е възможно най-малка от механична гледна точка - обикновено от 0,3 до 2 mm в зависимост от размера на двигателя, за да се увеличи максимално магнитното свързване, като същевременно се осигури свободно въртене.

Най-разпространената конструкция е роторът с клетка на катерица, наречен така заради приликата му с колело за упражнения. Той се състои от:

• Пакет от стоманени ламинати с надлъжни прорези
• Алуминиеви или медни роторни пръти, отлети или поставени в тези отвори
• Крайни пръстени, които свързват накъсо всички пръти във всеки край, образувайки непрекъсната проводяща клетка.

Роторните пръти често са леко наклонени - усукани по дължината на ротора - спрямо статорните слотове. Това изкривяване намалява въртящия момент, свежда до минимум пулсациите на въртящия момент и заглушава звуковия шум, който може да се появи при периодично подравняване на роторните и статорните слотове.

Алтернативната конструкция е конструкцията с навит ротор (плъзгащ пръстен). При нея роторът е с пълна трифазна намотка, подобна на статора, като връзките са изведени чрез плъзгащи пръстени и въглеродни четки към външни резистори. Тази схема позволява:

• Висок стартов въртящ момент за взискателни товари като кранове, подемници и големи конвейери
• Контролирано ускорение с намален стартов ток
• Ограничен контрол на скоростта чрез регулиране на съпротивлението

Въпреки това двигателите с навит ротор са по-скъпи, изискват повече поддръжка поради износване на четките и имат по-ниска ефективност от своите аналози с клетка. За 4-полюсен двигател с честота 50 Hz типичната конструкция с клетка с намотка може да работи с около 1440 об/мин при номинално натоварване - приблизително 4% приплъзване под синхронната скорост от 1500 об/мин.

Крайни щитове, лагери, вентилатор и клеморед

Крайните щитове, понякога наричани крайни камбани, са отляти или изработени капаци, закрепени с болтове към всеки край на рамката на статора. Те разполагат и поддържат вала на ротора чрез прецизно монтирани лагери, като поддържат критичната въздушна междина между ротора и статора.

Изборът на лагери зависи от размера на двигателя и приложението. В стандартните двигатели обикновено се използват сачмени лагери с дълбок жлеб, които се справят с радиални и аксиални натоварвания и изискват минимална поддръжка. При много големи двигатели - няколкостотин киловата и повече - могат да се използват втулкови лагери или лагери с накланяща се подложка заради по-добрата им товароносимост и потискане на вибрациите.

Монтиран на незадвижващия край на роторния вал, пластмасов или алуминиев аксиален вентилатор за охлаждане засмуква околния въздух през ребрата на рамката. Защитният капак на вентилатора предотвратява контакта с въртящите се лопатки, като същевременно позволява въздушния поток. При приложения с по-висока мощност или в затворени помещения отделни системи за принудителна вентилация, използващи външни вентилатори, заменят монтирания на вала вентилатор.

Клемната кутия, обикновено разположена отгоре или отстрани на рамката на статора, осигурява достъп до връзките на статорната намотка. Стандартният трифазен двигател разполага с блок с шест клеми, който позволява конфигурации на свързване звезда или триъгълник. Кабелните уплътнители уплътняват входните точки, а заземяването осигурява безопасна работа.

Видове асинхронни двигатели

Асинхронните двигатели се класифицират основно по характеристиките на захранването (еднофазни срещу трифазни), конструкцията на ротора (клетка с перка срещу навит ротор) и класа на ефективност (стандартна, висока или премиум ефективност). Разбирането на тези категории ви помага да изберете правилния двигател за дадено приложение.

Трифазните електродвигатели с клетъчна перка доминират в индустриалните приложения с мощност от няколкостотин вата до няколко мегавата. Те захранват помпи в съоръжения за пречистване на вода, вентилатори в ОВК системи, компресори в хладилни инсталации и конвейери в дистрибуторски центрове. Тяхната изключителна простота и безпроблемна работа ги правят стандартния избор за приложения с фиксирана скорост, където има трифазно захранване.

Еднофазните двигатели се използват за приложения с мощност под около 3 kW, при които е налично само еднофазно захранване - предимно за жилищно и леко търговско оборудване. Въпреки че са по-малко ефективни от трифазните си роднини, те предоставят предимствата на технологията на асинхронните двигатели за по-малки приложения.

Еднофазни асинхронни двигатели

Еднофазният двигател е изправен пред основно предизвикателство: еднофазното захранване създава пулсиращо магнитно поле, а не въртящо се поле. Това пулсиращо поле може да се разложи на две насрещни въртящи се полета с еднаква големина, които се унищожават при покой, което води до нулев нетен пусков въртящ момент. Двигателят не е самовъзбуждащ се по своята същност.

За да се преодолее това, в еднофазните асинхронни двигатели се използват допълнителни намотки и компоненти за смяна на фазите, за да се създаде изкуствено въртящо се поле по време на пускане:

• Конструкциите с разделена фаза използват вторична намотка с по-високо съпротивление, за да създадат фазово изместване.
• Двигателите с кондензаторно стартиране добавят кондензатор последователно към стартовата намотка за по-силно изместване на фазата и по-висок стартов въртящ момент
• Двигателите с постоянен сплит кондензатор (PSC) запазват кондензатора по време на работа за подобряване на ефективността и фактора на мощността.

След като роторът се завърти и наближи около 70-80% от номиналната скорост, центробежен превключвател или електронно реле изключва пусковата намотка, оставяйки двигателя да работи само с основната намотка. Роторът поддържа въртенето си, тъй като всеки компонент на пулсиращото поле взаимодейства по различен начин с движещия се ротор.

Ежедневно се срещате с еднофазни двигатели в климатици за прозорци, домашни хладилници, малки водни помпи, вентилатори за таван и шлифовъчни машини. Тези двигатели са компактни и евтини, въпреки че обикновено предлагат по-нисък пусков момент и ефективност от еквивалентните трифазни машини.

Трифазни асинхронни двигатели

Трифазните асинхронни двигатели по своята същност са самозадействащи се, тъй като статорните им намотки естествено създават истинско въртящо се поле, когато са под напрежение. Не са необходими спомагателни намотки, кондензатори или превключватели - двигателят просто се стартира, когато подадете трифазно захранване.

Тази присъща простота, съчетана с балансирано натоварване на трите захранващи фази, прави асинхронните двигатели с променлив ток стандартния избор за производствени предприятия, пречиствателни станции за отпадъчни води, миннодобивни дейности и сградни услуги. Номиналната мощност обикновено е от 0,75 kW до 500 kW, а за специални приложения - и повече.

Скоростта на двигателя се определя от честотата на захранването и броя на полюсите:

Полюси	50 Hz Скорост на синхронизация	60 Hz Скорост на синхронизация
2	3000 об/мин	3600 об/мин
4	1500 об/мин	1800 об/мин
6	1000 об/мин	1200 об/мин
8	750 об/мин	900 об/мин

Четириполюсните двигатели са най-разпространената конфигурация, която балансира скоростта, въртящия момент и производствените разходи. Двуполюсните двигатели служат за високоскоростни приложения като центробежни помпи и вентилатори, докато шест- и осемполюсните конструкции са подходящи за товари с по-ниска скорост и по-висок въртящ момент.

Трифазните двигатели са отлични в приложения, изискващи висока ефективност, чести стартирания и дълги работни цикли. Двигателите с висока ефективност, отговарящи на стандартите IE3 или IE4, обичайно постигат ефективност над 90% за мощности от 11 kW и повече.

За приложения, изискващи изключително висок пусков момент - големи конвейери, топкови мелници или тежки кранове - трифазните двигатели с навит ротор позволяват поставяне на външно съпротивление по време на пускането. Това увеличава пусковия въртящ момент, като същевременно ограничава пусковия ток, след което съпротивлението постепенно се отстранява, когато двигателят се ускори.

Скорост, приплъзване и управление

Разбирането на връзката между синхронната скорост, скоростта на ротора и приплъзването е от основно значение за работата с асинхронни двигатели. Асинхронният двигател зависи от приплъзването, за да създаде въртящ момент - но същото това приплъзване означава, че двигателят никога не работи с една-единствена, точна скорост.

При празен ход двигателят работи с много близка до синхронната скорост. Четириполюсен двигател на 50 Hz може да се върти с 1495 об/мин с минимално приплъзване. С увеличаване на механичното натоварване на вала на двигателя се изисква по-голям въртящ момент. За да се създаде този въртящ момент, трябва да протича по-голям ток през ротора, което изисква по-голямо относително движение между ротора и статорното поле. Приплъзването се увеличава, а скоростта намалява.

При пълно номинално натоварване същият двигател може да работи с 1450 об/мин - около 3,3% приплъзване. Това представлява нормалната работна точка, за която е проектиран двигателят, като се балансират ефективността, повишаването на температурата и механичната мощност.

Данните от табелката ви дават информация какво да очаквате:

• Номинална мощност (kW или hp)
• Номинално напрежение и ток
• Номинална скорост (винаги по-малка от синхронната)
• Ефективност и фактор на мощността при номинално натоварване

Ако измерите двигател, който работи значително по-бавно от скоростта, посочена на табелката му - при стандартни конструкции превишаваща 8-10% - нещо не е наред. Възможните причини включват претоварване, ниско захранващо напрежение, фазов дисбаланс или механично свързване.

Какво определя скоростта на асинхронния двигател?

Скоростта на асинхронния двигател зависи от два фиксирани параметъра: честотата на захранване и броя на магнитните полюси в статорната намотка.

Общи комбинации при 60 Hz:

• 2 полюса → приблизително 3600 об/мин в синхрон, ~3500 об/мин при натоварване
• 4 полюса → приблизително 1800 об/мин синхронно, ~1750 об/мин при натоварване
• 6 полюса → приблизително 1200 об/мин синхронно, ~1150 об/мин при натоварване

При фиксирана мрежова честота и фиксиран брой полюси асинхронният двигател поддържа почти постоянна скорост в широк диапазон на въртящия момент. Това го прави подходящ за приложения като помпи, вентилатори и компресори, при които е допустимо изменение на скоростта при натоварване.

Стабилността се дължи на стръмната крива на въртящия момент и скоростта в близост до номиналната скорост. Дори големите промени в натоварването водят до скромни промени в скоростта - обикновено няколко процента - докато двигателят не наближи границата си на въртящия момент.

Задвижвания с променлива честота и съвременно управление

Променливите честотни задвижвания промениха начина, по който използваме асинхронните двигатели. Чрез регулиране на захранващата честота, подавана към двигателя, VFD контролира синхронната скорост - и следователно скоростта на ротора - в широк диапазон.

Типичната VFD работи на три етапа:

1. Изправител: Преобразува входящия променлив ток с фиксирана честота в постоянен
2. DC връзка: Филтрира и съхранява енергия
3. Инвертор: Синтезира променлива честота на променливия ток с помощта на мощни транзистори.

Това позволява регулиране на скоростта от почти нулева до, а често и над номиналната честота. Двигателят на вентилатора на ОВКВ може да работи с честота от 10 Hz до 60 Hz в зависимост от нуждите от охлаждане, докато технологичната помпа може да регулира скоростта си, за да отговори на изискванията за дебит в реално време.

Предимствата на управлението с VFD включват:

• Плавно стартиране с намален пусков ток, като се избягват амперите от 5 до 8 пъти при пълно натоварване, които се наблюдават при директно стартиране от мрежата
• Прецизен контрол на скоростта за оптимизиране на процеса
• Икономия на енергия от 20-50% за товари с променлив въртящ момент като вентилатори и помпи
• Удължен живот на двигателя поради намалено механично и термично натоварване

Съвременните VFD осъществяват скаларно (V/f) управление за приложения с общо предназначение или векторно управление за взискателни приложения, изискващи прецизна реакция на въртящия момент. От 90-те години на миналия век насам асинхронните двигатели с VFD задвижване са станали стандартни в търговски сгради, промишлени процеси и инфраструктурни системи по целия свят.

Еквивалентна верига и производителност (модел на Щайнмец)

Инженерите анализират работата на асинхронния двигател, като използват еквивалентната схема на Щайнмец, която разглежда двигателя като трансформатор с въртяща се вторична верига. Този модел за всяка фаза дава представа за тока, фактора на мощността, загубите, ефективността и въртящия момент при стационарни условия.

Еквивалентната схема включва тези основни елементи:

• Съпротивление на статора, представляващо загубите на мед в намотките на статора
• Статорно реактивно съпротивление при изтичане, отчитащо потока, който не свързва ротора
• Магнетизиращ клон, представляващ пътя на магнитния поток през въздушната междина и желязната сърцевина
• Съпротивление на ротора и реактивност на утечка, математически отразени от страната на статора

Основната характеристика на този модел е, че съпротивлението на ротора се разделя на приплъзването. Този член, зависещ от приплъзването, елегантно улавя как механичната мощност се променя със скоростта на ротора. При стартиране (приплъзване = 1) членът за съпротивлението на ротора е равен на действителната му стойност. При номинална скорост с ниско приплъзване членът става много по-голям, което представлява преобразуването на електрическия вход в механична мощност.

Тази аналогия с трансформатора - със статора като първична намотка и ротора като вторична - помага да се обясни защо асинхронните двигатели понякога се наричат въртящи се трансформатори.

Характеристики на въртящия момент и скоростта

Кривата на въртящия момент и скоростта на електродвигател с клетъчна спирала показва работните му характеристики от покой до синхронна скорост. Тази крива се определя от няколко ключови точки:

• Въртящ момент на блокирания ротор: Въртящият момент при нулева скорост (приплъзване = 1), обикновено 150-200% от номиналния въртящ момент за стандартни конструкции.
• Въртящ момент на издърпване: Минималният въртящ момент по време на ускоряване, който трябва да надвишава въртящия момент на товара за успешно стартиране.
• Момент на разбиване: Максималният въртящ момент, който двигателят може да произведе, обикновено 250-300% от номиналния въртящ момент, настъпващ при приплъзване около 20-30%
• Номинална работна точка: Конструктивната скорост и въртящ момент, при които двигателят постига ефективност, посочена на табелката, и повишаване на температурата

Стандартните конструктивни класове на двигателите са съобразени с различни изисквания за натоварване. Двигателите NEMA Design B - стандартът за общо предназначение - предлагат умерен пусков момент, подходящ за вентилатори, помпи и повечето промишлени натоварвания. Дизайн C осигурява по-висок пусков момент за конвейери и натоварени компресори. Дизайн D осигурява много висок пусков момент с високо приплъзване за приложения като щанцови преси и подемници.

Разгледайте конкретен пример: 4-полюсен двигател с мощност 15 kW и напрежение 400 V, работещ при 50 Hz, има синхронна скорост 1500 об/мин. При номинално натоварване той може да работи с 1470 об/мин (приплъзване 2%), като осигурява номинален въртящ момент. Разрушаващият му момент може да достигне 2,5-3 пъти номиналния въртящ момент, като се появява може би при 1100 об/мин. Този запас гарантира, че двигателят може да се справи с временни претоварвания и да се ускори при стартиране с голяма инерция.

Предимства, ограничения и типични приложения

Индукционните двигатели са си извоювали доминираща позиция благодарение на убедителна комбинация от предимства:

• Здрава конструкция без четки, комутатори или плъзгащи се пръстени (при конструкциите с клетка)
• Ниска цена - съставлява приблизително 80% от всички продажби на променливотокови двигатели
• Висока надеждност с типичен експлоатационен живот над 20 години
• Минимална поддръжка, освен смазване и периодична смяна на лагери
• Висока ефективност, често 85-95% за промишлени размери, като проектите с висока ефективност (IE3/IE4) достигат 95-97%
• Добър капацитет на претоварване, толериращ моментно 150-200% номинален въртящ момент

Тези предимства правят индукционните двигатели естествен избор при сравняване на алтернативите. За разлика от постояннотоковите двигатели, те не се нуждаят от поддръжка на четките. За разлика от синхронните двигатели, те се стартират и работят без системи за възбуждане.

Въпреки това съществуват ограничения:

• Пусковият ток достига 5-8 пъти номиналния ток при директно пускане в мрежата, което натоварва захранващите системи
• Скоростта леко варира в зависимост от натоварването при работа с фиксирана честота
• Факторът на мощността при леки натоварвания спада под този на синхронните двигатели
• Прецизният контрол на скоростта изисква допълнително оборудване (VFD)
• Работата се влошава при дисбаланс на захранващото напрежение - въртящият момент може да спадне с 30-50% при дисбаланс на напрежението от 10%

След средата на 2000 г. енергийните регулации в световен мащаб подтикнаха производителите към проекти с по-висока ефективност. Двигателите, отговарящи на стандартите IE3 (подобно на NEMA Premium) или IE4, използват подобрени стоманени ламинации, оптимизирана геометрия на слотовете и по-добри материали за роторните шини, за да намалят загубите.

Индустриални и ежедневни случаи на употреба

Асинхронните двигатели се появяват почти навсякъде, където електричеството захранва движението:

Индустриални приложения:

• В пречиствателните станции за вода работят стотици киловатчаса трифазни двигатели, които задвижват помпи, аератори и оборудване за обработка на утайки.
• Производствените линии използват асинхронни двигатели с редуктор за конвейери, опаковъчни машини и машини за обработка на материали.
• Минните предприятия разчитат на големи двигатели за трошачки, конвейери и вентилатори в тежки условия.
• Хладилните инсталации захранват компресори с двигатели с мощност от няколко киловата до няколкостотин

Търговски сгради:

• В системите за ОВКВ се използват асинхронни двигатели за вентилатори за подаване на вода, вентилатори за отвеждане на отработените газове, помпи за охладена вода и охладителни кули.
• Асансьорите в нискоетажни сгради често използват задвижвания с асинхронни двигатели с механична спирачка.

Домакински уреди:

• Пералните машини и съдомиялните машини обикновено използват еднофазни асинхронни двигатели или конструкции с постоянни кондензатори.
• В хладилниците и фризерите се използват херметични компресорни двигатели
• Вакуумните помпи, отварячите на гаражни врати и инструментите за работилници разчитат на асинхронни двигатели с малка мощност.

Транспорт:

• Първите масови електромобили, включително Tesla Model S от 2008-2017 г., използваха трифазни асинхронни двигатели
• Някои хибридни превозни средства използват асинхронни двигатели в своите задвижвания
• В системите за железопътна тяга отдавна се използват големи асинхронни двигатели заради тяхната здравина.

Тази повсеместна употреба отразява основните предимства на простотата, надеждността и рентабилността, които превърнаха асинхронните двигатели в основа на електрифицираната индустрия.

Историческо развитие и изобретатели

Асинхронният двигател се появява в резултат на по-широкото развитие на полифазните системи за променлив ток в края на XIX век - период на интензивни иновации и конкуренция между пионерите в областта на електротехниката.

През 1888 г. Никола Тесла подава своите основополагащи американски патенти за полифазен асинхронен двигател и система за захранване. Неговите проекти показват, че въртящото се магнитно поле, създадено от два или повече нефазни тока, може да задвижва ротор без никаква електрическа връзка с него. Работата на Тесла, лицензирана на Westinghouse Electric, дава възможност за изграждане на забележителната хидроелектрическа централа на Ниагарския водопад, която през 1896 г. започва да предава променливотокова енергия на Бъфало, Ню Йорк.

Работейки независимо в Италия, физикът Галилео Ферарис публикува статии за въртящи се магнитни полета между 1885 и 1888 г., демонстрирайки подобни принципи. Въпреки че историческите спорове за приоритета продължават, и Тесла, и Ферарис имат съществен принос за разбирането, което е в основата на всички съвременни асинхронни двигатели.

През 20-ти век усилията за стандартизация, положени от организации като NEMA в Северна Америка и IEC в международен план, установяват последователни размери на рамките, номинални стойности и класификации на характеристиките. Тези стандарти позволиха на двигателите от различни производители да станат взаимозаменяеми, като намалиха разходите и опростиха промишления дизайн.

Технологичният напредък непрекъснато подобрява производителността:

• По-добрите електрически стомани намаляват загубите в сърцевината
• Подобрените изолационни материали позволяват по-висока плътност на мощността и по-дълъг живот
• Подобрена ефективност на роторите от лят алуминий, а по-късно и от мед
• Компютъризирани инструменти за проектиране оптимизират геометрията на слотовете и моделите на навиване

Днес асинхронните двигатели консумират приблизително 45% от цялата електроенергия, използвана в индустриалните сектори в световен мащаб. Съвременните конструкции включват уроците от 130-годишното развитие, като осигуряват висока ефективност, дълъг експлоатационен живот и забележителна надеждност. Фундаменталният принцип на работа - въртящо се магнитно поле, което индуцира ток в проводник, за да произведе въртящ момент - остава точно такъв, какъвто са го предвидили Тесла и Ферарис.

Основни изводи

• Асинхронните двигатели преобразуват електрическата енергия в механична чрез електромагнитна индукция, без електрическа връзка с ротора.
• Въртящото се магнитно поле, създадено от три проводника, които пренасят трифазно захранване на разстояние 120°, индуцира роторен ток, който създава въртящ момент.
• Приплъзването - разликата между синхронната скорост и скоростта на ротора - е от съществено значение за работата на двигателя, обикновено 1-5% при номинално натоварване.
• Роторите с клетъчен барабан преобладават поради своята здравина, като металните пръти и крайните пръстени образуват проводящия път.
• Еднофазните конструкции изискват допълнителни методи за стартиране; трифазните двигатели по своята същност са самостартиращи се.
• Променливите честотни задвижвания позволяват контрол на скоростта и осигуряват значителни икономии на енергия за приложения с променливо натоварване
• Историческото развитие води началото си от Тесла и Ферари през 80-те години на XIX век, като оттогава насам стандартизацията и подобряването на ефективността продължават.

Независимо дали определяте двигатели за ново съоръжение, поддържате съществуващо оборудване или просто се интересувате от машините, които задвижват съвременната индустрия, разбирането на основите на асинхронните двигатели дава съществена представа за едно от най-успешните изобретения в електротехниката.