Асинхронные электродвигатели
Асинхронные электродвигатели: устройство, принцип действия, характеристики и сферы применения
Асинхронный электродвигатель (АД) — это электрическая машина переменного тока, в которой ротор вращается с частотой, отличной от частоты вращения магнитного поля статора (отсюда название «асинхронный»). Благодаря простоте конструкции, высокой надежности, низкой стоимости и неприхотливости в обслуживании, асинхронные двигатели составляют основу электропривода в промышленности, на транспорте, в коммунальном и бытовом секторе. Доля асинхронных двигателей в общем объеме используемых электродвигателей превышает 90%.
Принцип действия и конструкция
Работа асинхронного двигателя основана на явлении электромагнитной индукции и взаимодействии вращающегося магнитного поля статора с током, индуцированным в роторе. При подаче трехфазного переменного напряжения на обмотки статора создается магнитное поле, вращающееся с синхронной частотой n1 (об/мин), определяемой частотой сети f (Гц) и числом пар полюсов p: n1 = 60f / p.
Вращающееся поле пересекает проводники обмотки ротора, наводя в них электродвижущую силу (ЭДС). Поскольку обмотка ротора замкнута (накоротко или через резисторы), под действием этой ЭДС в ней возникает ток. Токонесущие проводники ротора, находясь в магнитном поле статора, испытывают силу Ампера, создающую электромагнитный момент, который приводит ротор во вращение. Ротор всегда стремится достичь синхронной скорости, но никогда не достигает ее, так как при равенстве скоростей исчезнет относительное движение и прекратится процесс индукции тока в роторе. Разность между синхронной частотой и частотой вращения ротора n2 называется скольжением s: s = (n1 — n2) / n1. В номинальном режиме скольжение составляет 1-8%.
Основные конструктивные элементы
Статор состоит из корпуса (чугунного, алюминиевого или стального) и сердечника, набранного из изолированных листов электротехнической стали для уменьшения потерь на вихревые токи. В пазы сердечника уложена трехфазная (реже однофазная) обмотка, выполненная из изолированного медного или алюминиевого провода. Обмотка может быть соединена по схеме «звезда» или «треугольник».
Ротор бывает двух основных типов:
- Короткозамкнутый (типа «беличья клетка»). Обмотка ротора представляет собой ряд медных или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко с торцов кольцами. Отличается максимальной простотой, прочностью и низкой стоимостью. Недостаток — большой пусковой ток (в 5-8 раз превышающий номинальный) и ограниченный пусковой момент.
- Фазный (с контактными кольцами). Обмотка ротора выполнена аналогично обмотке статора — трехфазная, соединена обычно «звездой», концы которой выведены на три контактных кольца. Это позволяет вводить в цепь ротора дополнительное сопротивление (пусковой или регулировочный реостат) для уменьшения пускового тока и увеличения пускового момента, а также для плавного регулирования скорости. Более сложен, дорог и требует обслуживания контактных узлов.
- По роду тока: трехфазные, однофазные (с пусковой или рабочей фазосдвигающей цепью), двухфазные.
- По типу ротора: с короткозамкнутым ротором (АДКЗ), с фазным ротором (АДФР).
- По степени защиты: IP00, IP23, IP44, IP54, IP55, IP65 и др. (по ГОСТ/IEC).
- По способу охлаждения: с самовентиляцией (IC 411), с независимой вентиляцией (IC 416), с водяным охлаждением (IC 81W).
- По конструктивному исполнению (по ГОСТ 2479): IM 1001 (на лапах, с одним цилиндрическим концом вала), IM 3001 (без лап, с фланцем на станине) и др.
- Пусковой момент (Mп) — момент при s=1 (n2=0).
- Минимальный момент (Mmin) — «провал» на кривой у некоторых типов двигателей.
- Номинальный момент (Mном) — момент, соответствующий номинальной мощности на валу при номинальном напряжении и частоте.
- Прямой пуск: непосредственное включение в сеть. Применяется для двигателей малой и средней мощности (до 5-15 кВт, в зависимости от возможностей сети).
- Пуск переключением «звезда-треугольник»: применим только для двигателей, рассчитанных на работу при номинальном напряжении в схеме «треугольник». В начальный момент обмотки включаются «звездой» (фазное напряжение снижается в √3 раз), после разгона переключаются на «треугольник». Пусковой ток и момент снижаются в 3 раза.
- Пуск с помощью устройств плавного пуска (УПП): тиристорные регуляторы, плавно повышающие напряжение на статоре, позволяют снизить пусковой ток и обеспечить плавный разгон.
- Пуск через автотрансформатор: позволяет снизить начальное напряжение на зажимах двигателя. Сложен и дорог, применяется реже.
- Пуск введением резисторов в цепь ротора: применяется только для двигателей с фазным ротором (АДФР). Позволяет значительно увеличить пусковой момент при одновременном снижении тока.
- Изменение числа пар полюсов (p): осуществляется использованием специальных обмоток с переключением. Дает ступенчатое регулирование (2-4 скорости). Двигатели называются многоскоростными.
- Изменение частоты питающего напряжения (f): наиболее эффективный и распространенный современный способ. Осуществляется с помощью частотного преобразователя (ЧП, инвертора). Позволяет плавно и в широком диапазоне регулировать скорость с высоким КПД, одновременно осуществляя и мягкий пуск.
- Изменение напряжения на статоре: с помощью автотрансформаторов или тиристорных регуляторов. Применяется для небольшого диапазона регулирования скорости у двигателей с вентиляторным моментом сопротивления.
- Несимметрия фазных напряжений (>1%).
- Повышенное или пониженное напряжение сети.
- Обрыв фазы.
- Межвитковое замыкание в обмотке.
- Износ или недостаток смазки в подшипниках.
- Повышенное трение из-за misalignment (несоосности) с нагрузкой.
- Загрязнение системы вентиляции (радиаторов, вентилятора).
Ротор насажен на вал, вращающийся в подшипниках, размещенных в подшипниковых щитах. Конструкция также включает вентилятор для охлаждения, клеммную коробку и паспортную табличку.
Классификация и типы асинхронных двигателей
По классу энергоэффективности (МЭК 60034-30-1): IE1 (стандартный), IE2 (повышенный), IE3 (премиум), IE4 (суперпремиум).
Механические и рабочие характеристики
Важнейшей характеристикой АД является зависимость электромагнитного момента M от скольжения s — механическая характеристика M = f(s). Ее типичный вид для двигателя с короткозамкнутым ротором показан на графике. На характеристике выделяют ключевые точки:
Максимальный (критический) момент (Mmax) — максимальный момент, который двигатель может развить без «опрокидывания». Перегрузочная способность λм = Mmax / Mном.
Естественная механическая характеристика (при непосредственном включении в сеть) жесткая: при изменении нагрузки от холостого хода до номинальной скорость снижается лишь на 2-5%. Искусственные характеристики получают при изменении напряжения, частоты или введении добавочных сопротивлений в цепь ротора (для АДФР).
Способы пуска и регулирования скорости
Пуск асинхронных двигателей. Основная проблема — ограничение высоких пусковых токов.
Регулирование скорости. Естественная скорость АД при питании от сети фиксирована (n ≈ 60f/p). Регулирование возможно следующими методами:
Изменение скольжения (s): для АДФР — введением реостата в цепь ротора. Способ неэкономичен из-за больших потерь в реостате.
Таблица: Сравнение двигателей с короткозамкнутым и фазным ротором
| Параметр | АД с короткозамкнутым ротором (АДКЗ) | АД с фазным ротором (АДФР) |
|---|---|---|
| Конструкция ротора | Простая, надежная, неразборная | Сложная, с контактными кольцами и щеточным аппаратом |
| Стоимость | Ниже | Выше на 20-50% |
| Пусковой ток | Высокий (5-8 Iном) | Снижается за счет реостата (1.5-2 Iном) |
| Пусковой момент | Ограничен (0.7-1.5 Mном) | Может достигать Mmax (2-2.5 Mном) |
| Регулирование скорости | Только частотное | Возможно введением реостата в цепь ротора (неэкономично) |
| Требования к обслуживанию | Минимальные | Требуется обслуживание контактных колец и щеток |
| КПД и cos φ | Выше | Немного ниже |
| Основные области применения | Насосы, вентиляторы, станки, конвейеры — до 90% применений | Краны, элеваторы, дробилки, мельницы — механизмы с тяжелыми условиями пуска |
Таблица: Классы энергоэффективности асинхронных электродвигателей (по МЭК 60034-30-1)
| Класс IE | Название | Соответствие устаревшим классам | Примечание |
|---|---|---|---|
| IE1 | Стандартная эффективность | Соответствует старым нормам | Выводятся из производства во многих странах |
| IE2 | Повышенная эффективность | Выше стандартных | Требуемый минимум в РФ и ЕС для большинства применений |
| IE3 | Высокая эффективность (Премиум) | Соответствует NEMA Premium | Обязателен для мощностей от 0.75 кВт в ЕС, от 7.5 кВт в РФ |
| IE4 | Сверхвысокая эффективность (Суперпремиум) | Новый высший класс | Перспективный стандарт, достигается за счет новых технологий (например, синхронный реактивный двигатель) |
Тенденции и перспективы развития
Современное развитие асинхронных электродвигателей направлено на повышение энергоэффективности (переход к классам IE3 и IE4), что достигается использованием улучшенных электротехнических сталей, оптимизацией магнитных систем, снижением воздушного зазора, применением медных стержней в «беличьей клетке». Второе ключевое направление — интеграция двигателя с частотным преобразователем и системами управления (электроприводы с векторным управлением), что позволяет создавать высокоточные и энергосберегающие системы автоматизации. Развиваются также технологии синхронных реактивных двигателей (SynRM), сочетающих конструктивную простоту асинхронных машин с высоким КПД класса IE4.
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
1. Как правильно выбрать асинхронный двигатель для насоса/вентилятора?
Необходимо учитывать: 1) Мощность — должна быть не менее мощности на валу механизма с учетом возможных перегрузок. 2) Скорость — должна соответствовать характеристике насоса/вентилятора. 3) Напряжение и частоту сети (380В/50Гц, 660В/50Гц и т.д.). 4) Степень защиты — для влажных помещений не ниже IP54, для сухих — IP23 или IP44. 5) Способ монтажа (IM 1001, IM 3001). 6) Класс энергоэффективности — согласно действующему законодательству (обычно IE2 или IE3). Для насосов и вентиляторов оптимально использование частотного регулирования.
2. Почему двигатель при пуске издает гул, но не вращается?
Возможные причины: 1) Обрыв одной из фаз питающей сети («обрыв фазы») — двигатель гудит, перегревается и не развивает пусковой момент. 2) Механический заклинивание привода или подшипников. 3) Неправильное соединение обмоток статора. 4) Для двигателя с фазным ротором — не выведен пусковой реостат или обрыв в цепи ротора. Необходимо немедленно отключить питание и провести диагностику.
3. В чем разница между схемами соединения обмоток «звезда» и «треугольник»?
При соединении в «звезду» (Y) концы всех трех фаз обмотки соединены в одной точке. Фазное напряжение на обмотке в √3 раз меньше линейного (например, при сетевом 380В на обмотку приходится 220В). Пусковой ток и момент меньше. При соединении в «треугольник» (Δ) конец одной обмотки соединен с началом следующей. Фазное напряжение равно линейному (380В). Двигатель развивает полную мощность, указанную на шильдике. Выбор схемы определяется паспортными данными двигателя и сетевым напряжением.
4. Обязательно ли использовать частотный преобразователь для регулирования скорости?
Для плавного, экономичного и широкодиапазонного регулирования скорости асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором — да, это единственный современный эффективный способ. Альтернативы (реостатное регулирование для АДФР, изменение числа полюсов) либо неэкономичны, либо дают ступенчатое регулирование и имеют ограниченную область применения.
5. Как определить причину перегрева двигателя?
Перегрев может быть вызван: 1) Электрическими причинами:
2) Механическими причинами:
3) Режимом работы: частые пуски/остановки, работа с перегрузкой, неверный выбор двигателя.
6. Что такое «опрокидывание» двигателя?
Это аварийный режим, возникающий при превышении нагрузочным моментом максимального (критического) момента двигателя Mmax. При этом двигатель резко останавливается (или не может запуститься), скольжение становится равным 1, ток статора достигает пускового значения. Двигатель находится под напряжением, но не вращается, что ведет к быстрому перегреву и выходу из строя. Защита от опрокидывания — тепловое реле или современный цифровой защитный relay, настроенный на отключение при длительном превышении номинального тока.