Budowa silnika prądu stałego

1. stojan z magnesem trwałym.

2. wirnik z uzwojeniem twornika – prostokątna ramka z drutu;

3. szczotki – doprowadzające prąd do uzwojenia twornika;

4. komutator – pierścień ze stykami – wyprowadzenia z ramki (uzwojenia twornika);

5. wyjścia do zasilania.

Stojan - zespół nieruchomych elementów maszyny lub mechanizmu, otaczających wirujący wokół stałej osi wirnik.
Wirnik - element maszyny lub mechanizmu, który w czasie pracy wiruje wokół stałej osi.
Twornik – uzwojenie silnika elektrycznego lub prądnicy, w którym indukuje się siła elektromotoryczna na skutek względnego ruchu tego uzwojenia i pola magnetycznego wytworzonego przez odrębne uzwojenie wzbudzenia. W tworniku zachodzi przemiana energii elektrycznej na mechaniczną (silnik) lub mechanicznej na elektryczną (prądnica).
Szczotka – specjalny rodzaj kontaktu elektrycznego pomiędzy dwiema (lub więcej) ruchomymi częściami. Zazwyczaj szczotki współpracują z komutatorem lub pierścieniami ślizgowymi. Zazwyczaj stosowane są szczotki węglowe.
Komutator - element przełączający umieszczany na wirniku komutatorowych maszyn elektrycznych. Składa się z wielu odizolowanych od siebie wycinków miedzianych. Służy do zmiany przepływu prądu w wirniku (jest czymś w rodzaju prostownika, sprawia, że prąd płynie cały czas w jedną stronę bez względu na obrót wirnika).

Silnik elektryczny prądu stałego zbudowany jest z dwóch magnesów zwróconych do siebie biegunami różnoimiennymi, tak aby pomiędzy nimi znajdowało się pole magnetyczne. Pomiędzy magnesami znajduje się przewodnik w kształcie ramki podłączony do źródła prądu poprzez komutator i ślizgające się po nim szczotki. Przewodnik zawieszony jest na osi, aby mógł się swobodnie obracać.

Na ramkę, w której płynie prąd elektryczny, działa para sił elektrodynamicznych z powodu obecności pola magnetycznego. Siły te powodują powstanie momentu obrotowego. Ramka wychyla się z położenia poziomego, obracając się wokół osi. W wyniku swojej bezwładności mija położenie pionowe (w którym moment obrotowy jest równy zero a szczotki nie zasilają ramki). Po przejściu położenia pionowego ramki, szczotki znów dotykają styków na komutatorze, ale odwrotnie, prąd płynie w przeciwnym kierunku, dzięki czemu ramka w dalszym ciągu jest obracana w tym samym kierunku.

Ze względu na sposób wzbudzenia pola magnetycznego dzielą się na:

• silnik prądu stałego obcowzbudny – uzwojenie wzbudzające jest zasilane z oddzielnego źródła (innego niż uzwojenie twornika) – stosowane głównie w napędach wymagających regulacji prędkości w szerokim zakresie obrotów;

• silnik prądu stałego samowzbudny – silniki z elektromagnesem w stojanie mogą mieć połączone uzwojenia stojana i wirnika szeregowo, równolegle (bocznikowo) lub w sposób mieszany. Sposób podłączenia określa rodzaj silnika.

• silnik szeregowy – o uzwojeniu wzbudzenia w stojanie połączonym szeregowo z uzwojeniem twornika. Charakteryzuje się dużą zależnością prędkości obrotowej od obciążenia. Zmniejszanie obciążenie powoduje wzrost prędkości obrotowej (teoretycznie do nieskończenie wielkiej) i grozi tzw. rozbieganiem, a w konsekwencji zniszczeniem silnika. Jest to jego poważna wada. Dlatego tego typu silników nie wolno włączać bez obciążenia. Stosowane są głównie w trakcji elektrycznej (napędy lokomotyw, tramwajów, trolejbusów)^[1] i pojazdach mechanicznych (wózki akumulatorowe, rozruszniki samochodów), w napędach dźwigów, wentylatorów itp.
  
  Silnik szeregowy może być, jako jedyny silnik prądu stałego, zasilany również prądem przemiennym. Silniki takie zwane są też silnikami uniwersalnymi. Możliwość ich różnego zasilania wynika z faktu, że kierunek wirowania wirnika nie zależy od biegunowości przyłożonego napięcia. W przypadku, gdy silnik ma być zasilany prądem stałym stojan wykonywany jest z litego materiału. Natomiast przy zasilaniu prądem przemiennym wykonuje się go z pakietu izolowanych blach zmniejszając straty energii powstałe na skutek prądów wirowych. Ze względu na stosunkowo małe wymiary przy stosunkowo dużej mocy oraz duże prędkości obrotowe, silniki te znalazły liczne zastosowania w urządzeniach wymagających dużych prędkości obrotowych napędu, np. w odkurzaczach, elektronarzędziach, suszarkach, sokowirówkach, mikserach itp.

• silnik bocznikowy – o uzwojeniu wzbudzenia w stojanie przyłączonym równolegle z uzwojeniem twornika. Charakteryzuje się małą podatnością na zmianę prędkości obrotowej na skutek zmiany obciążenia. Stosowany głównie w napędach obrabiarek, pomp, dmuchaw, kompresorów;

• silnik szeregowo-bocznikowy – o uzwojeniu wzbudzenia w stojanie połączonym z uzwojeniem twornika w sposób mieszany (część szeregowo, a część równolegle). Charakteryzuje się brakiem głównej wady silnika szeregowego – możliwości jego rozbiegania przy braku obciążenia, a także ma jego zalety – duży moment obrotowy w szerokim zakresie obrotów i zależność prędkości obrotowej od obciążenia. Stosowany jest zazwyczaj jako silniki dużych mocy, tam gdzie występuje ciężki rozruch: do napędu walcarek, pras, dźwigów oraz w napędach okrętowych mechanizmów pokładowych.

Oznaczenia zacisków i końcówek uzwojeń (początek - koniec)
      wg. PN--EN 60034-8:2005:
      1) uzwojenie twornika - A1 - A2,
      2) uzwojenie biegunów komutacyjnych - B1 - B2,
      3) uzwojenie kompensacyjne - C1 - C2,
      4) uzwojenie wzbudzające szeregowe - D1 - D2,
      5) uzwojenie wzbudzające bocznikowe - E1 - E2,
      6) uzwojenie obcowzbudne - F1 - F2,
      7) uzwojenie pomocnicze w osi podłużnej - H1 - H2,
      8) uzwojenie pomocnicze w osi poprzecznej - I1 -I2.

Hamowanie silnika
Hamowanie elektryczne urządzenia napędzanego za pomocą maszyny prądu stałego występuje przy jej pracy prądnicowej. Wytwarzana wówczas energia może być zwracana do sieci (hamowanie odzyskowe) lub wytracana w zamkniętym obwodzie twornika (hamowanie dynamiczne). Hamowanie dynamiczne stosuje się zarówno w silnikach obcowzbudnych, bocznikowych jak i szeregowych.
Hamowanie elektryczne silnika może wystąpić również na skutek zmiany kierunku elektromagnetycznego momentu obrotowego (np. przez zmianę zwrotu prądu w uzwojeniu twornika). Jest to tzw. hamowanie przy przeciwwłączeniu,  Polega ono na nagłej zmianie biegunowości napięcia na zaciskach twornika i jednoczesnym włączeniu opornika w szereg z twornikiem. Ten rodzaj hamowania stosuje się do wszystkich rodzajów silników prądu stałego.
Zmiana kierunku wirowania - stosuje się przez zmianę kierunku prądu w uzwojeniu twornika (lub w uzwojeniach wzbudzających główne pole magnetyczne).

Straty i sprawność silnika prądu stałego
Przy pracy silnika prądu stałego moc elektryczna P_el, doprowadzona do silnika, rozdziela się na moc mechaniczną P_m na wale silnika oraz moc strat P_el = P_m + ΔP.
Straty ΔP dzielą się na trzy grupy: straty jałowe ΔP₀, straty wzbudzenia ΔP_wz, straty obciążenia ΔP_obc.
Straty jałowe są to straty w żelazie na histerezę i prądy wirowe oraz straty mechaniczne na tarcie w łożyskach, tarcie szczotek o komutator oraz straty wentylacyjne ΔP₀ = ΔP_Fe + ΔP_m .
Straty wzbudzenia są to straty mocy na ciepło Joule'a w uzwojeniu wzbudzającym Straty obciążeniowe są związane z przepływem prądu w obwodzie twornika . Straty całkowite .

Sprawność silnika prądu stałego oblicza się według zależności

.

Silnik szeregowy

W silniku szeregowym uzwojenie wzbudzenia jest połączone szeregowo z uzwojeniem wirnika. Prąd przepływający przez wirnik jest więc taki sam jak w uzwojeniu wzbudzenia. Poniższy schemat przedstawia układ połączeń w silniku szeregowym.

Prędkość obrotowa silnika szeregowego jest zależna od napięcia w sieci, obciążenia oraz strumienia wzbudzenia.

Spadek napięcia w silniku jest mały, więc pomijając go i uwzględniając jeszcze, że strumień wzbudzenia jest zależny od prądu wzbudzenia można przyjąć, że:

Analizując powyższy wzór możemy się zorientować, że w miarę zmniejszania się obciążenia obroty silnika rosną. Przy bardzo małych obciążeniach może dojść do "rozbiegania się" silnika a w konsekwencji zniszczenia.

Moment obrotowy silnika jest zależny od prąd i strumienia, przedstawia go poniższy wzór:

Gdy rdzeń ulega nasyceniu zmiana strumienia nie jest już proporcjonalna do prądu, wtedy wykładnik potęgi wynosi 1 lub zbliża się do 1. Gdy prąd zwiększymy dwukrotnie wzrośnie także dwukrotnie strumień magnetyczny (do czasu nasycenia się rdzenia), a ponieważ moment obrotowy jest proporcjonalny do prądu i strumienia więc moment wzrośnie czterokrotnie. Tak więc moment obrotowy jest niezależny od napięcia w sieci co jest jego dużą zaletą.

Zasada działania
Uzwojenie wzbudzenia wytwarza strumień magnetyczny F, który przy nienasyconym obwodzie magnetycznym jest proporcjonalny do prądu I φ = cI                             
Strumień ten oddziałuje na pręty uzwojenia twornika, w których płynie taki sam prąd jak w uzwojeniu wzbudzenia. Efektem tego oddziaływania jest moment elektromagnetyczny M_o = cφI_o = cI_w^α
wprawiający wirnik w ruch obrotowy.
W uzwojeniu twornika, wirującym w polu magnetycznym z prędkością obrotową n, indukuje się SEM E = cφn = cIn, której wartość jest mniejsza od wartości napięcia zasilającego (U) o spadek napięcia na rezystancji obwodu twornika (IR_t). Na podstawie II prawa Kirchhoffa można napisać, że w silniku tym: E = U − IR_c.R_c = R_tc + R_w. Po uwzględnieniu zależności E = cφn = cIn i prostym przekształceniu otrzymamy:$n = \frac{U - IR_{c}}{\text{cI}}$

Sprawność silnika szeregowego jest największa przy dużych i średnich obciążeniach, wraz ze zmniejszaniem się obciążenia sprawność ulega zmniejszeniu. Zależności między obrotami, momentem i sprawnością a obciążeniem przedstawia poniższa charakterystyka silnika szeregowego.

Charakterystyka mechaniczna

Włączenie w obwód twornika dodatkowej rezystancji powoduje przesunięcie charakterystyki w dół, a zbocznikowanie obwodu wzbudzenia w górę.

Rozruch silnika szeregowego prądu stałego: a) układ połączeń rozrusznika, b) charakterystyki mechaniczne dla R_td1>R_td2>R_td3

Regulacja prędkości obrotowej silnika szeregowego prądu stałego

Zmiana napięcia zasilania

Charakterystyki mechaniczne silnika szeregowego prądu stałego przy stopniowej zmianie napięcia zasilania

Zmiana strumienia w szczelinie powietrznej

Zmiana rezystancji obwodu twornika

Charakterystyki mechaniczne silnika szeregowego prądu stałego o rezystancji dodatkowej w obwodzie

Bocznikowanie twornika

Bocznikowanie twornika: a) układ połączeń, b) charakterystyki mechaniczne silnika szeregowego prądu stałego

Zalety silnika szeregowego:
1.Przy rozruchu duży moment obrotowy niezależny od napięcia w sieci (pojazd może ruszyć nawet przy dużych spadkach napięć w sieci).
2.Duży moment obrotowy przy małych szybkościach, dopasowanie się momentu do obrotów silnika - samoregulacja.
3.Łatwiejszy, mocniejszy i tańszy w budowie.
4.Łatwy i tani w eksploatacji.
5.Łatwiejsza komutacja.

Wady silnika szeregowego:
1.Problemy z odzyskiwaniem energii elektrycznej podczas hamowania elektrycznego.
2.Możliwość "rozbiegania się" silnika co prowadzi do zniszczenia lub uszkodzenia silnika.

Silnik bocznikowy

W silniku bocznikowym uzwojenie wzbudzenia jest połączone z wirnikiem równolegle. W tym przypadku wartość prądu przepływającego przez uzwojenie wzbudzenia zależy od napięcia na zaciskach silnika, z kolei na wartość strumienia w uzwojeniu wzbudzenia wpływ ma prąd płynący przez to uzwojenie. Ponieważ napięcie ma stałą wartość, więc prąd też jest stały, w końcu strumień zależny od prądu też ma stałą wartość. Układ połączeń w silniku bocznikowym jest pokazany na rysunku poniżej:

Prędkość obrotowa silnika bocznikowego zależna jest od napięcia w sieci, spadku napięcia w wirniku oraz od strumienia.

Na biegu jałowym prędkość silnika jest najwyższa i wynosi

  Moment obrotowy wyrażamy wzorem:

Moment obrotowy jest zależny od napięcia w sieci trakcyjnej (napięcia na zaciskach obwodu wzbudzenia), które wpływa na wartość prądu wzbudzenia (strumienia magnetycznego) oraz od prądu obciążenia. Jeśli napięcie wzrośnie, to wzrośnie także prąd wzbudzenia i obciążenia - moment zwiększy się czterokrotnie. W przypadku obniżenia się napięcia w sieci wystąpi sytuacja odwrotna i moment znacznie się zmniejszy - jest to wada silnika, która miała wpływ na wybór silników trakcyjnych w pojazdach PKP.

Zasada działania
Prąd magnesujący I_w, przepływający przez uzwojenie cewek wzbudzenia, wytwarza strumień magnetyczny Φ_w, który zamyka się przez rdzenie biegunów, szczelinę powietrzną, rdzeń wirnika i przez część stojana zwaną jarzmem. Strumień ten dzieli się na dwa strumienie po 1/2 Φ_w, przenikające przez dwie równoległe części obwodu magnetycznego . Strumień ten jest nieruchomy względem stojana.

F = B I_t l .

Kierunek tych sił mechanicznych można określić posługując się regułą lewej dłoni. Siły mechaniczne działając na przewody wirnika powodują powstanie momentu elektromagnetycznego (napędowego), który z kolei powoduje ruch obrotowy wirnika.
Napięcie zasilania U jest równoważone przez siłę elektromotoryczną E i spadek napięcia na rezystancji całkowitej twornika R_tc
U = E + R_tc I_t .
Rezystancja R_tc jest sumaryczną rezystancją: uzwojenia twornika R_t, rezystancją przejścia między szczotkami a komutatorem R_p, szczotek R_k oraz uzwojenia biegunów komutacyjnych R_k (i ewentualnie uzwojenia kompensującego) R_tc = R_t + R_p + R_sz + R_k .
Gdy silnik znajduje się w stanie tzw. idealnego biegu jałowego, tzn. gdy I_t = 0, wówczas napięcie sieci zasilającej jest równoważone tylko przez siłę elektromotoryczną E₀ i prędkość obrotowa silnika wynosi .
Prędkość obrotową n silnika przy dowolnym prądzie obciążenia I_t można teraz wyrazić przez prędkość obrotową biegu jałowego n₀

.

Największą sprawność silnik bocznikowy ma przy największych obciążeniach, gdy obciążenie spada maleje jego sprawność.

Zależność obrotów, momentu i sprawności od obciążenia pokazuje poniższa charakterystyka silnika bocznikowego:

Charakterystyki mechaniczne

Charakterystykami mechanicznymi silnika nazywa się zależności n = f(M) oraz I = f(M)

Charakterystyki mechaniczne n = f(M), I = f(M): 1 - maszyna skompensowana, 2 - maszyna nieskompensowana

Charakterystyka obciążenia

Charakterystyka obciążenia silnika określa zależność prędkości obrotowej silnika od prądu wzbudzenia, n = f(I_w) przy U = const i I_t = const.

Charakterystyka ta pozwala na wyciągnięcie wniosków o zachowaniu się silnika przy regulacji prędkości obrotowej w górę poprzez osłabienie wzbudzenia z zachowaniem stałości napięcia zasilania i stałej wartości prądu obciążenia.

Charakterystyka obciążenia silnika n = f(I_w) przy U = const i I_t = const

Charakterystyka regulacji

Charakterystyka regulacji jest to zależność prądu wzbudzenia od prądu twornika, I_w = f(I_t) przy stałym napięciu zasilania i stałej prędkości obrotowej.

Charakterystyka regulacji pozwala określić zakres obciążenia silnika, przy którym możliwe jest utrzymanie stałej prędkości obrotowej poprzez regulację prądu wzbudzenia.

Charakterystyka regulacji silnika I_w = f(I_t) przy U = const i n = const

Zalety silnika bocznikowego:
1.Stała wartość obrotów, nawet na dużych wzniesieniach (moc silnika bocznikowego na wzniesieniach jest większa od mocy silnika szeregowego).
2.Możliwość odzyskiwania energii elektrycznej podczas hamowania elektrycznego.

Wady silnika bocznikowego:
1.Zależność momentu rozruchowego od napięcia w sieci, może się zdarzyć, że przy dużym spadku napięcia w sieci pociąg nie ruszy z miejsca.
2.Wrażliwość na przepięcia łączeniowe i atmosferyczne wobec dużej samoindukcji uzwojeń bocznikowych.
3.Przy wyższych napięciach występują trudności z wykonaniem uzwojeń co decyduje o większym koszcie budowy i utrzymania.

Silnik szeregowo-bocznikowy

Silnik szeregowo-bocznikowy ma uzwojenie szeregowe i bocznikowe. Podczas pracy silnika można jedno z tych uzwojeń odłączyć, wtedy silnik będzie pracował jako szeregowy, albo bocznikowy. Podczas pracy silnika z obydwoma uzwojeniami charakterystyka silnika zawiera się miedzy charakterystyką szeregową a bocznikową. Układ połączeń pokazany jest na rysunku:

Przewaga jednej z tych charakterystyk zależy od stosunku obu strumieni. Uzwojenie szeregowe może być przyłączone w taki sposób, aby w czasie pracy strumień pochodzący od tego uzwojenia dodawał się do strumienia pochodzącego od uzwojenia bocznikowego, lub przeciwdziałał temu strumieniowi. Podczas hamowania elektrycznego, czyli hamowania z odzyskiwaniem energii oba uzwojenia przeciwdziałają sobie.

Zalety silnika szeregowo-bocznikowego:
1.Nie duże straty energii podczas rozruchu.
2.Łatwość w odzyskiwaniu energii.

Wady silnika szeregowo-bocznikowego:
1.Dość drogie wykonanie i utrzymanie.
2.Większy ciężar i bardziej skomplikowany układ połączeń co wymusza stosowanie bardziej skomplikowanych układów sterowania.
3.Podczas przepięć większe ryzyko uszkodzenia silnika.

Regulacja prędkości obrotowej silników prądu stałego

Pomijając spadek napięcia w wirniku wiadomo, że prędkość obrotowa silnika zmienia się wg następującego wzoru:

Patrząc na wzór widać, że obroty można zmieniać regulując napięcie na zaciskach silnika, albo też strumień wzbudzenia. W pojazdach na prąd stały prędkość obrotową regulować można włączając rezystory rozruchowe szeregowo w obwód wirnika, stosując tyrystorowe regulatory napięcia, bocznikując uzwojenie wzbudzenia lub stosować różne połączenia silników trakcyjnych.

A. REGULACJA REZYSTOROWA

  Regulacja rezystorowa polega na tym, że prędkość obrotową silników regulujemy włączając lub wyłączając poszczególne grupy rezystorów, które powodują dodatkowe spadki napięcia w obwodzie silników.

SILNIK SZEREGOWY

  Na rysunku przedstawiony jest układ połączeń rezystorów (oporów) rozruchowych z silnikiem szeregowym:

  Szeregowo włączone rezystory będą powodowały, że napięcie na zaciskach silnika szeregowego U_s będzie wynosiło:

r = r_a + r_f
U=const.
I*r=const.
I*R=var.

Prędkość obrotowa silnika szeregowego będzie się zmieniała według następującej zależności:

Wartość napięcia doprowadzana do zacisków silnika będzie rosła w miarę zmniejszania się rezystancji R. Wówczas wzrośnie prędkość obrotowa.

Stosunek obrotów zmienianych n` do obrotów znamionowych n będzie wynosił:

SILNIK BOCZNIKOWY

Na rysunku przedstawiony jest układ połączeń rezystorów (oporów) rozruchowych z silnikiem bocznikowym:

Włączone szeregowo z obwodem wirnika rezystory będą powodowały, że napięcie na zaciskach silnika bocznikowego U_b będzie wynosiło:

U=const.
I_a*r_a=const.
I*R=var.

  W miarę zmniejszania się rezystancji prędkość obrotowa będzie rosła.

  Stosunek obrotów zmienianych n` do obrotów znamionowych n będzie wynosił:

SILNIK SZEREGOWO-BOCZNIKOWY

  W silniku szeregowo-bocznikowym są dwa uzwojenia: szeregowe i bocznikowe. Rozruch rozpoczyna się przy włączonych obu uzwojeniach. W obwodzie wirnika znajdują się rezystory, którymi zwiększa się napięcie doprowadzane do wirnika zmniejszając wartość rezystancji. Po wyłączeniu tych rezystorów prędkość zwiększa się regulując wartość prądu w obwodzie wzbudzenia. Zwiększając rezystancję zmniejsza się prąd wzbudzenia bocznikowego (pole wzbudzenia bocznikowego słabnie) i prędkość rośnie.

B. REGULACJA PRĘDKOŚCI POPRZEZ ZMIANĘ NAPIĘCIA ZASILANIA

Regulacja poprzez zmianę napięcia zasilania polega na wykorzystaniu tyrystorowych lub tranzystorowo-diodowych regulatorów napięcia, które regulują napięcie doprowadzane do silnika w bardzo szerokich granicach.
Na rysunku poniżej pokazany jest schemat silnika szeregowego sterowanego przez regulator napięcia.

C. BOCZNIKOWANIE

  Innym sposobem regulacji prędkości obrotowej jest osłabienie pola biegunów głównych. W silnikach szeregowych można to zrobić na dwa sposoby - przez bocznikowanie uzwojeń lub odłączanie określonej liczby zwojów uzwojenia wzbudzenia.

Bocznikowanie przez zmniejszanie liczby zwojów polega na tym, że uzwojenie wzbudzenia jest podzielone i końcówki zwojów wyprowadzone są do zaczepów. Zaczepy są zwierane przez łączniki (np. styczniki) w zależności od potrzeby. Wówczas prąd przepływa przez część uzwojenia wzbudzenia, łącznik i w ten sposób omija część zwojów.

Bocznikowanie przez zastosowanie bocznika polega na włączeniu równolegle do obwodu wzbudzenia bocznika indukcyjnego połączonego z rezystorami. Bocznik oraz poszczególne rezystory mają rezystancję czynną, która decyduje o stopniu osłabienia pola. Zwiększanie prędkości obrotowej polega na załączeniu obwodu bocznikowania i odpowiednie załączanie rezystorów. Wówczas prąd wypływający z wirnika silnika trakcyjnego rozgałęzia się i część popłynie przez obwód wzbudzenia, a część przez bocznik indukcyjny i rezystory. Na skutek tego prąd płynący w uzwojeniu wzbudzenia osłabnie i zmniejszy się strumień magnetyczny.

Bocznikowanie uzwojeń jest metodą ekonomiczną w eksploatacji, jednak zjawiska jakie zachodzą przy osłabionym polu wymuszają stosowanie dodatkowych uzwojeń kompensacyjnych, które komplikują budowę silnika.
Wadą bocznikowania jest obniżenie się momentu na wale silnika, w związku z tym bocznikowanie stosuje się do regulacji prędkości a nie do rozruchu. Bardzo ważne jest także, aby nie zbocznikować całkowicie uzwojenia wzbudzenia bo doprowadzi to do rozbiegania się silnika i nawet zniszczenia.

Silnik indukcyjny (elektryczny asynchroniczny - prąd przemienny)

Silnik asynchroniczny składa się z 2 podstawowych części: nieruchomego stojana, wykonanego z ferromagnetycznych blach elektrotechnicznych ze żłobkami na cewki uzwojenia, i ruchomego wirnika, również wykonanego z blach ze żłobkami na uzwojenie. Przemienny prąd w symetrycznym, wielofazowym uzwojeniu stojana powoduje powstanie w maszynie zmiennego pola magnetycznego od każdej z faz w taki sposób, że wypadkowe pole jest tzw. polem wirującym, wirującym wzdłuż obwodu maszyny, czyli wokół wirnika. Pole to w wyniku indukcji elektromagnetycznej (stąd inna nazwa silnika - silnik indukcyjny) powoduje powstanie sił elektromotorycznych w uzwojeniu wirnika, pod wpływem których płyną tam prądy elektryczne, które powodują powstanie magnetycznego pola wirującego wirnika. Oddziaływanie wirujących pól magnetycznych: od stojana i od wirnika wywołuje powstanie momentu elektromagnetycznego działającego na wirnik i, w konsekwencji, momentu obrotowego odpowiedzialnego za ruch wirnika.

Największymi wadami silnika asynchronicznego jest brak bezpośredniej możliwości regulacji prędkości obrotowej, a w silnikach klatkowych także gwałtowny rozruch.

Dlatego też dawniej stosowano silniki pierścieniowe. Zastosowanie oporników włączanych w obwód uzwojeń wirnika umożliwiało łagodny rozruch. Obecnie powszechnie stosowanym rozwiązaniem, mającym na celu ograniczenie prądu podczas rozruchu, jest podłączanie uzwojeń silnika na czas rozruchu w gwiazdę, a po uzyskaniu właściwych obrotów - przełączenie w trójkąt. Połączenie w gwiazdę zmniejsza moc silnika i może być stosowane także podczas pracy silnika jeżeli nie ma zapotrzebowania na moc.

Zasada działania
1.pole magnetyczne jest wytworzone przez wirujące uzwojenie stojana
2.pole magnetyczne obraca się wokół nieruchomego wirnika
3.pole przecina pręty klatki silnika----> indukuje się napięcie---> przepływ prądu
4.przepływ prądu--->siła elektrodynamiczna
5.siła elektrodynamiczna działa stycznie do obwodu wirnika----> moment elektromagnetyczny
6.M_elmg > M_o→wirnik rusza ω↑
7. ω ↑ → pręty jego klatki przecinane są przez pole magnetyczne z coraz mniejszą prędkością→ zmniejszenie wartości indukowanej siły elektromotorycznej spadek prądu płynącego w kratkach spadek momentu elektromagnetycznego
8. Jeżeli moment ten spadnie do wartości równej momentowi obciążenia, wirnik przestanie przyspieszać i dalej będzie poruszał się ze stałą prędkością
9.M_o = 0 → ω = ω_{synchronicznej}
10.Pole wirnika nieruchome, I=0 M_elmg=0 sytuacja która nie występuje, zawsze występuje M_o

Silnik pierścieniowy
- uzwojenie wirnika wykonane jest podobnie do uzwojenia stojana., połączone z pierścieniami ślizgowymi
-do pierścieni przylegają szczotki, dzięki którym uzwojenie wirnika połączone są z dodatkowymi elementami, zwiększającymi rezystancje każdej fazy. (zmianę rezystancji faz stosuje się dla rozruchu, hamowania i zmiany prędkości silnika)
-droższe wykonanie
-bogatsze właściwości ruchowe(układy umożliwiające rozruch i regulacje prędkości silnika)

Charakterystyka mechaniczna

-zależność momentu na jego wale od prędkości obrotowej silnika
-prędkość obrotową silnika asynchronicznego można wyrazić za pomocą poślizgu.

Charakterystykę mechaniczną silnika można wyrazić za pomocą następującego wzoru (wzór Grossa):

M  - moment silnika
M_m - moment krytyczny silnika
s - poślizg
s_m -poślizg krytyczny

U=const bo poślizg krytyczny nie zależy od R_r(rezystancji wirnika)

Przełącznik gwiazda-trójkąt
-zastosowanie przełącznika gwiazda-trójkąt
-tylko dla silników 3-fazowych

Połączenie w gwiazdę
- końców wszystkich trzech uzwojeń do jednego wspólnego punktu, a pozostałych trzech końców do kolejnych faz sieci zasilającej
-każde z uzwojeń jest połączone do przewodu neutralnego N, a drugim końcem do przewodu fazowego
-na każdym z uzwojeń występuje napięcie fazowe
-nie stosuje się punktu wspólnego wszystkich uzwojeń z N

uzwojenia stojana połączone w gwiazdę

Połączenie w trójkat:
- połączenie końca uzwojenia danej fazy z początkami uzwojenia fazy
-uzwojenia tworzą zamknięty obwód
- Punkty wspólne uzwojeń łączone są następnie do kolejnych faz sieci zasilającej
-nie wykorzystuje się punktu neutralnego N
-na każdym z uzwojeń płynie napięcie międzyfazowe

uzwojenia stojana połączone w trójkąt
Przy połączeniu uzwojeń silnika w trójkąt, prąd pobierany przez silnik z sieci jest 3-krotnie większy niż prąd pobierany przy
połączeniu w gwiazdę. Także moment elektromagnetyczny a więc i moc silnika w tym przypadku są 3-krotnie większe.
Stosując przełącznik gwiazda – trójkąt możemy wystartować silnik połączony w gwiazdę, przez co będzie mniejszy pobór prądu
z sieci zasilającej, a następnie po osiągnięciu przez silnik odpowiedniej prędkości obrotowej przełączyć uzwojenia stojana w
trójkąt, tak, aby silnik mógł zapewnić pożądaną przez nas moc. W starszych rozwiązaniach przełączenie zwykle dokonywane
było ręcznie przez operator, obecnie stosuje się specjalizowane do tego celu układy styczników i przekaźników dokonujące
automatycznego przełączenia po nastawionym wcześniej czasie.

Gwiazda:

Trójkąt:

gdzie

- impedancje na poszczególnych gałęziach gwiazdy

- impedancje na poszczególnych gałęziach trójkąta

Soft start - urządzenie służące do ograniczenia udaru prądowego (dużego natężenia prądu w krótkim czasie) w momencie włączania urządzeń elektrycznych.
Układ elektronicznego soft startu silników asynchronicznych klatkowych zbudowany jest z modułu energetycznego wykonanego w oparciu o tyrystory lub triaki oraz układu załączania tyrystorów w odpowiednim momencie fazy zależnym od pobieranego prądu i prędkości obrotowej.

Zmiana częstotliwości zasilania
-Częstotliwość zasilania wpływa na prędkość wirowania pola magnetycznego wytwarzanego w stojanie, czyli na prędkość synchroniczną silnika.
-Zmieniając jej wartość możemy płynnie zmieniać prędkość silnika w zakresie od postoju do prędkości nawet przekraczającej prędkość znamionową
-Jeżeli zmiana częstotliwości odbywa się przy stałej wartości napięcia zasilania, powoduje to niepożądaną zmianę wartości strumienia, (co niekorzystnie wpływa na generowany przez silnik moment obrotowy.
-Dlatego jeżeli wymagana jest stała wartość momentu na wale, zmianom częstotliwości powinny odpowiadać proporcjonalne zmiany napięcia zasilającego (stosunek U/f=const).