Асинхронният двигател е променливотокова електрическа машина, при която роторът има различна честота на въртене от тази на магнитното поле (т.нар. хлъзгане). Двигателят може да използва еднофазна и трифазна захранваща мрежа. Също така е възможно трифазен асинхронен двигател да работи в еднофазна мрежа, като напрежението в една от намотките се дефазира с кондензатор спрямо основната включена в мрежата, като резултатът е загуба на мощност при все пак работещ двигател. По отношение принципа на създаване на въртящото магнитно поле асинхронните двигатели основно са двуфазни, трифазни и многофазни (6-фази). Асинхронните двигатели се наричат още индукционни двигатели.
История Асинхронните машини възникват като замисъл и реализация почти едновременно със синхронните – в края на деветнадесетото столетие в резултат на упорития творчески труд на трима души – Никола Тесла, Михаил Доливо-Доброволски и Галилео Ферарис. Те работят напълно независимо в почти диаметрално противоположни области от планетата. Всеки от тях разработва асинхронната си машина наред с късосъединената ѝ „версия“ (с ротор накъсо) и с дву- и трифазната токови системи, съединенията „звезда“ и „многоъгълник“ и т.н.
В България производството на асинхронни машини с предназначение двигатели започва едва през тридесетте години на 20 век в малки частни работилници в градове като Троян, Ловеч, Габрово и София. По-късно е построен Силнотоковият завод „Васил Коларов“ край София, където започва серийно производство на електрически машини. През 50-те години развитието на отрасъла е бурно – страната се електрифицира, строят се заводи, има огромна нужда от двигатели в производството и в електротранспорта, от генератори в електроцентралите. Производството на електрически машини се разпределя по територията на страната и заводите се специализират.
Например, големите асинхронни машини продължават да се произвеждат в Силнотоковия завод край София, средно големите (от 4-ти, 5-и, а по-късно и от 6-и) габарити се преместват за производство в Пловдив – в известния завод „ЗАЕ-Пловдив“ в началото на 60-те години – и в Харманли („ЗЕД Димо Дичев – Харманли“), а малките, които имат най-богата и разнообразна номенклатура, се преместват в Троян (легендарния завод „ЕЛПРОМ-Троян“) и в Тетевен.
Развитието на изследванията в областта на електрическите машини в НИПКИЕП „Никола Белопитов“ довеждат до впечатляващи целия свят резултати – непрекъснато се подобряват енергийните, експлоатационните и естетико-ергономичните характеристики на асинхронните двигатели, произведени в България. Кулминацията на резултатите от труда на стотиците ни блестящи инженери и администратори като Никола Белопитов, Трайко Атанасов, Иван Попов, Панчо Дундаров, Ботьо Михайлов, Кръстьо Станилов и много други, е това, че България става основен производител на асинхронни ел. машини за целия СИВ.
Нашите асинхронни двигатели, произведени между 1960 и 1990 година, попадат в челната петорка на такива машини, произведени от световно утвърдени и доказали се производители по отношение на високи ефективност, фактор на мощността и надеждност.
Известни производители на асинхронни електродвигатели са Valiadis, Lenze, Siemens и други.
Видове Асинхронен двигател с навит ротор Асинхронен двигател с накъсо съединен ротор Кондензаторен асинхронен двигател – (двуфазен) Асинхронен двигател с помощна съпротивителна намотка Асинхронен двигател с екранирани полюси и с накъсо съединен ротор (двуфазен за монофазна мрежа) Линеен асинхронен двигател Аксиален асинхронен двигател.
Принцип на действие Поради това, че разглеждаме асинхронните машини в най-общ план, включително и линейните, вместо понятието ротор, което се отнася само за въртящите се машини, ще използваме по-общия термин „работно тяло“.
Асинхронната машина по отношение принципа си на действие представлява трансформатор, чиято вторична намотка е намотката на ротора или самото работно тяло. Когато се създадат условия променливото магнитно поле на статорната намотка да възбуди чрез индукция токове в роторната (вторична) намотка, тези токове са насочени така, че се стремят да противодействат с магнитното си поле на промяната на породилото ги статорно поле – известното правило на Ленц. Тези роторни токове, намиращи се в суперпозицията на статорното и тяхното собствено магнитни полета, започват да изпитват главно тангенциално насочени лоренцови сили. По този начин се формира въртящият момент на ротационните асинхронни машини или срязващото усилие при линейните. Лоренцовата сила обаче не е чисто тангенциално насочена – това се отнася само за главната ѝ компонента. Друга компонента е насочена радиално при ротационните машини и се стреми да свие намотката на ротора към оста, отблъсквайки я по отношение на статора.
При линейните машини това отблъскване на работното тяло от статора се проявява като левитация – статорът едновременно повдига и движи тялото. С подобни линейни двигатели са снабдени някои високоскоростни влакове. Често работното тяло представлява просто токово огледало – масивна метална ивица, в която се завихрят токове на Фуко.
Трансформаторното действие на асинхронната машина изисква работното тяло да се движи с тангенциална скорост, различна от тази на индуциращото в него токове статорно променливо магнитно поле. Така е, защото честотата на индуцираните в проводниците на работното тяло токове е равна на абсолютната стойност от разликата между честотата на статорното поле и честотата, измерена в чифтове полюси, пресечени за единица време, на движение на работното тяло.
Когато асинхронната машина работи като двигател, работното тяло изостава спрямо статорното поле. Докато двигателят ускорява при старт, в работното му тяло честотата на индуцираните токове монотонно намалява, но не достига нула, защото при нулева честота не би имало индукция и, съответно, би изчезнала причината за лоренцовата сила, а оттам – и за движение на работното тяло.
Обратно, когато асинхронната машина работи в генераторен режим, нейното статорно поле изостава спрямо движението на работното тяло. Ходът на разсъжденията е аналогичен, но е в обратен ред.
Въпросното изоставане се нарича хлъзгане и се изразява като разликата в честотите на въртене, отнесена към статорната честота. Обикновено се дава в проценти. Като правило, колкото по-нискоефективна е машината, т.е. колкото по-големи са общите загуби на енергия в нея във вид на топлина и толкова по-голямо хлъзгане се появява, за да ги компенсира. Понеже по-маломощните машини са по-ниско ефективни от големите си събратя, те имат и по-голямо хлъзгане. Фактът, че малките машини са с по-ниски енергийни показатели не е случаен и се дължи на това, че се изработват с по-малък брой канали с относително по-голяма междина (сравнено с размера на машината). Поради по-голямото съотношение повърхност/обем на статорния пакет имат относително по-голям разсеян магнитен поток, който индуцира вихрови токове в корпуса.
Основни източници на загуби в асинхронните машини са топлинните загуби в проводниците (поради ненулевото им съпротивление – закон на Джаул-Ленц), загубите от пренамагнитване на магнитопроводящия материал (хистерезис в най-често силициева стомана), загубите от генерация на хармоници на основното магнитно поле, лагерните загуби, загубите от вихрови токове в корпуса и вала, породени от разсеяните магнитни полета, загубите за самообдухване и самоохлаждане на машината.
Специално приложение Разработени са и асинхронни двигатели с конусни ротори със специализирано приложение в подемната техника (телфери). Те могат да служат и като аварийна спирачка при прекъсване на захранването. Поради коничната форма на ротора, възникват и аксиално насочени сили. Едната от тях е споменатата компонента на лоренцова сила, която се стреми да отблъсне ротора от статора. Другата сила възниква поради това, че индуктивността на статорната намотка при изваден ротор е по-малка от тази при прибран в статора неподвижен ротор. Тази сила е по-голяма от отблъскващата при отдалечен ротор и поради това той се стреми да се прибере в статора (аналогично същият принцип се използва при почти всички видове електромеханични релета, магнит-вентили, асансьорни спирачки, релета на стартери за двигатели с вътрешно горене и други). Когато роторът се приближи достатъчно, двете сили се уравновесяват, установявайки определена стойност на въздушната междина между ротора и статора. В някои конструкции междината се установява принудително чрез поставяне механични ограничители на аксиалния ход на ротора.
При липса или при недостатъчно напрежение на намотката на статора, мощна пружина притиска твърдо прикрепена към ротора полирана стоманена повърхност към специална феродова накладка, монтирана върху стационарния корпус на статора – така двигателят е блокиран. Тези двигатели са разработени и внедрени в България от Трайко Атанасов през 50-те години на ХХ век. Днес такива двигатели се произвеждат във Велико Търново.
Пускане на асинхронен двигател Асинхронните машини създават редица трудности при пускане и по-общо при преходните процеси. В двигателен режим тези трудности се изразяват в това, че ако машината е с ротор, съединен накъсо, директното ѝ захранване от мрежовото напрежение е еквивалентно на включване на трансформатор с накъсо съединена вторична намотка – протичат извънредно големи пускови токове, докато работното тяло се ускори до номинална тангенциална скорост. Това е особено голям недостатък при машини с големи инерционни моменти, присъединени към вала, при тежки пускови условия, при понижено захранващо напрежение, повишена температура на околната среда и неблагоприятни обстоятелства. За избягване на този проблем са разработени редица подходи, както вътрешно-конструктивни за машината, така и отнасящи се до захранването ѝ. Пример за вътрешно конструктивно решение за намаляване на големия пусков ток е навиването на ротор с намотка, която може да се присъедини чрез пръстени и четки към външен пусков реостат с постепенно или постъпателно, намаляващо приблизително до нула съпротивление. С добавяне на паралелна индуктивност към всяко от пусковите съпротивления се постига плавно ускорение при малък брой пускови степени.
Друг конструктивен подход е изработването на ротори с дълбоки и тесни проводници (и съответно канали в магнитопровода на работното тяло за полагането им), на ротори с двойни коаксиални кафези, от които външният е изработен от сплав с голямо специфично съпротивление – и в двата случая се използва честотно зависимото отместване на тока по сечението на проводника в работното тяло – т. нар. скин-ефект. Когато двигателят стартира, честотата на токовете в проводниците на работното тяло е висока и въпросният ефект е силен (той е честотно зависим) и изтласква токовете в най-повърхностните части на проводниците, което е еквивалентно на намаляване сечението, и съответно, на увеличаване на съпротивлението на тези проводници. С ускоряването на работното тяло (ротора при въртящите машини) ефектът намалява и токовете се разпределят по-равномерно по сечението на проводниците, съпротивлението спада. Всичко това става автоматично, без външен контрол.
Най-добрият начин за пускане в ход на една асинхронна машина в двигателен режим е плавното нарастване на честотата на напрежението, захранващо статора, от нула до номиналната. При това напрежението също трябва да нараства от нула до номиналното, така че отношението му към честотата да остава непроменено (константа). Тук е подходящото място да се вметне, че асинхронната машина може да работи в широк диапазон от честоти на захранващото напрежение, а по този начин и с широк диапазон от скорости, стига да са спазени следните условия:
Отношението на напрежението към честотата на синусоидалното захранване трябва да се запазва – примерно машина, работеща при 220 V, 50 Hz, може да работи и на 60 Hz, но при напрежение 264 V. Индуктивното съпротивление на намотките, естествено, расте с честотата;