Асинхронні двигуни</trp-post-container

Огляд асинхронних двигунів

Асинхронний двигун - це тип електродвигуна, який перетворює електричну енергію в механічну за допомогою принципу електромагнітної індукції. На відміну від інших типів двигунів, які потребують прямого електричного з'єднання як з нерухомими, так і з обертовими частинами, асинхронний двигун виробляє струм ротора виключно за рахунок магнітного поля, індукованого статором. Ця елегантна простота в поєднанні з міцною конструкцією і низькою вартістю дозволила асинхронним двигунам стати домінуючою промисловою "робочою конячкою" протягом 20-го століття і далі.

Визначальною характеристикою цих машин, які також називають асинхронними двигунами, є те, що ротор завжди обертається трохи повільніше, ніж обертове магнітне поле, що створюється статором. Ця різниця швидкостей, відома як ковзання, необхідна для того, щоб двигун створював крутний момент. Без ковзання в роторі не протікав би струм, і вал двигуна не виконував би жодної корисної роботи.

Сьогодні асинхронні електродвигуни змінного струму використовуються у величезній кількості застосувань. Трифазні асинхронні двигуни приводять в дію насоси, компресори, конвеєри та вентилятори систем опалення, вентиляції та кондиціонування на заводах, водоочисних станціях і в комерційних будівлях. Однофазні асинхронні двигуни використовуються в холодильниках, пральних машинах, невеликих водяних насосах і настільних шліфувальних машинах, які можна знайти в будинках і майстернях. У сучасних установках асинхронні двигуни все частіше поєднуються з частотно-регульованим приводом для точного регулювання швидкості та значної економії енергії, особливо у вентиляторах, насосах і повітродувках, де навантаження змінюється в залежності від умов експлуатації.

Синхронну швидкість асинхронного двигуна можна розрахувати як 120-кратну частоту живлення, поділену на кількість магнітних полюсів. Наприклад, 4-полюсний двигун, що працює від мережі 50 Гц, має синхронну швидкість 1500 об/хв. Фактична частота обертання ротора при повному навантаженні може становити близько 1440-1470 об/хв, а ковзання, як правило, знаходиться в діапазоні 1-5% для промислових трифазних машин.

Основний принцип роботи

Коли ви підключаєте трифазну систему до обмоток статора асинхронного двигуна, відбувається щось надзвичайне: три струми, кожен з яких зсунутий на 120 електричних градусів, об'єднуються, щоб створити обертове магнітне поле всередині статора. Це магнітне поле статора обертається з фіксованою синхронною швидкістю, яка визначається частотою живлення та кількістю полюсів у конфігурації обмотки двигуна.

Розглянемо практичний приклад. 4-полюсний двигун, підключений до джерела змінного струму 50 Гц, створює поле, що обертається зі швидкістю 1500 об/хв. При частоті 60 Гц ця ж 4-полюсна конструкція буде створювати поле, що обертається зі швидкістю 1800 об/хв. Формула на словах: синхронна швидкість дорівнює 120 частоті, поділеній на кількість полюсів.

Коли поле статора обертається, воно проноситься повз нерухомі стрижні ротора. Відповідно до закону Фарадея, цей мінливий магнітний потік через провідники ротора індукує напругу, яка викликає індукований струм через короткозамкнені стрижні ротора і торцеві кільця. Цей струм ротора створює власне магнітне поле - магнітне поле, індуковане в роторі, - яке взаємодіє з магнітним полем статора, створюючи електромагнітний крутний момент. Ротор обертається в тому ж напрямку, що й поле, переслідуючи його, але ніколи не наздоганяючи.

Ця різниця швидкостей між швидкістю обертового поля і швидкістю ротора називається ковзанням. На холостому ходу ковзання дуже мале (часто менше 1%), оскільки двигуну потрібно лише подолати тертя підшипників і вітрове навантаження. При повному механічному навантаженні ковзання збільшується - зазвичай до 3-5% для стандартних промислових двигунів - тому що більший крутний момент вимагає більшого струму ротора, що, в свою чергу, вимагає більшого відносного руху між ротором і полем.

Ключові поняття для запам'ятовування:

• Обертове магнітне поле створюється змінним струмом, що протікає через просторово зміщені обмотки статора
• Ковзання має важливе значення: якби ротор точно відповідав синхронній швидкості, не індукувалася б напруга, не протікав би струм ротора і не вироблявся б крутний момент.
• Виробництво крутного моменту залежить від безперервної взаємодії між полем статора і струмом ротора

Основні компоненти асинхронного двигуна

Асинхронний двигун складається з двох первинних електромагнітних вузлів - статора і ротора - разом з допоміжними механічними частинами, включаючи торцеві екрани, підшипники і систему охолодження. Незважаючи на відмінності в розмірах - від однофазних агрегатів потужністю в частки кіловата до багатомегаватних трифазних машин, фундаментальне розташування компонентів залишається незмінним у всьому сімействі.

Сердечники статора і ротора виготовлені зі сталевих пластин, а не з суцільної сталі. Ці тонкі ізольовані листи значно зменшують втрати від вихрових струмів, які в іншому випадку призводили б до втрати енергії та вироблення надлишкового тепла. Промислові двигуни зазвичай відповідають стандартизованим розмірам корпусів - наприклад, корпусам IEC від 90 до 315, що дозволяє інженерам визначати заміну без спеціальних механічних модифікацій.

Якщо ви подивитеся на креслення типового асинхронного двигуна в розрізі, то побачите циліндричний статор, що оточує ротор з невеликим повітряним зазором між ними. Вал двигуна проходить через центр, підтримуваний підшипниками, розміщеними в торцевих щитах, прикручених до рами статора. Зовнішні ребра охолодження, клемна коробка для електричних з'єднань і кришка вентилятора завершують збірку.

Статор

Статор утворює нерухому зовнішню частину двигуна. Він складається з циліндричного штабеля сталевих пластин, запресованих у чавунну або виготовлену сталеву раму. Прорізи, пробиті по внутрішньому колу цих пластин, утримують ізольовані обмотки з мідного дроту - або алюмінію в деяких чутливих до вартості конструкціях - розташовані таким чином, щоб сформувати дві пари полюсів, чотири полюси, шість полюсів або більше, залежно від бажаних швидкісних характеристик.

У трифазному двигуні обмотки статора розподілені по групах, розташованих на відстані 120 електричних градусів одна від одної. При підключенні до трифазної мережі електричний струм, що протікає через ці обмотки, створює обертове магнітне поле, яке приводить в рух двигун. Первинна обмотка отримує живлення змінного струму безпосередньо, що робить статор аналогом первинної обмотки трансформатора.

Поширені номінальні значення напруги живлення включають 230/400 В і 400/690 В в регіонах IEC і 230/460 В в Північній Америці. Зазвичай двигуни можуть працювати від двох напруг завдяки з'єднанням у формі зірки (Y) або трикутника (Δ), виконаним на клемній коробці. Наприклад, один і той самий двигун може працювати при напрузі 400 В в конфігурації "зірка" або 690 В в конфігурації "трикутник", пристосовуючись до різних електричних систем об'єкта.

Рама зазвичай має зовнішні ребра охолодження, які розсіюють тепло, що переноситься повітрям, яке обтікає поверхню. Кріплення - на ніжках, на фланці або і те, і інше - дозволяє гнучко встановлювати пристрій у різних положеннях.

Ротор

Ротор - це обертова частина двигуна, встановлена на сталевому роторному валу і розташована концентрично всередині статора. Повітряний зазор між ротором і статором підтримується настільки малим, наскільки це механічно можливо - зазвичай від 0,3 до 2 мм залежно від розміру двигуна, щоб максимізувати магнітне зчеплення, забезпечуючи при цьому вільне обертання.

Найпоширенішою конструкцією є ротор з короткозамкненим ротором, названий так через свою схожість з біговим колесом. Він складається з:

• Штабель сталевих ламінатів з поздовжніми прорізами
• Алюмінієві або мідні стрижні ротора відлиті або вставлені в ці пази
• Кінцеві кільця, які замикають всі шини на кожному кінці, утворюючи безперервну струмопровідну клітку

Стрижні ротора часто злегка скручені по довжині ротора відносно пазів статора. Такий перекіс зменшує крутний момент зачеплення, мінімізує пульсації крутного моменту та зменшує чутний шум, який може виникати, коли пази ротора та статора періодично вирівнюються.

Альтернативною конструкцією є конструкція з намотаним ротором (контактними кільцями). Тут ротор несе повну трифазну обмотку, подібну до статора, з підключеннями через контактні кільця та вугільні щітки до зовнішніх резисторів. Таке розташування дозволяє:

• Високий пусковий момент для складних навантажень, таких як крани, підйомники та великі конвеєри
• Контрольоване прискорення зі зниженим пусковим струмом
• Обмежене регулювання швидкості за допомогою регулювання опору

Однак двигуни з обмотаним ротором коштують дорожче, потребують більшого обслуговування через зношування щіток і мають нижчий ККД, ніж їхні аналоги з короткозамкненим ротором. Для 4-полюсного двигуна на 50 Гц типова конструкція з короткозамкненим ротором може працювати зі швидкістю близько 1440 об/хв при номінальному навантаженні - приблизно 4% прослизає нижче синхронної швидкості 1500 об/хв.

Торцеві екрани, підшипники, вентилятор і клемна коробка

Кінцеві екрани, які іноді називають торцевими дзвонами, - це литі або виготовлені кришки, прикріплені болтами до кожного кінця рами статора. Вони розміщують і підтримують вал ротора через точно підігнані підшипники, підтримуючи критичний повітряний зазор між ротором і статором.

Вибір підшипника залежить від розміру двигуна та сфери застосування. Стандартні двигуни зазвичай використовують радіальні шарикопідшипники, які сприймають радіальні та осьові навантаження і потребують мінімального обслуговування. У дуже великих двигунах - потужністю кілька сотень кіловат і вище - можуть використовуватися підшипники ковзання або підшипники кочення з нахиленою цапфою завдяки їхній чудовій вантажопідйомності та гасінню вібрацій.

Пластиковий або алюмінієвий осьовий вентилятор охолодження, встановлений на неприводному кінці вала ротора, втягує навколишнє повітря через ребра рами. Захисний кожух вентилятора запобігає контакту з лопатями, що обертаються, але пропускає повітряний потік. Для більш потужних застосувань або в закритих приміщеннях замість вентилятора, встановленого на валу, можна використовувати окремі системи примусової вентиляції з зовнішніми вентиляторами.

Клемна коробка, зазвичай розташована зверху або збоку рами статора, забезпечує доступ до з'єднань обмотки статора. Стандартний трифазний двигун має шестиконтактний блок з можливістю підключення за схемою "зірка" або "трикутник". Кабельні вводи ущільнюються, а заземлення забезпечує безпечну експлуатацію.

Типи асинхронних двигунів

Асинхронні двигуни класифікуються насамперед за характеристиками живлення (однофазні та трифазні), конструкцією ротора (з короткозамкненим та короткозамкненим ротором) та класом ефективності (стандартний, високоефективний або преміум-ефективний). Розуміння цих категорій допоможе вам вибрати правильний двигун для конкретного застосування.

Трифазні двигуни з короткозамкненим ротором домінують у промисловому застосуванні від декількох сотень ват до декількох мегават. Вони приводять в дію насоси на водоочисних спорудах, вентилятори в системах опалення, вентиляції та кондиціонування повітря, компресори в холодильних установках і конвеєри в розподільчих центрах. Завдяки своїй простоті та безвідмовній роботі вони є стандартним вибором для застосувань з фіксованою швидкістю, де доступне трифазне живлення.

Однофазні двигуни використовуються в пристроях потужністю менше 3 кВт, де доступне лише однофазне живлення - переважно в житлових будинках і легкому комерційному обладнанні. Хоча вони менш ефективні, ніж їхні трифазні родичі, вони приносять переваги технології асинхронних двигунів для використання в невеликих масштабах.

Однофазні асинхронні двигуни

Однофазний двигун стикається з фундаментальною проблемою: однофазне живлення створює пульсуюче магнітне поле, а не поле, що обертається. Це пульсуюче поле можна розкласти на два зустрічних обертових поля рівної величини, які зникають при зупинці, створюючи нульовий чистий пусковий момент. Двигун не є самозапускним за своєю суттю.

Для подолання цього в однофазних асинхронних двигунах використовуються допоміжні обмотки та фазозсувні компоненти для створення штучного обертового поля під час запуску:

• Двофазні конструкції використовують вторинну обмотку з більшим опором для створення фазового зсуву
• У двигунах з конденсаторним пуском послідовно з пусковою обмоткою вмикається конденсатор для сильнішого зсуву фаз і вищого пускового моменту.
• Двигуни з постійним роз'ємним конденсатором (PSC) зберігають конденсатор під час роботи для підвищення ефективності та коефіцієнта потужності

Як тільки ротор обертається і наближається до 70-80% номінальної швидкості, відцентровий вимикач або електронне реле відключає пускову обмотку, залишаючи двигун працювати тільки на основній обмотці. Ротор підтримує обертання, оскільки кожна складова пульсуючого поля по-різному взаємодіє з рухомим ротором.

Ви щодня зустрічаєте однофазні двигуни у віконних кондиціонерах, побутових холодильниках, невеликих водяних насосах, стельових вентиляторах і настільних шліфувальних машинах. Ці двигуни компактні та недорогі, хоча вони зазвичай мають нижчий пусковий момент і ККД, ніж еквівалентні трифазні машини.

Трифазні асинхронні двигуни

Трифазні асинхронні двигуни за своєю суттю є самозапускними, оскільки їхні обмотки статора природним чином створюють справжнє обертове поле, коли вони знаходяться під напругою. Немає необхідності в допоміжних обмотках, конденсаторах або перемикачах - двигун просто запускається, коли ви подаєте трифазне живлення.

Ця притаманна їм простота в поєднанні зі збалансованим навантаженням на всі три фази живлення робить фазні асинхронні двигуни стандартним вибором для виробничих підприємств, очисних споруд, гірничодобувних підприємств і будівельних служб. Номінальна потужність зазвичай становить від 0,75 кВт до 500 кВт, а для спеціальних застосувань - значно більше.

Швидкість двигуна фіксується частотою живлення та кількістю полюсів:

Поляки	Швидкість синхронізації 50 Гц	60 Гц Швидкість синхронізації
2	3000 об/хв	3600 об/хв
4	1500 об/хв	1800 об/хв
6	1000 об/хв	1200 об/хв
8	750 об/хв	900 об/хв

Чотириполюсні двигуни - це найпоширеніша конфігурація, що балансує швидкість, крутний момент і вартість виробництва. Двополюсні двигуни служать для високошвидкісних застосувань, таких як відцентрові насоси і вентилятори, тоді як шести- і восьмиполюсні конструкції підходять для більш низькошвидкісних навантажень з високим крутним моментом.

Трифазні двигуни ідеально підходять для застосувань, що вимагають високої ефективності, частих пусків і тривалих робочих циклів. Двигуни преміум-класу, що відповідають стандартам IE3 або IE4, зазвичай досягають ККД вище 90% для потужностей 11 кВт і вище.

Для застосувань, що вимагають надзвичайно високого пускового моменту - великі конвеєри, кульові млини або важкі крани - трифазні двигуни з обмоткою ротора дозволяють підключати зовнішній опір під час запуску. Це збільшує пусковий момент, обмежуючи при цьому пусковий струм, потім опір поступово знімається в міру прискорення двигуна.

Швидкість, ковзання та контроль

Розуміння взаємозв'язку між синхронною швидкістю, швидкістю ротора і ковзанням є фундаментальним для роботи з асинхронними двигунами. Асинхронний двигун залежить від ковзання для створення крутного моменту, але це ж ковзання означає, що двигун ніколи не працює на одній точній швидкості.

На холостому ходу двигун працює дуже близько до синхронної швидкості. 4-полюсний двигун на 50 Гц може обертатися зі швидкістю 1495 об/хв з мінімальним ковзанням. Зі збільшенням механічного навантаження на вал двигуна потрібен більший крутний момент. Щоб створити цей крутний момент, має протікати більший струм ротора, що вимагає більшого відносного руху між полем ротора і статора. Ковзання збільшується, а швидкість зменшується.

При повному номінальному навантаженні цей самий двигун може працювати зі швидкістю 1450 об/хв - приблизно 3,3% ковзання. Це нормальна робоча точка, на яку розрахований двигун, що забезпечує баланс між ефективністю, підвищенням температури та механічною потужністю.

Дані на заводській табличці підкажуть вам, чого очікувати:

• Номінальна потужність (кВт або к.с.)
• Номінальна напруга та струм
• Номінальна швидкість (завжди менша за синхронну)
• Коефіцієнт корисної дії та коефіцієнт потужності при номінальному навантаженні

Якщо ви вимірюєте швидкість двигуна, який працює значно повільніше, ніж зазначено на його паспортній табличці - ковзання перевищує 8-10% для стандартних конструкцій - щось не так. Можливими причинами можуть бути перевантаження, низька напруга живлення, перекіс фаз або механічне зчеплення.

Від чого залежить швидкість асинхронного двигуна?

Швидкість асинхронного двигуна залежить від двох фіксованих параметрів: частоти живлення і кількості магнітних полюсів в обмотці статора.

Поширені комбінації на 60 Гц:

• 2 полюси → приблизно 3600 об/хв синхронно, ~3500 об/хв під навантаженням
• 4 полюси → приблизно 1800 об/хв синхронно, ~1750 об/хв під навантаженням
• 6 полюсів → приблизно 1200 об/хв синхронно, ~1150 об/хв під навантаженням

При фіксованій частоті мережі та фіксованій кількості полюсів асинхронний двигун підтримує майже постійну швидкість в широкому діапазоні крутного моменту. Це робить його добре придатним для таких застосувань, як насоси, вентилятори та компресори, де допустимі коливання швидкості під навантаженням.

Стабільність досягається завдяки крутій кривій залежності крутного моменту від швидкості поблизу номінальної частоти обертання. Навіть великі зміни навантаження призводять до незначних коливань швидкості - зазвичай на кілька відсотків - до тих пір, поки двигун не наблизиться до межі граничного крутного моменту.

Частотно-регульовані приводи та сучасне керування

Приводи змінної частоти трансформували використання асинхронних двигунів. Регулюючи частоту живлення, що подається на двигун, ЧРП контролює синхронну швидкість - а отже, і швидкість обертання ротора - в широкому діапазоні.

Типовий ЧРП працює в три етапи:

1. Випрямляч: Перетворює вхідний змінний струм фіксованої частоти на постійний
2. Ланка постійного струму: Фільтрує та зберігає енергію
3. Інвертор: Синтезує змінну частоту змінного струму за допомогою силових транзисторів

Це дозволяє регулювати частоту обертання від майже нуля до номінальної частоти, а часто і вище. Двигун вентилятора HVAC може працювати в діапазоні від 10 Гц до 60 Гц залежно від потреби в охолодженні, в той час як технологічний насос може регулювати швидкість відповідно до потреб потоку в режимі реального часу.

Переваги керування ЧРП включають в себе наступні:

• Плавний пуск зі зниженим пусковим струмом, що дозволяє уникнути 5-8-кратного перевищення сили струму при повному навантаженні, яке спостерігається при прямому пуску.
• Точне регулювання швидкості для оптимізації процесу
• Економія енергії 20-50% для навантажень зі змінним крутним моментом, таких як вентилятори та насоси
• Подовжений термін служби двигуна завдяки зменшенню механічних і теплових навантажень

Сучасні ЧРП реалізують скалярне (V/f) керування для застосувань загального призначення або векторне керування для складних застосувань, що потребують точної реакції на крутний момент. З 1990-х років асинхронні двигуни з ЧРП стали стандартом у комерційних будівлях, промислових процесах та інфраструктурних системах по всьому світу.

Еквівалентна схема та продуктивність (модель Штейнмеца)

Інженери аналізують характеристики асинхронних двигунів за допомогою еквівалентної схеми Штейнмеца, яка розглядає двигун як трансформатор з обертовою вторинною обмоткою. Ця однофазна модель дає уявлення про струм, коефіцієнт потужності, втрати, ККД і крутний момент в умовах стаціонарного режиму.

Еквівалентна схема включає ці основні елементи:

• Опір статора, що представляє втрати міді в обмотках статора
• Реактивний опір витоку статора, що враховує потік, який не пов'язаний з ротором
• Намагнічувальна гілка, що представляє шлях магнітного потоку через повітряний зазор і залізний сердечник
• Опір ротора і реактивний опір витоку, математично відображені на стороні статора

Ключовою особливістю цієї моделі є те, що опір ротора ділиться на ковзання. Цей залежний від ковзання член елегантно відображає, як змінюється вихідна механічна потужність зі швидкістю ротора. Під час запуску (ковзання = 1) опір ротора дорівнює його фактичному значенню. На номінальній швидкості з низьким ковзанням коефіцієнт опору стає набагато більшим, що відображає перетворення електричного входу в механічний вихід.

Ця аналогія з трансформатором - зі статором як первинною обмоткою і ротором як вторинною - допомагає пояснити, чому асинхронні двигуни іноді називають обертовими трансформаторами.

Крутний момент-швидкість характеристики

Крива крутний момент-швидкість двигуна з короткозамкненим ротором показує його робочі характеристики від зупинки до синхронної швидкості. Цю криву визначають кілька ключових моментів:

• Крутний момент із заблокованим ротором: Крутний момент, що створюється при нульовій швидкості (ковзання = 1), зазвичай 150-200% від номінального крутного моменту для стандартних конструкцій
• Крутний момент під час розгону: Мінімальний крутний момент під час розгону, який повинен перевищувати крутний момент навантаження для успішного запуску
• Крутний момент поломки: Максимальний крутний момент, який може розвивати двигун, зазвичай 250-300% від номінального крутного моменту, що виникає при ковзанні 20-30%.
• Номінальна робоча точка: Розрахункова швидкість і крутний момент, при яких двигун досягає номінальної ефективності і не підвищує температуру.

Стандартні конструктивні класи двигунів відповідають різним вимогам до навантаження. Двигуни NEMA класу B - стандарт загального призначення - мають помірний пусковий момент, що підходить для вентиляторів, насосів і більшості промислових навантажень. Конструкція C забезпечує більш високий пусковий момент для конвеєрів і навантажених компресорів. Типорозмір D забезпечує дуже високий пусковий момент з високим ковзанням для таких застосувань, як вибивні преси та підйомники.

Розглянемо конкретний приклад: двигун потужністю 15 кВт, 4-полюсний, 400 В, що працює на 50 Гц, має синхронну швидкість 1500 об/хв. При номінальному навантаженні він може працювати зі швидкістю 1470 об/хв (ковзання 2%), розвиваючи номінальний крутний момент. Його крутний момент руйнування може досягати 2,5-3 разів більше номінального крутного моменту, що відбувається приблизно при 1100 об/хв. Цей запас гарантує, що двигун може витримувати тимчасові перевантаження і прискорюватися під час високоінерційного старту.

Переваги, обмеження та типові застосування

Асинхронні двигуни завоювали свою домінуючу позицію завдяки переконливому поєднанню переваг:

• Міцна конструкція без щіток, комутаторів або контактних кілець (у дизайні з білковою кліткою)
• Низька вартість - приблизно 80% від усіх продажів двигунів змінного струму
• Висока надійність з типовим терміном служби понад 20 років
• Мінімальне технічне обслуговування, окрім змащування та періодичної заміни підшипників
• Високий ККД, часто 85-95% для промислових розмірів, з конструкціями преміум-класу (IE3/IE4), що досягають 95-97%
• Хороша перевантажувальна здатність, витримує 150-200% номінального крутного моменту миттєво

Ці переваги роблять асинхронні двигуни природним вибором при порівнянні альтернатив. На відміну від двигунів постійного струму, вони не потребують обслуговування щіток. На відміну від синхронних двигунів, вони запускаються і працюють без систем збудження.

Однак існують обмеження:

• Пусковий струм досягає 5-8 разів більше номінального струму при прямому пуску, створюючи навантаження на мережу електроживлення
• Швидкість незначно змінюється залежно від навантаження при роботі на фіксованій частоті
• Коефіцієнт потужності при малих навантаженнях падає нижче, ніж у синхронних двигунів
• Точне регулювання швидкості вимагає додаткового обладнання (VFD)
• Продуктивність погіршується при дисбалансі напруги живлення - крутний момент може впасти на 30-50% при дисбалансі напруги 10%

Після середини 2000-х років енергетичне законодавство в усьому світі підштовхнуло виробників до розробки двигунів преміум-класу. Двигуни, що відповідають стандартам IE3 (аналогічно NEMA Premium) або IE4, використовують покращене сталеве покриття, оптимізовану геометрію пазів і кращі матеріали роторних шин для зменшення втрат.

Промислові та повсякденні випадки використання

Асинхронні двигуни з'являються майже скрізь, де електрика забезпечує рух:

Промислове застосування:

• На водоочисних станціях працюють сотні кіловат трифазних двигунів, що приводять в дію насоси, аератори та обладнання для обробки мулу
• У виробничих лініях використовуються асинхронні мотор-редуктори для конвеєрів, пакувальних машин і переміщення матеріалів
• Гірничодобувна промисловість покладається на великі двигуни для дробарок, конвеєрів і вентиляторів в суворих умовах експлуатації
• Холодильні установки приводять в дію компресори з двигунами потужністю від декількох кіловат до декількох сотень

Комерційні будівлі:

• У системах опалення, вентиляції та кондиціонування повітря використовуються асинхронні двигуни для припливних вентиляторів, витяжних вентиляторів, насосів охолодженої води та градирень
• Ліфти в малоповерхових будинках часто використовують асинхронні двигуни з механічним гальмуванням

Побутова техніка:

• Пральні та посудомийні машини зазвичай використовують однофазні асинхронні двигуни або конденсатори з постійними розрядниками
• У холодильниках і морозильниках використовуються герметичні компресорні двигуни
• Вакуумні насоси, відкривачі гаражних воріт та інструменти для майстерні покладаються на асинхронні двигуни з малою потужністю

Транспортування:

• Перші електромобілі масового ринку, включаючи Tesla Model S 2008-2017 років, використовували трифазні асинхронні електродвигуни змінного струму.
• Деякі гібридні транспортні засоби оснащені асинхронними двигунами у своїх силових агрегатах
• Залізничні тягові системи вже давно використовують великі асинхронні двигуни завдяки їх надійності

Ця повсюдна поширеність відображає фундаментальні переваги простоти, надійності та економічної ефективності, які зробили асинхронні двигуни основою електрифікованої промисловості.

Історичний розвиток та винахідники

Асинхронний двигун з'явився в результаті більш широкого розвитку багатофазних систем електропостачання змінного струму в кінці 19-го століття - періоду інтенсивних інновацій та конкуренції між піонерами електротехніки.

Нікола Тесла подав свої основоположні патенти в США на багатофазний асинхронний двигун змінного струму та систему живлення в 1888 році. Його розробки продемонстрували, що обертове магнітне поле, створене двома або більше протифазними струмами, може приводити в рух ротор без будь-якого електричного з'єднання з ним. Робота Тесли, ліцензована компанією Westinghouse Electric, уможливила створення знакової гідроелектростанції на Ніагарському водоспаді, яка почала передавати електроенергію змінного струму до Буффало, штат Нью-Йорк, у 1896 році.

Незалежно працюючи в Італії, фізик Галілео Ферраріс опублікував роботи про магнітні поля, що обертаються, між 1885 і 1888 роками, продемонструвавши схожі принципи. Хоча історичні суперечки про пріоритет тривають, і Тесла, і Ферраріс зробили фундаментальний внесок у розуміння, яке лежить в основі всіх сучасних асинхронних двигунів.

Протягом 20-го століття завдяки зусиллям зі стандартизації таких організацій, як NEMA в Північній Америці та IEC на міжнародному рівні, були встановлені узгоджені розміри корпусів, номінальні характеристики та класифікації продуктивності. Ці стандарти дозволили двигунам різних виробників стати взаємозамінними, що знизило витрати і спростило промисловий дизайн.

Технологічний прогрес постійно покращував продуктивність:

• Покращені електротехнічні сталі знизили втрати в осерді
• Покращені ізоляційні матеріали забезпечили вищу щільність потужності та довший термін служби
• Литі під тиском алюмінієві, а пізніше мідні ротори підвищили ефективність
• Комп'ютерні інструменти проектування оптимізували геометрію пазів і схеми намотування

Сьогодні асинхронні двигуни споживають приблизно 45% всієї електроенергії, що використовується в промисловому секторі в усьому світі. Сучасні конструкції враховують досвід 130-річної історії розвитку, забезпечуючи високу ефективність, тривалий термін служби та надзвичайну надійність. Фундаментальний принцип роботи - обертове магнітне поле, що індукує струм у провіднику для створення крутного моменту - залишився саме таким, яким його уявляли Тесла і Феррарі.

Основні висновки

• Асинхронні двигуни перетворюють електричну енергію в механічну за допомогою електромагнітної індукції, без електричного з'єднання з ротором
• Обертове магнітне поле, створене трьома проводами, що несуть трифазне живлення на відстані 120° один від одного, індукує струм ротора, який створює крутний момент
• Ковзання - різниця між синхронною швидкістю і швидкістю ротора - має важливе значення для роботи двигуна, як правило, 1-5% при номінальному навантаженні.
• Ротори з короткозамкненим ротором домінують завдяки своїй міцності, а металеві стрижні та торцеві кільця утворюють струмопровідний шлях.
• Однофазні конструкції вимагають допоміжних методів запуску; трифазні двигуни за своєю суттю є самозапускними
• Частотно-регульовані приводи дозволяють регулювати швидкість і забезпечують значну економію енергії для систем зі змінним навантаженням
• Історичний розвиток бере свій початок від Тесли та Феррарі у 1880-х роках, з тих пір стандартизація та підвищення ефективності продовжуються.

Незалежно від того, чи визначаєте ви двигуни для нового об'єкта, чи обслуговуєте існуюче обладнання, чи просто цікавитеся машинами, що приводять в дію сучасну промисловість, розуміння основ асинхронних двигунів дає важливе уявлення про один з найуспішніших винаходів електротехніки.