Электродвигатели привода трехфазные

Электродвигатели привода трехфазные: устройство, принцип действия, классификация и применение

Трехфазные асинхронные электродвигатели (АД) составляют основу современного промышленного электропривода. Их доля в общем объеме используемых электродвигателей превышает 90%. Принцип действия, надежность, относительно простая конструкция и возможность непосредственного подключения к трехфазной сети переменного тока определили их повсеместное распространение для привода насосов, вентиляторов, компрессоров, конвейеров, станков и другого технологического оборудования.

Принцип действия и конструкция

Работа трехфазного асинхронного двигателя основана на явлении создания вращающегося магнитного поля. При подаче трехфазного напряжения на обмотки статора, расположенные со сдвигом в 120 электрических градусов, возникает магнитодвижущая сила (МДС), которая создает магнитное поле, вращающееся с синхронной частотой n1 (об/мин). Эта частота определяется частотой питающей сети f (Гц) и числом пар полюсов p двигателя: n1 = (60

• f) / p.

Вращающееся поле статора пересекает проводники обмотки ротора, наводя в них электродвижущую силу (ЭДС). Поскольку обмотка ротора замкнута (накоротко или через пускорегулирующие сопротивления), под действием этой ЭДС в ней возникает ток. Взаимодействие тока в роторе с магнитным полем статора создает электромагнитную силу, которая, действуя на ротор, приводит его во вращение. Ротор всегда вращается с частотой n2, меньшей синхронной частоты n1, так как только при наличии разности скоростей (скольжения) в обмотке ротора индуцируется ток. Относительная разность частот называется скольжением: s = (n1 — n2) / n1.

Основные конструктивные элементы

• Статор: Неподвижная часть двигателя, состоящая из корпуса (чугунного или алюминиевого) и сердечника, набранного из изолированных листов электротехнической стали. В пазы сердечника уложена трехфазная обмотка.
• Ротор: Вращающаяся часть. Существует два основных типа:
  • С короткозамкнутым ротором (АДКЗ): Обмотка ротора выполнена в виде «беличьей клетки» — системы неизолированных проводников (стержней), замкнутых с двух сторон торцевыми кольцами. Наиболее распространенный тип благодаря простоте и надежности.
  • С фазным ротором (АДФР): Обмотка ротора трехфазная, соединена в звезду, ее выводы подключены к контактным кольцам на валу. Через щеточный аппарат в цепь ротора можно вводить добавочные резисторы для управления пусковыми и рабочими характеристиками.
• Подшипниковые щиты: Обеспечивают крепление вала ротора в подшипниках качения (реже скольжения) и защиту внутренней полости двигателя.
• Вентилятор и кожух: Обеспечивают охлаждение двигателя (система охлаждения IC 411 – самовентиляция).
• Клеммная коробка: Для подключения питающего кабеля.

Классификация и характеристики

Трехфазные асинхронные двигатели классифицируются по множеству признаков, определяющих их область применения и условия эксплуатации.

Таблица 1. Основные классификационные признаки трехфазных АД

Признак классификации	Типы	Краткая характеристика
По способу защиты от воздействия окружающей среды (степень защиты IP)	IP54, IP55	Защита от пыли и водяных струй. Для помещений с повышенной влажностью, пылью, на улице.
	IP23	Защита от капель воды и попадания твердых тел диаметром >12.5 мм. Для чистых, сухих помещений.
По способу охлаждения	IC 411	С самовентиляцией (на валу двигателя установлен вентилятор).
	IC 416	С принудительным охлаждением (независимым вентилятором).
По материалу корпуса	Чугунный	Повышенная прочность, стойкость к вибрации, традиционное исполнение.
	Алюминиевый	Меньший вес, лучшее охлаждение, коррозионная стойкость.
По классу энергоэффективности (МЭК 60034-30-1)	IE1 (Standard Efficiency)	Стандартная эффективность. Сняты с производства в ЕС.
	IE2 (High Efficiency)	Повышенная эффективность.
	IE3 (Premium Efficiency)	Премиальная эффективность. Требуемый минимум для большинства мощностей в РФ и ЕС.
	IE4 (Super Premium Efficiency)	Сверхпремиальная эффективность.
По режиму работы (МЭК 60034-1)	S1	Продолжительный режим. Двигатель работает до достижения установившейся температуры.
	S2	Кратковременный режим. Работа в течение заданного времени, после которого двигатель охлаждается до температуры окружающей среды.
	S3	Повторно-кратковременный режим с относительной продолжительностью включения (ПВ) 15%, 25%, 40%, 60%.

Механические и рабочие характеристики

Важнейшими для выбора двигателя являются его механическая характеристика n2 = f(M) и зависимость момента от скольжения M = f(s).

• Пусковой момент (Mп): Момент, развиваемый двигателем при неподвижном роторе (s=1). Должен превышать момент сопротивления механизма для успешного разгона.
• Минимальный момент (Mmin): Наименьшее значение момента в процессе разгона. Его величина критична для нагрузок с вентиляторным моментом.
• Максимальный (критический) момент (Mmax): Наибольший момент, который двигатель может развить без остановки. Характеризует перегрузочную способность. Обычно в 1.8-3.5 раза превышает номинальный момент.
• Номинальный момент (Mн): Момент, соответствующий номинальной мощности на валу при номинальной частоте вращения и напряжении.

Для двигателей с короткозамкнутым ротором характерен высокий пусковой ток (Iп/Iн = 5-7 раз), что накладывает ограничения на прямое включение (DOL) при малой мощности питающей сети.

Способы пуска и регулирования скорости

Пуск двигателей

• Прямой пуск (DOL): Непосредственное подключение обмоток статора к полному напряжению сети. Простейший и самый дешевый способ, но вызывает броски тока и механические удары.
• Пуск переключением «звезда-треугольник»: Применяется для двигателей, рассчитанных на работу при соединении обмоток в «треугольник». В начальный момент обмотки включаются «звездой» (фазное напряжение снижается в √3 раз), после разгона переключаются на «треугольник». Пусковой момент снижается в 3 раза.
• Пуск с помощью устройств плавного пуска (УПП): УПП, на основе тиристоров, плавно повышает напряжение на статоре, ограничивая ток и момент. Позволяет снизить механические нагрузки.
• Частотный пуск: Осуществляется с помощью частотного преобразователя (ЧП), который плавно изменяет частоту и амплитуду напряжения питания, обеспечивая оптимальные пусковые характеристики.
• Пуск АДФР с реостатом в цепи ротора: Введение активного сопротивления в цепь ротора позволяет увеличить пусковой момент и снизить пусковой ток. Используется для тяжелых условий пуска.

Регулирование скорости

Классический АДКЗ – двигатель с практически постоянной скоростью. Основные способы регулирования:

• Частотное регулирование: Наиболее эффективный и современный способ. Преобразователь частоты изменяет частоту f1 питающего напряжения, что приводит к изменению синхронной скорости n1. Для сохранения перегрузочной способности (магнитного потока) ЧП одновременно регулирует и амплитуду напряжения (закон U/f = const или векторное управление). Диапазон регулирования широк (до 1:100 и более).
• Регулирование изменением числа пар полюсов: Используется в многоскоростных двигателях с переключаемыми обмотками статора (2, 3, 4 скорости). Регулирование ступенчатое.
• Регулирование перекосом напряжения (для АДФР): Введение в цепь ротора добавочных резисторов. Способ неэкономичен, так как приводит к большим потерям в реостате, регулирование ступенчатое. Применяется редко, в основном для крановых и тяговых электроприводов.

Выбор и эксплуатация

Выбор трехфазного электродвигателя осуществляется на основе анализа следующих параметров:

1. Мощность (Pн): Должна соответствовать мощности на валу рабочей машины с учетом возможных перегрузок. Заниженная мощность ведет к перегреву и отказу, завышенная – к снижению КПД и cos φ.
2. Напряжение и частота сети: Стандартные значения: 380/400 В, 50 Гц (в РФ); 690 В для мощных двигателей.
3. Скорость (nн): Определяется требованиями технологического процесса. Стандартный ряд синхронных скоростей: 3000, 1500, 1000, 750 об/мин (для 50 Гц).
4. Режим работы (S1-S10): Должен соответствовать паспортным данным двигателя.
5. Класс энергоэффективности (IE): Выбор двигателей класса IE3 и выше является экономически оправданным за счет снижения эксплуатационных затрат на электроэнергию.
6. Степень защиты (IP) и климатическое исполнение: Определяются условиями окружающей среды (запыленность, влажность, наличие взрывоопасных смесей – исполнение Ex).
7. Монтажное исполнение (IM): Например, IM 1081 (на лапах с одним цилиндрическим концом вала) или IM 3001 (фланцевое крепление).

Эксплуатация требует регулярного контроля температуры подшипников, вибрации, состояния изоляции (сопротивление мегаомметром). Необходима своевременная замена смазки в подшипниках и очистка от загрязнений.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. В чем основное различие между двигателями с короткозамкнутым и фазным ротором?

АДКЗ проще, дешевле, надежнее, не требует обслуживания контактных колец и щеток. Имеет высокий пусковой ток и ограниченные возможности регулирования скорости без ЧП. АДФР сложнее, дороже, требует обслуживания щеточного узла, но позволяет вводить в цепь ротора резисторы для улучшения пусковых характеристик и ступенчатого регулирования скорости. Применяется в тяжелых пусковых условиях (дробилки, мельницы) и в крановых приводах.

2. Как правильно определить необходимую мощность двигателя для насоса или вентилятора?

Для центробежных насосов и вентиляторов потребляемая мощность пропорциональна кубу скорости вращения. Необходимо рассчитать мощность на валу по характеристикам машины (напряжению, производительности, КПД насоса/вентилятора) и добавить запас 10-15%. Использование двигателя с завышенной мощностью, особенно при постоянной нагрузке, приводит к снижению коэффициента мощности (cos φ) и общего КПД системы.

3. Что такое класс изоляции и как он связан с температурой?

Класс изоляции (например, F, H) определяет максимально допустимую температуру стойкости изоляционных материалов обмотки. Для класса F это 155°C, для H – 180°C. Фактическая температура обмотки при номинальной нагрузке обычно на 20-30°C ниже предела класса изоляции, что обеспечивает запас на случай перегрузки и продлевает срок службы. Перегрев на каждые 10°C сверх нормы сокращает срок службы изоляции в 2 раза.

4. Обязательно ли использовать частотный преобразователь для регулирования скорости?

Для плавного и экономичного регулирования скорости в широком диапазоне – да. Альтернативные методы (реостатные, переключением полюсов) являются ступенчатыми, неэкономичными или обеспечивают узкий диапазон регулирования. ЧП также решает задачи плавного пуска и энергосбережения, особенно для насосно-вентиляторной нагрузки.

5. Почему современные двигатели класса IE3 и IE4 имеют большие габариты и массу по сравнению с двигателями IE1 той же мощности?

Для повышения КПД производители используют больше активных материалов (медь, электротехническая сталь) для снижения электрических и магнитных потерь. Улучшаются аэродинамика вентилятора, качество изоляции, точность сборки. Увеличение массы и габаритов – плата за высокую энергоэффективность, которая окупается за счет экономии электроэнергии в течение жизненного цикла двигателя.

6. Как бороться с повышенным пусковым током АДКЗ в слабых сетях?

При невозможности усиления сети применяют устройства плавного пуска (УПП) или частотные преобразователи с функцией ограничения тока. Для двигателей, допускающих схему «треугольник» в рабочем режиме, эффективен пуск «звезда-треугольник». В отдельных случаях для мощных двигателей может рассматриваться применение АДФР.

Заключение

Трехфазный асинхронный электродвигатель остается ключевым элементом промышленного электропривода благодаря оптимальному сочетанию надежности, стоимости и эксплуатационных качеств. Современные тенденции направлены на повышение энергоэффективности (классы IE3, IE4), интеграцию с цифровыми системами мониторинга состояния и широкое использование частотно-регулируемого привода для оптимизации технологических процессов и снижения энергопотребления. Правильный выбор, основанный на глубоком понимании характеристик, режимов работы и условий эксплуатации, является залогом долговечной и экономичной работы электропривода в целом.