Понятие асинхронной машины связано с тем, что ротор ее имеет частоту вращения, отличающуюся от частоты вращения магнитного поля статора.
Буква "а" здесь играет как бы роль отрицания или нестрогого следования ротора за синхронно вращающимся магнитным полем статора.
Создателем этой простой по конструкции, но удобной и надежной в работе машины является русский инженер М.О. Доливо-Добровольский. Асинхронный двигатель, впервые разработанный в 1889 году, практически не подвергся серьезным изменениям до наших дней.
В основу конструкции асинхронного двигателя положено создание системы трехфазного переменного тока принадлежащее этому же автору.
Переменный ток, подаваемый в трехфазную обмотку статора двигателя, формирует в нем вращающееся магнитное поле.
Основными конструктивными элементами асинхронного двигателя являются неподвижный статор и подвижный ротор (рис. 5.1.1). Статор и ротор разделены воздушным зазором от 0,1 мм до 1,5 мм. Пакет статора c целью уменьшения потерь на вихревые токи набирают из штампованных листов электротехнической стали. На внутренней полости статора имеются пазы, в которые укладываются провода обмотки. Листы статора перед сборкой в пакет изолируют слоем лака или окалины, полученной при их отжиге.
В пазы статора укладывают обмотку, которая в простейшем случае состоит из трех катушек - фаз, сдвинутых в пространстве на 120 эл. градусов. Ротор асинхронного двигателя представляет собой цилиндр, набранный из штампованных листов электротехнической стали. На поверхности ротора имеются продольные пазы для обмотки. Листы сердечника ротора специально не изолируют, т.к. в большинстве случаев достаточно изоляции от окалины.
В зависимости от типа обмотки роторы двигателей обычного исполнения делятся на короткозамкнутые и фазные.
Обмотка короткозамкнутого ротора представляет собой медные стержни, забитые в пазы. С двух сторон эти стержни замыкаются кольцами. Соединения стержней с кольцами осуществляется пайкой или сваркой (рис. 5.1.2).
Чаще всего короткозамкнутую обмотку выполняют расплавленным, алюминием и литьем под давлением. При этом вместе со стержнями и кольцами отливаются и лопатки вентилятора.
Двигатели большой мощности имеют на роторе фазную обмотку. Конструкция ее аналогична обмотке статора. Концы этой обмотки выведены на контактные кольца. С помощью этих колец и токосъемных щеток к обмотке ротора подключают дополнительные сопротивления.
На статоре трехфазного двигателя расположены 3 обмотки (фазы), которые смещены в пространстве по отношению друг к другу на 120 эл. градусов. Токи, подаваемые в фазные обмотки, отодвинуты друг от друга во времени на 1/3 периода (рис. 5.2.1.).
Используя график изменения трехфазного тока, проставим на нем несколько отметок времени; tl, t2, t3,...tn. Наиболее удобными будут отметки, когда один из графиков пересекает ось времени.
Теперь рассмотрим электромагнитное состояние обмоток статора в каждые из принятых, моментов времени.
Рассмотрим вначале точку t1. Ток в фазе А равен нулю, в фазе С он будет положительным - (+) , а в фазе В - отрицательным (·) (рис. 5.2.2, а).
Поскольку каждая фазная обмотка имеет замкнутую форму, то конец фазной обмотки В-У будет иметь противоположный знак, т.е. У - (+), а конец Z обмотки C-Z - (·).
Известно, что вокруг проводника с током всегда образуется магнитное поле. Направление его определяется правилом правоходового винта ("буравчика").
Проведем силовую магнитную линию вокруг проводников С и У и, соответственно, В и Z (см. штриховые линии на рис. 5.2.2 a).
Рассмотрим теперь момент времени t2. В это время тока в фазе В не будет. В проводнике А фазы А-Х он будет иметь знак (+), а в проводнике С фазы C-Z он будет иметь знак (·). Теперь проставим знаки: в проводнике Х - (·), а в проводнике Z - (+).
Проведем силовые линии магнитного поля в момент времени t2 (рис. 5.2.2,б). Заметим при этом, что вектор F совершил поворот.
Аналогичным образом проведем анализ электромагнитного состояния в фазных обмотках статора в момент времени t3,…tn (рис. 5.2.2, б, в, г, д).
Из рисунков 5.2.2 наглядно видно, что магнитное поле в обмотках и его поток Ф совершают круговое вращение.
Частота вращения магнитного поля статора определяется следующей формулой:
где f - частота тока питающей сети, Гц; p - число пар полюсов.
Если принять f=50 Гц, то для различных чисел пар полюсов (р=1, 2, 3, 4, ) n1=3000, 1500, 1000, 750, об/мин.
Вращающееся магнитное поле статора пересекает проводники обмотки ротора и наводит в них ЭДС. Так как роторная обмотка замкнута, то в проводниках ее возникают токи. Ток каждого проводника, взаимодействуя с полем статора, создает электромагнитную силу - Fэм. Совокупность сил всех проводников обмотки создает электромагнитный момент М, который приводит ротор во вращение в направлении вращающего поля.
Частота вращения ротора n2 будет всегда меньше синхронной частоты n1, т.е. ротор всегда отстает от поля статора. Поясним это следующим образом. Пусть ротор вращается с частотой n2 равной частоте вращающегося поля статора n1. В этом случае поле не будет пересекать проводники роторной обмотки. Следовательно, в них не будет наводиться ЭДС и не будет токов, а это значит, что вращающий момент М = 0. Таким образом, ротор асинхронного двигателя принципиально не может вращаться синхронно c полем статора. Разность между частотами поля статора n2 и ротора n1 называется частотой скольжения Dn.
.Отношение частоты скольжения к частоте поля называется скольжением:
.*)В общем случае скольжение в асинхронном двигателе может изменяться от нуля до единицы. Однако номинальное скольжение Sн обычно составляет от 0,01 до 0,1 %. Преобразуя выражение *), получим выражение частоты вращения ротора:
Обмотка ротора асинхронного двигателя электрически не связана с обмоткой статора. В этом отношении двигатель подобен трансформатору, в котором обмотка статора является первичной обмоткой, а обмотка ротора - вторичной. Разница состоит в том, что ЭДС в обмотках трансформатора наводится неизменяющимся во времени магнитным потоком, а ЭДС в обмотках двигателя - потоком постоянным по величине, но вращающимся в пространстве. Эффект в том и в другом случаях будет одинаковым. В отличие от вторичной обмотки трансформатора, неподвижной, обмотка ротора двигателя вместе с ним вращается.
ЭДС роторной обмотки, в свою очередь, зависит от частоты вращения ротора. В этом нетрудно убедиться, анализируя процессы, протекающие в асинхронном двигателе.
Синхронная частота вращения магнитного поля статора перемещается относительно ротора с частотой скольжения Dn. Она же наводит в обмотке ротора ЭДС E2, частота которой f2 связана со скольжением S:
Учитывая, что f1=рn1/60, f2=рn1S/60.
Приняв величину номинального скольжения порядка 0,01-0,1, можно подсчитать частоту изменения ЭДС в роторной обмотке, которая составляет 0,5-5 Гц (при f1=50 Гц).
При подключении обмотки статора к сети возникают токи I1, создающие вращающийся магнитный поток Ф. Большая часть магнитного потока сцепляется с обмотками ротора и статора. Это будет основной поток обмотки статора. Некоторая часть магнитного потока рассеивается в пространстве. Назовем его потоком рассеяния Фрс. Он cцепляется только с витками собственной обмотки.
Основной магнитный поток асинхронного двигателя, вращаясь в пространстве, пересекает обмотку статора со скоростью n1 и обмотку ротора со скоростью n2, наводя в них основные ЭДС:
; 
где W1k1 и W2k2 - произведения чисел витков на обмоточные коэффициенты; Е2s=Е2S.
Потоки рассеяния Фрс1 Фрс2 наводят в обмотках ЭДС рассеяния Ер1 и Ер2, которые, как в трансформаторе, могут быть выражены через соответствующие токи I1 и I2 и индуктивные сопротивления х1 и х2s.
; 
где х1 и х2s - индуктивные сопротивления рассеяния обмоток статора и ротора.
Помимо названных выше ЭДС, в обмотках статора и ротора имеют место активные падения напряжения, которые компенсируются соответствующими ЭДС Er1 и Еr2.
Рассуждая аналогично пункту 4.3 составим основные уравнения асинхронного двигателя.
Напряжение U1, приложенное к фазе обмотки статора, уравновешивается основной ЭДС E1, ЭДС рассеяния и падением напряжения на активном сопротивлении обмотки статора.
В роторной обмотке аналогичное уравнение будет иметь вид:
Но т.к. роторная обмотка замкнута, то напряжение U2=0, и если учесть еще, что E2s=SE2 и x2s=Sx2 , то уравнение можно переписать в виде:
Уравнение токов асинхронного двигателя повторяет аналогичное уравнение трансформатора:
,где
.Для того чтобы параметры ротора и статора изобразить на одной векторной диаграмме, произведем приведение параметров обмотки ротора к параметрам обмотки статора. При этом обмотку ротора с числом фаз m2, обмоточным коэффициентом k2 и числом витков W2 заменяют обмоткой с m1×k1×W1, соблюдая при этом энергетический баланс в роторе.
Не останавливаясь на методике приведения параметров, которая повторяется из раздела "трансформаторы", перепишем основные уравнения приведенного асинхронного двигателя:
1.
Используя принципы построения векторной диаграммы для трансформатора, построим ее для асинхронного двигателя.
Вначале во втором основном уравнении величину r2' представим в виде:
,что математически не противоречит друг другу.
Тогда само уравнение можно переписать:
Используя три основных уравнения двигателя, построим векторную диаграмму, которая, будет несколько напоминать диаграмму трансформатора (рис. 5.7.1).
Вторичное напряжение определяется вектором:
,иначе говоря, асинхронный двигатель в электрическом отношении работает как трансформатор при активной нагрузке.
Мощность, отдаваемая вторичной обмоткой данного трансформатора
,представляет собой полную механическую мощность, развиваемую двигателем.
Уравнениям ЭДС и токов соответствует эквивалентная схема замещения (рис. 5.8.1.). Таким образом, сложную магнитную цепь электрической машины можно заменить электрической схемой. Сопротивление r2'(1 - S)/S можно рассматривать как внешнее сопротивление, включенное в обмотку ротора. Оно является единственным переменным параметром схемы. Изменение этого сопротивления эквивалентно изменению нагрузки на валу двигателя, а следовательно, изменению скольжения S.
В обмотку статора из сети поступает мощность P1. Часть этой мощности идет на потери в стали Pсl, а также потери в обмотке статора Рэ1:
Оставшаяся мощность посредством магнитного потока передается на ротор и называется электромагнитной мощностью:
Часть электромагнитной мощности затрачивается на покрытие электрических потерь в обмотке ротора:
Оставшаяся мощность преобразуется в механическую, получившую название полной механической мощности:
Р2'=Рэм-Рэ2
Воспользовавшись ранее полученной формулой
запишем выражение полной механической мощности:
тогда
или
Рэ2=SРэм,
т.е. мощность электрических потерь пропорциональна скольжению.
Мощность на валу двигателя P2 меньше полной механической мощности Р2’ на величину механических Рмех и добавочных Рдоб потерь:
Р2=Р2’-(Рмех.+Рдоб.).
Таким образом:
Р2=Р1-SP,
где
SP=Pсl+Рэ1+Рэ2+Рмех.+Рдоб.
Коэффициент полезного действия есть отношение мощности на валу P2 к потребляемой мощности P1:
Вращающий момент в асинхронном двигателе создается взаимодействием тока ротора с магнитным полем машины. Вращающий момент математически можно выразить через электромагнитную мощность машины:
,где w1=2pn1/60 - угловая частота вращения поля.
В свою очередь, n1=f160/Р, тогда
.Подставим в формулу M1 выражение Рэм=Рэ2/S и, разделив на 9,81, получим:
,Отсюда следует, что момент двигателя пропорционален электрическим потерям в роторе. Подставим в последнюю формулу значение тока I2’:
,получим
,где U1 - фазное напряжение обмотки статора.
В последнем выражении для M1 единственным переменным параметром является скольжение S. Зависимость М=f(S) получило название механической характеристики двигателя (рис. 5.11.1).
В момент пуска двигателя, когда n2=0, скольжение S=1, тогда:
.Под действием момента Mn ротор придет во вращение. В дальнейшем скольжение будет уменьшаться, а вращающий момент увеличиваться. При скольжении Sкр он достигает максимального значения Mmax.. Величина критического скольжения
.Тогда, подставив его значение в формулу для М, получим:
.Дальнейший разгон двигателя будет сопровождаться уменьшением скольжения и, вместе с тем уменьшением вращающего момента. Равновесие наступит, когда величине вращающего момента будет противостоять тормозной момент, вызванный нагрузкой.
При номинальной нагрузке будут номинальный вращающий момент Мн и номинальное скольжение Sн.
Отношение максимального момента к номинальному называется перегрузочной способностью двигателя.
.Обычно она составляет величину от 1,7 до 2,5.
Отношение пускового момента к номинальному называется кратностью пускового момента
.Эта величина может быть меньше единицы (например, 0,8) и больше ее (до 1,2). При меньшей кратности двигатель следует включать в работу без нагрузки, и лишь после разгона подается нагрузка. Двигатель с кратностью Кп.м.>1 можно включать в сеть с полной нагрузкой.
Эти характеристики снимаются экспериментально и представляют собой зависимость I1, М2, n2, cosj, h от нагрузки на валу двигателя P2.
Примерный вид характеристик приведен на рис. 5.12.1.
На практике замечено, что ток, потребляемый обмоткой статора в первый момент пуска двигателя, очень большой. В ряде случаев он превышает номинальный ток в 6 - 10 раз.
Такой нагрузки может не выдержать не только питающая сеть, но и сама обмотка статора. Поэтому для пуска крупных асинхронных двигателей применяют специальные устройства, снижающие пусковой ток. На рис. 5.13.1. показаны схемы пуска мощных двигателей с помощью реакторов и автотрансформатора.
Принцип ограничения тока заключается в том, что к статорной обмотке двигателя на период пуска подводится пониженное напряжение. После разгона его дополнительные устройства от двигателя отключаются.
Иногда для снижения напряжения, подаваемого в обмотки статора, изменяют схему
переключения обмоток. Например, асинхронный двигатель нормально работает по
схеме "треугольник". Если на период пуска его обмотки включить "звездой", то на
каждую фазу придется напряжение в 
раз меньшее.
Двигатели с фазным ротором пускаются в работу с помощью дополнительных сопротивлений. Вводя дополнительные сопротивления в цепь ротора, добиваются ограничения пускового тока.
Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя определяется формулой:
.Здесь возможны три различных способа реализации:
Первый заключается в изменении частоты тока f, подаваемого в обмотки двигателя. Этот способ позволяет осуществлять плавное регулирование частоты вращения двигателя. Регуляторы частоты тока пока еще очень дороги, поэтому они мало применяются.
Второй способ связан с изменением пар полюсов p на статоре.
Укладывая на статоре несколько обмоток, рассчитанных на различные числа пар полюсов (р=1,2,3,4), можно обеспечить различные частоты вращения магнитного поля (соответственно: 3000, 1500, 1000, 750 об/мин). Подключение к сети необходимой обмотки производится специальным переключателем.
Этот способ регулирования ступенчатый, но в ряде металлообрабатывающих станков он нашел самое широкое применение (например, для привода продольно-строгального станка при рабочем и обратном ходе).
Третий способ регулирования частоты вращения возможен лишь для двигателей с фазным ротором. Здесь изменение скольжения S достигается введением в цепь ротора регулировочных сопротивлений. Такие схемы широко используются на грузоподъемных кранах.
К категории регулирования вращения вала двигателя относится так называемое реверсирование, т.е. изменение направления вращения на обратное. Осуществляется оно путем изменения порядка чередования фаз обмотки статора. На рис. 5.13.2. показана схема изменения направления вращения вала двигателя.
Торможение асинхронного двигателя может быть механическим и электрическим.
К механическим относятся торможения муфтами, электромагнитными лентами, колодками и т.д.
Иногда применяют электродинамическое торможение, когда после отключения двигателя от сети переменного тока в его обмотки подается постоянный ток. В этом случае постоянное магнитное поле заметно сокращает выбег ротора.
Чаще используется торможение "противовыключением". После отключения двигателя от сети его кратковременно включают на вращение в обратную сторону. Как только оставшаяся частота вращения ротора n2 станет равной нулю, двигатель отключается от сети.
Очень часто задают вопрос, нельзя ли обычный трехфазный двигатель включить в однофазную сеть переменного тока?
Рассуждения в п.5.14., относящиеся к однофазным двигателям, можно отнести к двигателям с трехфазной обмоткой на статоре. На рис. 5.17.1. показаны четыре различные схемы подключения двигателей.
Здесь две статорные обмотки включаются в сеть последовательно, образуя обмотку возбуждения. Третья фазная обмотка является пусковой, поэтому она содержит фазосдвигающий элемент.
Второе обязательное условие для двухфазных двигателей здесь можно выполнить достаточно точно путем правильного подбора конденсатора С.
Первое условие здесь выполнено неточно, т.к. пространственный сдвиг между обмотками составляет не 90°, а 120°.
Вследствие этого, двигатель теряет примерно 50-60% своей номинальной мощности.