Silniki indukcyjne
Najprostszy typ silnika indukcyjnego pokazany jest w przekroju na rysunku. Trójfazowy zestaw uzwojeń stojana jest umieszczony w szczelinach w żelazie stojana. Uzwojenia te mogą być połączone w układzie wyprostowanym, zwykle bez zewnętrznego połączenia z punktem neutralnym, lub w układzie trójkąta. Wirnik składa się z cylindrycznego rdzenia żelaznego z przewodnikami umieszczonymi w szczelinach wokół jego powierzchni. W najbardziej typowej formie, te przewodniki wirnika są połączone razem na każdym końcu wirnika przez przewodzący pierścień końcowy.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Podstawy działania silnika indukcyjnego można opracować, zakładając najpierw, że uzwojenia stojana są podłączone do trójfazowego źródła zasilania elektrycznego i że w uzwojeniach stojana płynie zestaw trzech prądów sinusoidalnych o postaci pokazanej na rysunku. Rysunek ten pokazuje wpływ tych prądów na wytwarzanie pola magnetycznego w szczelinie powietrznej maszyny w sześciu momentach cyklu. Dla uproszczenia, pokazano tylko centralną pętlę przewodnika dla każdego uzwojenia fazowego. W chwili t1 na rysunku, prąd w fazie a jest maksymalnie dodatni, podczas gdy prąd w fazach b i c jest o połowę mniejszy od prądu ujemnego. W wyniku tego powstaje pole magnetyczne o w przybliżeniu sinusoidalnym rozkładzie wokół szczeliny powietrznej, z maksymalną wartością na zewnątrz u góry i maksymalną wartością do wewnątrz u dołu. W czasie t2 na rysunku (tj. jedną szóstą cyklu później), prąd w fazie c jest maksymalnie ujemny, podczas gdy prąd w fazie b i fazie a jest w połowie wartości dodatni. W rezultacie, jak pokazano dla t2 na rysunku, pole magnetyczne jest ponownie sinusoidalnie rozłożone, ale obrócone o 60° w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Analiza rozkładu prądu dla t3, t4, t5, i t6 pokazuje, że pole magnetyczne nadal obraca się w miarę upływu czasu. Pole to wykonuje jeden obrót w jednym cyklu prądów stojana. Tak więc, połączony efekt trzech równych prądów sinusoidalnych, równomiernie przesuniętych w czasie i płynących w trzech uzwojeniach stojana równomiernie przesuniętych w pozycji kątowej, wytwarza wirujące pole magnetyczne o stałej wielkości i mechanicznej prędkości kątowej, która zależy od częstotliwości zasilania elektrycznego.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Ruch obrotowy pola magnetycznego względem przewodników wirnika powoduje indukowanie się napięcia w każdym z nich, proporcjonalnego do wielkości i prędkości pola względem przewodników. Ponieważ przewodniki wirnika są zwarte ze sobą na każdym końcu, skutkiem tego będzie przepływ prądu w tych przewodnikach. W najprostszym trybie pracy, prądy te będą mniej więcej równe indukowanemu napięciu podzielonemu przez rezystancję przewodnika. Przebieg prądów wirnika w chwili t1 na rysunku jest pokazany na tym rysunku. Prądy te są w przybliżeniu sinusoidalnie rozłożone na obwodzie wirnika i są zlokalizowane w taki sposób, że wytwarzają na wirniku moment obrotowy przeciwny do ruchu wskazówek zegara (tj. moment obrotowy w tym samym kierunku co obrót pola). Moment ten działa w celu przyspieszenia wirnika i obrócenia obciążenia mechanicznego. Wraz ze wzrostem prędkości obrotowej wirnika maleje jego prędkość względem prędkości wirującego pola. W ten sposób napięcie indukowane zmniejsza się, co prowadzi do proporcjonalnego zmniejszenia prądu w przewodniku wirnika i momentu obrotowego. Prędkość wirnika osiąga stałą wartość, gdy moment obrotowy wytwarzany przez prądy wirnika jest równy momentowi obrotowemu wymaganemu przy tej prędkości przez obciążenie, bez nadmiaru momentu obrotowego dostępnego do przyspieszenia połączonej bezwładności obciążenia i silnika.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Mechaniczna moc wyjściowa musi być dostarczona przez elektryczną moc wejściową. Pierwotne prądy stojana pokazane na rysunku są wystarczające do wytworzenia wirującego pola magnetycznego. Aby utrzymać to pole wirujące w obecności prądów wirnika przedstawionych na rysunku, konieczne jest, aby uzwojenia stojana przenosiły dodatkowy składnik prądu sinusoidalnego o takiej wielkości i fazie, aby zniwelować wpływ pola magnetycznego, które w przeciwnym razie byłoby wytwarzane przez prądy wirnika przedstawione na rysunku. Całkowity prąd stojana w każdym uzwojeniu fazowym jest więc sumą składowej sinusoidalnej wytwarzającej pole magnetyczne oraz innej sinusoidy, poprzedzającej pierwszą o jedną czwartą cyklu, czyli 90°, w celu zapewnienia wymaganej mocy elektrycznej. Druga składowa prądu, czyli moc, jest w fazie z napięciem przyłożonym do stojana, podczas gdy pierwsza składowa, czyli magnesująca, jest opóźniona w stosunku do przyłożonego napięcia o jedną czwartą cyklu, czyli 90°. Przy obciążeniu znamionowym składowa magnetyzująca jest zwykle rzędu 0,4 do 0,6 wielkości składowej mocy.
Większość trójfazowych silników indukcyjnych pracuje z uzwojeniami stojana podłączonymi bezpośrednio do trójfazowego źródła zasilania o stałym napięciu i stałej częstotliwości. Typowe napięcia zasilania wynoszą od 230 V liniowo dla silników o stosunkowo niewielkiej mocy (np. 0,5 do 50 kilowatów) do około 15 kilowoltów liniowo dla silników o dużej mocy do około 10 megawatów.
Z wyjątkiem niewielkiego spadku napięcia na rezystancji uzwojenia stojana, napięcie zasilania jest dopasowane do szybkości zmian strumienia magnetycznego w stojanie maszyny. Tak więc, przy zasilaniu stałą częstotliwością i stałym napięciem, wielkość wirującego pola magnetycznego jest utrzymywana na stałym poziomie, a moment obrotowy jest w przybliżeniu proporcjonalny do składowej mocy prądu zasilającego.
W przypadku silnika indukcyjnego pokazanego na powyższych rysunkach, pole magnetyczne obraca się o jeden obrót na każdy cykl częstotliwości zasilania. Dla zasilania 60-cio hercowego, prędkość pola wynosi 60 obrotów na sekundę, lub 3600 na minutę. Prędkość wirnika jest mniejsza od prędkości pola o wartość, która jest wystarczająca do wzbudzenia wymaganego napięcia w przewodach wirnika, aby wytworzyć prąd wirnika potrzebny do uzyskania momentu obciążenia. Przy pełnym obciążeniu, prędkość jest zazwyczaj o 0,5 do 5 procent niższa niż prędkość pola (często nazywana prędkością synchroniczną), przy czym wyższy procent dotyczy mniejszych silników. Ta różnica prędkości jest często określana jako poślizg.
Inne prędkości synchroniczne można uzyskać przy stałej częstotliwości zasilania, budując maszynę z większą liczbą par biegunów magnetycznych, w przeciwieństwie do dwubiegunowej konstrukcji z rysunku. Możliwe wartości prędkości pola magnetycznego w obrotach na minutę wynoszą 120 f/p, gdzie f jest częstotliwością w hercach (cyklach na sekundę), a p jest liczbą biegunów (która musi być parzysta). Dana rama żelazna może być nawinięta na dowolną z kilku możliwych liczb par biegunów poprzez zastosowanie cewek o kącie około (360/p)°. Moment obrotowy dostępny z ramy maszyny pozostanie niezmieniony, ponieważ jest on proporcjonalny do iloczynu pola magnetycznego i dopuszczalnego prądu cewki. Tak więc, moc znamionowa ramy, będąca iloczynem momentu obrotowego i prędkości, będzie w przybliżeniu odwrotnie proporcjonalna do liczby par biegunów. Najczęściej spotykane prędkości synchroniczne dla silników 60-hercowych to 1800 i 1200 obrotów na minutę.
.