Электродвигатели переменного тока

Электродвигатели переменного тока: принцип действия, конструкция, классификация и применение

Электродвигатели переменного тока (AC) представляют собой электромеханические машины, преобразующие электрическую энергию переменного тока в механическую энергию вращения. Их доминирующее положение в промышленности и энергетике обусловлено простотой производства, надежностью, прямым подключением к сетям переменного тока и низкими эксплуатационными затратами. Основу классификации составляет принцип действия и тип создаваемого магнитного поля.

Принцип действия и создание вращающегося магнитного поля

Фундаментальным принципом работы подавляющего большинства AC-двигателей является использование вращающегося магнитного поля. При подаче трехфазного симметричного напряжения на обмотки статора, сдвинутые в пространстве на 120 электрических градусов, создается магнитное поле, вектор индукции которого равномерно вращается с синхронной частотой n_с. Эта частота напрямую зависит от частоты питающей сети f и числа пар полюсов p двигателя: n_с = 60f / p (об/мин). Вращающееся поле пересекает проводники обмотки ротора, наводя в них электродвижущую силу (ЭДС). В замкнутой цепи ротора ЭДС создает ток, взаимодействие которого с магнитным полем статора порождает электромагнитную силу, приводящую ротор во вращение. Ротор всегда вращается асинхронно относительно поля статора, то есть с некоторым отставанием (скольжением).

Классификация электродвигателей переменного тока

Двигатели переменного тока подразделяются на две основные категории по принципу работы ротора:

• Асинхронные двигатели (АД) – ротор вращается с частотой, отличной от частоты вращающегося магнитного поля статора. Наиболее распространенный тип.
• Синхронные двигатели (СД) – ротор вращается строго синхронно с частотой вращающегося магнитного поля статора.

Асинхронные двигатели (АД) с короткозамкнутым и фазным ротором

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

• Статор: Сердечник, набранный из изолированных листов электротехнической стали для снижения потерь на вихревые токи, с пазами, в которые уложена трехфазная (реже однофазная) обмотка.
• Ротор:
  • Короткозамкнутый (типа «беличья клетка»): Сердечник с пазами, заполненными алюминиевыми или медными стержнями, замкнутыми накоротко с торцов кольцами. Обозначение – АДКЗ. Отличается простотой, надежностью, низкой стоимостью. Недостаток – высокий пусковой ток (в 5-8 раз превышает номинальный) и ограниченный пусковой момент.
  • Фазный (с контактными кольцами): Сердечник с трехфазной обмоткой, соединенной в звезду, концы которой выведены на три контактных кольца. Позволяет вводить в цепь ротора добавочные резисторы или преобразователь частоты. Обозначение – АДФР. Преимущества: регулируемый пусковой момент, сниженный пусковой ток, возможность регулирования скорости в небольших пределах. Недостатки: сложность, меньшая надежность из-за щеточного узла, высокая стоимость.

Синхронные двигатели (СД)

Статор синхронного двигателя аналогичен статору АД и создает вращающееся магнитное поле. Ротор представляет собой электромагнит (с обмоткой возбуждения) или конструкцию из постоянных магнитов. На ротор через щеточный аппарат (для электромагнитов) подается постоянный ток возбуждения. Вращающееся поле статора «захватывает» магнитное поле ротора, и они начинают вращаться синхронно. Ключевые особенности: постоянная скорость, не зависящая от нагрузки (в пределах перегрузочной способности); способность генерировать реактивную мощность и улучшать cos φ сети; более сложная и дорогая конструкция; необходимость устройства пуска (обычно асинхронный пуск через демпферную обмотку).

Однофазные асинхронные двигатели

Предназначены для работы от однофазной сети. Имеют на статоре две обмотки: основную (рабочую) и вспомогательную (пусковую), смещенные относительно друг друга. Для создания начального пускового момента используется фазосдвигающий элемент (конденсатор, индуктивность или активное сопротивление) во вспомогательной цепи. После разгона пусковая обмотка часто отключается. Обладают меньшим КПД и перегрузочной способностью по сравнению с трехфазными, применяются в маломощных установках (бытовая техника, вентиляторы, насосы малой мощности).

Основные параметры и характеристики

При выборе и эксплуатации AC-двигателей анализируют следующие ключевые параметры:

• Номинальная мощность (P_н): Полезная механическая мощность на валу, кВт.
• Номинальное напряжение (U_н): Напряжение питающей сети, В. Стандартные ряды: 220/380, 380/660, 3000, 6000, 10000 В.
• Номинальная частота тока (f): 50 Гц (стандарт СНГ/Европы) или 60 Гц (США, Япония).
• Номинальная частота вращения (n_н): Скорость вращения вала при номинальной нагрузке, об/мин. Зависит от числа пар полюсов.
• Коэффициент полезного действия (КПД, η): Отношение полезной мощности к потребляемой. Для средних и крупных двигателей достигает 95-98%.
• Коэффициент мощности (cos φ): Косинус угла сдвига между током и напряжением. АД потребляют реактивный ток намагничивания, поэтому их cos φ обычно меньше 1 (0.7-0.9).
• Критический момент (M_кр): Максимальный момент, развиваемый двигателем до опрокидывания.
• Пусковой момент (M_п): Момент, развиваемый при неподвижном роторе.
• Скольжение (s): Относительная разность частот поля и ротора: s = (n_с — n) / n_с. При номинальной нагрузке составляет 1-5%.

Способы пуска и регулирования скорости

Прямой пуск (Direct-On-Line, DOL) – прямое подключение к сети. Прост, но вызывает броски тока и механические удары. Для снижения пускового тока применяют:

• Пуск переключением «звезда-треугольник»: Применим для двигателей, рассчитанных на работу в треугольнике при номинальном напряжении. Снижает пусковой ток в 3 раза, но и момент – также в 3 раза.
• Пуск через автотрансформатор: Позволяет плавно регулировать подаваемое напряжение, снижая пусковые параметры.
• Пуск с помощью устройств плавного пуска (УПП): Тиристорные регуляторы, плавно повышающие напряжение на двигателе.
• Частотное регулирование: Использование преобразователя частоты (ЧРП) – наиболее эффективный метод, позволяющий не только плавно пускать двигатель, но и широко регулировать скорость вниз и вверх от номинальной, поддерживая высокий КПД.

Области применения

Выбор типа двигателя определяется требованиями технологического процесса:

Тенденции развития

Современное развитие электропривода переменного тока сосредоточено в следующих направлениях: широкое внедрение частотно-регулируемого привода (ЧРП) для энергосбережения и точного управления; разработка и массовое производство высокоэффективных двигателей (классы IE3, IE4 по МЭК), в том числе с использованием постоянных магнитов (синхронные реактивно-магнитные двигатели); интеграция датчиков и систем интеллектуального мониторинга состояния (прогнозное обслуживание); миниатюризация и оптимизация тепловых режимов.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем отличается асинхронный двигатель от синхронного?

Ключевое отличие – в поведении ротора относительно вращающегося магнитного поля статора. Ротор асинхронного двигателя всегда вращается медленнее поля (с скольжением), а его обмотка (или «беличья клетка») наводит ток за счет явления электромагнитной индукции. Ротор синхронного двигателя вращается строго с той же скоростью, что и поле статора, так как представляет собой самостоятельный магнит (электромагнит или постоянный магнит), который «зацепляется» за вращающееся поле.

Как определить число оборотов двигателя по его маркировке или визуально?

Синхронная частота вращения определяется числом пар полюсов. Визуально можно посчитать количество катушечных групп в одной фазе на статоре или узнать из обозначения: в конце типоразмера часто указывают число полюсов (например, АИР160S4 – 4 полюса). Для 50 Гц: 3000 об/мин (2 полюса), 1500 об/мин (4 полюса), 1000 об/мин (6 полюсов), 750 об/мин (8 полюсов). Номинальная частота будет на 2-5% меньше из-за скольжения.

Почему асинхронный двигатель при пуске потребляет большой ток?

В момент пуска ротор неподвижен, а скольжение максимально (s=1). Частота тока в роторе равна частоте сети, поэтому индуктивное сопротивление обмотки ротора велико. Это приводит к сильному трансформаторному эффекту: в обмотке статора наводится большая противо-ЭДС, что вызывает падение полного сопротивления цепи и, как следствие, броски тока, которые могут в 5-10 раз превышать номинальный.

Что такое класс изоляции обмотки двигателя и как его выбрать?

Класс изоляции определяет максимально допустимую температуру, которую может выдерживать изоляция обмотки длительное время без деградации. Основные классы: B (130°C), F (155°C), H (180°C). Выбор зависит от условий эксплуатации (температура окружающей среды, режим работы – S1, S2 и т.д.). Более высокий класс (F вместо B) обеспечивает больший запас по нагреву и увеличенный срок службы при одинаковой нагрузке или позволяет увеличить нагрузку при тех же условиях охлаждения.

Каковы основные причины выхода из строя асинхронных двигателей?

Статистика отказов распределяется следующим образом: перегрев обмоток из-за перегрузки или ухудшения охлаждения (около 50%); повреждение изоляции из-за влаги, агрессивной среды, вибрации или перенапряжений (около 20%); износ подшипникового узла из-за неправильной центровки, дисбаланса или отсутствия смазки (около 15%); повреждения механических частей (вала, крышек, вентилятора) – около 10%; прочие причины (дефекты пайки, обрывы стержней «беличьей клетки» и т.д.) – около 5%.

В чем преимущество использования преобразователя частоты (ЧРП) с асинхронным двигателем?

Частотный преобразователь обеспечивает: 1) Плавный пуск и останов без механических и электрических перегрузок. 2) Широкое и экономичное регулирование скорости вращения вниз и вверх от номинальной. 3) Значительную экономию электроэнергии в насосных и вентиляторных установках за счет исключения дросселирования. 4) Высокую точность поддержания скорости или момента. 5) Возможность реализации сложных алгоритмов управления и интеграции в АСУ ТП.

Когда целесообразно применять двигатель с фазным ротором (АДФР) вместо короткозамкнутого (АДКЗ)?

АДФР применяется в случаях, когда: 1) Требуется снижение пускового тока при ограниченной мощности сети. 2) Необходим повышенный пусковой момент при тяжелых условиях пуска (например, под нагрузкой). 3) Нужно ограниченное регулирование скорости в сторону уменьшения (каскадные схемы). 4) Используется частотный пуск или рекуперация энергии в сеть через инвертор, подключенный к ротору (двойного питания системы). В большинстве стандартных применений АДКЗ в сочетании с УПП или ЧРП вытеснил АДФР.