Трехфазный асинхронный двигатель

Наиболее распространённым источником механической энергии является вращающийся вал двигателя.  Большинство электрических двигателей устроены на основе взаимодействия магнитных полей. Они создаются отдельными частями двигателей, которые именуются статором и ротором. Статор обычно является частью корпуса, который устанавливается на неподвижном основании. Ротор вращается относительно статора. Вал является частью ротора. Для того чтобы получить взаимодействие статора и ротора может быть использовано большое число различных технических решений.

Устройство

Однако простота конструкции и надёжность при минимальной цене движка без существенного негативного влияния на его механическую эффективность являются главными преимуществами. В любом электродвигателе силы, которые возникают при взаимодействии магнитных полей, способны вызвать непрерывное вращение только в том случае, если хотя бы одна из них перемещается в пространстве. Такую силу без внешнего механического воздействия можно создать только переменным магнитным полем. Если его создавать с использованием ротора, конструкция последнего потребует как минимум скользящих контактов в виде колец со щётками для подключения к источнику переменного напряжения.

А это повлечёт за собой ухудшение надёжности и увеличение себестоимости движка. Поэтому для получения наиболее дешёвого преобразования электроэнергии в механическую энергию к источнику переменного напряжения выгоднее подключать статор. С целью получения наиболее эффективного перемещения электромагнитной силы статора подключенного к электросети надо сделать в нём обмотки так, чтобы повторить принцип устройства электрогенератора этой трёхфазной электросети. А это статор с расположением шести полу — обмоток по противоположным вершинам правильного шестиугольника.

Пара полу — обмоток образуют одну обмотку. Каждая из трёх таких обмоток подключается к трёхфазной электросети. При этом может быть либо схема «звезда» (а), либо «треугольник» (б). В соответствии со схемой соединяются клеммы с концами обмоток (в).

Такая конструкция статора создаёт равномерно вращающееся магнитное поле. Чем больше полюсов содержит статор, тем медленнее вращается электромагнитное поле. Силовые линии его будут подобны силовым линиям ротора электрогенератора трёхфазной электросети.

Если они пересекутся с контуром, который создан проводником, по сути, являющимся витком вторичной обмотки трансформатора замкнутым накоротко, в контуре появится индуцированный ток и магнитное поле. И как следствие этого будет механическое взаимодействие этих двух электромагнитных полей.

Трехфазный асинхронный двигатель имеет несколько разновидностей обусловленных особенностями конструкции

Ротор из любого металла, какой бы формы он ни был, является множеством витков, замкнутых накоротко. Но для усиления магнитного поля в нём и вытекающего из этого усиления механической реакции ротора необходим сердечник из ферромагнитного материала, расположенный внутри каждого витка. Для этого ротор выполняется как конструкция, напоминающая колесо, в котором бегает белка, живущая в клетке. Поэтому эта разновидность конструкции так и называется – «беличья клетка»:

Так же как и магнитопровод трансформатора ротор и статор собираются из стальных пластин для уменьшения потерь.

Известно, что если перемещать при одинаковом взаимном расположении магнит и проводник в последнем будет появляться ток тем больший, чем быстрее взаимное перемещение проводника и магнита. В момент пуска ротор неподвижен и эквивалентен проводнику. А статор, вращающееся магнитное поле которого эквивалентно перемещающемуся магниту, максимально быстро движется относительно ротора. По этой причине величина тока в роторе получается максимальной. Фактически при запуске асинхронный двигатель эквивалентен трансформатору в режиме короткого замыкания вторичной обмотки, которой эквивалентен ротор.

С увеличением мощности асинхронного двигателя увеличиваются также и токи, которые могут существовать в его обмотках, в том числе и при запуске. Если не принимать специальных мер, пусковые токи могут настолько понизить напряжение электросети, что это негативно отразиться на работе других устройств, подключенных к ней. Одним из таки способов уменьшения пускового тока является специальная конструкция ротора. На нём проводом наматываются три обмотки, которые своими выводами присоединяются к трём кольцам. Ротор, выполненный в виде такой конструкции, называется «фазным».

Кольца позволяют управлять величиной тока в роторе по мере его разгона при помощи внешнего реостата или резисторов подключенных к щёткам, контактирующим с кольцами. В установившемся режиме кольца замыкаются накоротко специальным механизмом, который одновременно отодвигает щётки от колец для уменьшения изнашивания их. Существуют и две другие конструкции, которые дают возможность уменьшить пусковой ток трёхфазного асинхронного двигателя. Они также основаны на принципе использования ограничения тока в роторе.

Но при этом сопротивление не регулируется, поскольку заложено на этапе изготовления ротора в его конструкцию, которая может быть

• со сдвоенной «беличьей клеткой»;
• с глубоким пазом в роторе.

Сдвоенная «беличья клетка» являет собой две коаксиально расположенные «беличьи клетки». Они изготовлены из разных металлов для получения более высоких значений сопротивления для внешних проводников (1) и минимального сопротивления для внутренних проводников (2). При пуске с магнитным полем статора более эффективно взаимодействует внешняя обмотка. Но поскольку она имеет определённое сопротивление, пусковой ток получается меньше по сравнению с отсутствием её. После разгона с магнитным полем статора более эффективно взаимодействует внутренняя обмотка.

Похожая закономерность получается и для конструкции ротора с глубоким пазом. Распределение тока по сечению проводника изменяется по мере увеличения силы тока. А поскольку пусковой ток весьма велик в плоском проводнике он вытесняется наружу ротора и уплотняется вблизи его поверхности настолько, что пропускная способность плоского проводника оказывается недостаточной и возникает эффект сопротивления, ограничивающего величину пускового тока. Наружная и внутренняя части этого проводника (4) получаются подобны двум коаксиальным «беличьим клеткам».

После разгона различие скоростей вращающегося поля статора и ротора уменьшается, так же как и ток соответственно и в роторе и в статоре. В установившемся режиме ротор будет отставать от вращающегося магнитного поля статора, и величина этого отставания называется «скольжением», измеряемом либо в процентах, либо в относительных единицах. В трёхфазном асинхронном двигателе с короткозамкнутым ротором быстрее всего изнашиваются подшипники. При правильной эксплуатации это наиболее эффективный из всех существующих электродвигателей.