Электродвигатели асинхронные переменного тока с короткозамкнутым ротором

Электродвигатели асинхронные переменного тока с короткозамкнутым ротором: устройство, принцип действия, характеристики и применение

Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором (АДКЗ) представляет собой электрическую машину, в которой ротор вращается с частотой, отличной от частоты вращения магнитного поля статора (скольжением). Конструктивная простота, высокая надежность, низкая стоимость и минимальные эксплуатационные расходы обусловили его доминирующее положение в мировой промышленности. На его долю приходится более 80% всех используемых электродвигателей.

Принцип действия и основные понятия

Работа АДКЗ основана на явлении электромагнитной индукции и взаимодействии вращающегося магнитного поля статора с током, индуцированным в обмотке ротора. При подаче трехфазного переменного напряжения на обмотки статора создается вращающееся магнитное поле. Это поле, пересекая проводники обмотки ротора, наводит в них электродвижущую силу (ЭДС). Поскольку обмотка ротора замкнута накоротко, под действием ЭДС в ней возникает ток. Взаимодействие тока в роторе с магнитным полем статора создает электромагнитную силу, приводящую ротор во вращение в направлении движения поля. Ключевым параметром является скольжение (s), определяемое по формуле: s = (n₁ — n₂) / n₁, где n₁ – синхронная частота вращения поля (об/мин), n₂ – частота вращения ротора (об/мин). Скольжение обычно составляет 1-8% в номинальном режиме.

Конструктивное исполнение

Конструктивно АДКЗ состоит из двух основных частей: неподвижного статора и вращающегося ротора, разделенных воздушным зазором.

Статор

Статор включает в себя корпус, сердечник и трехфазную обмотку. Сердечник набирается из изолированных листов электротехнической стали для уменьшения потерь на вихревые токи и запрессовывается в литой или сварной корпус. В корпусе предусмотрены лапы или фланец для крепления, коробка выводов для подключения к сети и ребра для улучшения охлаждения. Обмотка выполняется из изолированного медного или алюминиевого провода, уложенного в пазы сердечника. Схема соединения обмоток – «звезда» или «треугольник» – позволяет адаптировать двигатель к разным номинальным напряжениям.

Ротор

Ротор состоит из вала, сердечника и короткозамкнутой обмотки («беличьего колеса»). Сердечник также шихтован из стали. Обмотка представляет собой систему неизолированных проводников (стержней), размещенных в пазах и замкнутых с двух сторон торцевыми кольцами. Традиционно для двигателей малой и средней мощности обмотка изготавливается путем заливки расплавленного алюминия под давлением в пазы ротора, при этом стержни, торцевые кольца и вентиляционные лопатки формируются как единое целое. В двигателях большой мощности применяются медные стержни, которые впаиваются в медные же короткозамыкающие кольца.

Классификация и типы

АДКЗ классифицируются по ряду признаков:

• По мощности: малой (до 5 кВт), средней (5-200 кВт), большой (свыше 200 кВт) мощности.
• По напряжению питания:</strong низковольтные (до 1000 В: 220/380, 380/660 В) и высоковольтные (3, 6, 10 кВ).
• По степени защиты (IP): открытые (IP20, IP23), закрытые (IP44, IP54), взрывозащищенные (Ex).
• По способу охлаждения: с самовентиляцией (IC 411), с независимой вентиляцией (IC 416), с водяным охлаждением (IC 81W).
• По классу энергоэффективности (МЭК 60034-30-1): IE1 (Standard), IE2 (High), IE3 (Premium), IE4 (Super Premium).
• По конструктивному исполнению (по ГОСТ, МЭК 60034): IM 1001 (на лапах), IM 3001 (фланцевое), IM 2001 (комбинированное).

Механические и рабочие характеристики

Важнейшими для выбора и эксплуатации являются механическая характеристика n₂(M) и рабочие характеристики I₁, P₁, cos φ, η, s = f(P₂).

Механическая характеристика

Характеристика является жесткой: при изменении момента нагрузки от холостого хода до номинального частота вращения снижается незначительно (на величину номинального скольжения). Критический (максимальный) момент M_кр определяет перегрузочную способность двигателя. Пусковой момент M_п характеризует способность двигателя к запуску под нагрузкой.

Типовые диапазоны параметров для АДКЗ общего назначения

Параметр	Обозначение	Типичное значение/диапазон
Перегрузочная способность	Mкр / Mном	1.7 – 3.0
Кратность пускового момента	Mп / Mном	1.0 – 2.2
Кратность пускового тока	Iп / Iном	5 – 8
КПД в номинальном режиме (зависит от мощности)	η	75% (0.75 кВт) – 97% (200 кВт и выше)
Коэффициент мощности в номинальном режиме	cos φ	0.7 – 0.9

Рабочие характеристики

С увеличением полезной мощности P₂ ток статора I₁ и потребляемая мощность P₁ растут почти линейно. КПД (η) и cos φ имеют максимум при нагрузке, близкой к номинальной (75-100%), и резко снижаются при недогрузке. Это обстоятельство критически важно для энергосбережения: эксплуатация двигателей при низкой загрузке (менее 40%) экономически нецелесообразна.

Способы пуска и регулирования скорости

Основной проблемой прямого пуска АДКЗ является высокий пусковой ток (I_п). Для его ограничения применяют:

• Прямой пуск: включение на полное напряжение сети. Применяется при достаточной мощности сети и нежестких требованиях к пусковому току.
• Пуск при пониженном напряжении:
  • Переключение обмотки статора со «звезды» на «треугольник» (только для двигателей, рассчитанных на работу в «треугольнике» при данном напряжении). Пусковой момент снижается в 3 раза.
  • Использование автотрансформаторов или мягких пускателей (УПП). УПП плавно повышают напряжение на статоре, обеспечивая снижение тока и мягкий разгон.
• Частотное регулирование: Наиболее современный и эффективный метод. Преобразователь частоты (ПЧ) изменяет частоту и амплитуду питающего напряжения, позволяя плавно регулировать скорость в широком диапазоне, снижать пусковые токи и экономить энергию. Является стандартом для систем с переменным расходом (насосы, вентиляторы).

Естественная характеристика АДКЗ не позволяет эффективно регулировать скорость только изменением напряжения. Основные методы регулирования скорости: изменение частоты питающего тока (частотное регулирование), изменение числа пар полюсов (многоскоростные двигатели), введение добавочных сопротивлений в цепь ротора (для двигателей с фазным ротором, не для АДКЗ).

Области применения и критерии выбора

АДКЗ применяются повсеместно: привод насосов, вентиляторов, компрессоров, конвейеров, станков, подъемно-транспортного оборудования, бытовой техники. Критерии выбора включают:

• Номинальная мощность (кВт) и частота вращения (об/мин).
• Напряжение и частота питающей сети.
• Климатическое исполнение и степень защиты (IP).
• Класс энергоэффективности (IE).
• Режим работы (S1 – продолжительный, S3 – повторно-кратковременный и т.д.).
• Конструктивное исполнение по способу монтажа (IM).
• Требования к уровню шума и вибрации.

Энергоэффективность и эксплуатация

Повышение класса энергоэффективности достигается за счет использования качественных электротехнических сталей с низкими удельными потерями, оптимизации геометрии пазов и воздушного зазора, применения медных обмоток, улучшения систем охлаждения и снижения механических потерь. Эксплуатация двигателей класса IE3 и IE4, особенно в продолжительном режиме работы, обеспечивает быструю окупаемость за счет снижения затрат на электроэнергию. Важным аспектом эксплуатации является контроль состояния изоляции, подшипниковых узлов, вибрации и температуры.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем отличается двигатель с короткозамкнутым ротором от двигателя с фазным ротором?

АДКЗ имеет простую, надежную и дешевую конструкцию ротора, но ограниченные пусковые характеристики (высокий пусковой ток, небольшой пусковой момент). Двигатель с фазным ротором (АДФР) имеет трехфазную обмотку на роторе, выведенную на контактные кольца. Пуск и регулирование скорости осуществляются путем введения резисторов в цепь ротора, что улучшает пусковые свойства, но усложняет и удорожает конструкцию, снижает надежность. АДФР применяются в тяжелых условиях пуска (краны, мельницы), но вытесняются комбинацией АДКЗ с современными УПП и ПЧ.

Как правильно выбрать схему соединения обмоток статора («звезда» или «треугольник»)?

Схема определяется паспортными данными двигателя и сетевым напряжением. На корпусе или в паспорте указаны два напряжения, например, Δ/Y 220/380 В. Это означает, что при линейном напряжении сети 380 В обмотки должны быть соединены в «звезду» (Y), а при 220 В – в «треугольник» (Δ). Неправильное соединение (например, включение в «треугольник» при 380 В) приведет к мгновенному выходу двигателя из строя из-за перегрева обмоток.

Почему асинхронный двигатель сильно нагревается?

Основные причины перегрева: перегрузка по току (механическая перегрузка, заклинивание вала), несимметрия или понижение напряжения питающей сети, обрыв одной из фаз («обрыв фазы»), частые пуски, плохое охлаждение (загрязнение вентиляционных каналов, высокая ambient-температура), износ или недостаток смазки в подшипниках, межвитковое замыкание в обмотках статора.

Каковы основные преимущества частотного преобразователя для управления АДКЗ?

Преобразователь частоты обеспечивает: 1) Плавный пуск с ограничением пускового тока до уровня номинального. 2) Широкое и экономичное регулирование скорости вращения. 3) Значительную экономию электроэнергии в насосных и вентиляторных установках за счет работы с оптимальной скоростью. 4) Управление моментом и позиционирование (в векторном режиме). 5) Защиту двигателя от перегрузок, перегрева, обрыва фаз.

Что такое класс изоляции и как он связан с температурой?

Класс изоляции (по ГОСТ, МЭК 60085) определяет предельно допустимую температуру стойкости изоляционных материалов обмотки. Основные классы: B (130°C), F (155°C), H (180°C). Фактическая температура обмотки складывается из температуры окружающей среды и перегрева. Двигатель проектируется так, чтобы при работе в номинальном режиме температура обмотки не превышала предельную для данного класса. Использование изоляции более высокого класса (F вместо B) повышает запас по тепловой стойкости и ресурс двигателя.

Как определить мощность двигателя, если шильдик утерян или нечитаем?

Точное определение мощности без паспортных данных сложно. Приблизительную оценку можно получить косвенными методами: 1) Измерение габаритных размеров и сравнение с каталогами аналогичных двигателей. 2) Измерение потребляемого тока при известной механической нагрузке и расчет по формуле P = √3 U I cos φ η, однако cos φ и η неизвестны. 3) Наиболее надежный способ – проведение нагрузочных испытаний на специальном стенде с измерением выходного момента и частоты вращения.