Электродвигатели асинхронные переменного тока трехфазные

Электродвигатели асинхронные переменного тока трехфазные: устройство, принцип действия, характеристики и применение

Трехфазный асинхронный электродвигатель (АД) представляет собой электрическую машину, предназначенную для преобразования электрической энергии трехфазного тока в механическую энергию. Принцип его действия основан на использовании вращающегося магнитного поля и явлении электромагнитной индукции. Благодаря простоте конструкции, высокой надежности, низкой стоимости и удобству эксплуатации данный тип двигателей является основным приводом для подавляющего большинства промышленных механизмов, составляя более 80% всего парка электродвигателей в промышленности.

Устройство трехфазного асинхронного двигателя

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

Статор

Статор включает в себя следующие компоненты:

• Корпус (остов): Выполняет несущую и защитную функции. Для двигателей малой и средней мощности изготавливается из чугуна или алюминиевого сплава, для крупных – сваривается из стальных листов. Имеет ребра для улучшения теплоотвода.
• Сердечник статора: Набирается из изолированных друг от друга штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,35-0,5 мм для уменьшения потерь на вихревые токи. Листы имеют пазы для укладки обмотки. Сердечник запрессовывается в корпус.
• Обмотка статора: Трехфазная обмотка, выполненная из изолированного медного или алюминиевого провода. Фазы обмотки могут быть соединены по схеме «звезда» (Y) или «треугольник» (Δ), что позволяет адаптировать двигатель к двум разным номинальным напряжениям сети (например, 220/380 В или 380/660 В). Обмотка укладывается в пазы сердечника и надежно закрепляется.

Ротор

Ротор бывает двух основных типов, что определяет вид двигателя:

• Короткозамкнутый ротор (тип «беличья клетка»): Сердечник ротора также набран из листовой стали и насажен на вал. В его пазы заливается или запрессовывается обмотка в виде стержней из меди или алюминиевого сплава, замкнутых накоротко с торцов двумя концевыми кольцами. Это наиболее распространенный тип благодаря предельной простоте, прочности и низкой стоимости. Обозначается как АДКЗ (Асинхронный Двигатель с Короткозамкнутым ротором).
• Фазный ротор (ротор с контактными кольцами): В пазы сердечника уложена трехфазная обмотка, аналогичная обмотке статора, соединенная, как правило, «звездой». Выводы обмотки присоединены к трем контактным кольцам (токосъемным кольцам) на валу. С помощью щеточного аппарата (графитовых или медно-графитовых щеток) в цепь ротора можно вводить дополнительное сопротивление (пускорегулирующий реостат) или подключить источник добавочной ЭДС. Обозначается как АДФР (Асинхронный Двигатель с Фазным Ротором).

Принцип действия и основные понятия

При подключении обмотки статора к трехфазной сети возникает вращающееся магнитное поле (ВМП). Скорость вращения этого поля, называемая синхронной частотой вращения (n₁), определяется частотой сети (f) и числом пар полюсов (p) обмотки статора: n₁ = 60f / p [об/мин].

Вращающееся магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора, наводя в них электродвижущую силу (ЭДС). Поскольку обмотка ротора замкнута (или замкнута через сопротивление), под действием этой ЭДС в ней возникает ток. Взаимодействие тока в роторе с ВМП статора создает электромагнитную силу, которая, действуя на ротор, приводит его во вращение в сторону вращения поля.

Ключевая особенность асинхронного двигателя – асинхронность: ротор всегда вращается со скоростью (n₂), меньшей синхронной скорости поля статора (n₁). Это отставание называется скольжением (s): s = (n₁ — n₂) / n₁. Скольжение выражается в относительных единицах или процентах. При номинальной нагрузке для двигателей общего назначения скольжение составляет обычно 2-5%. Именно наличие скольжения обеспечивает наведение ЭДС и тока в роторе. При синхронной скорости (s=0) ток в роторе равен нулю, и вращающий момент не создается.

Механическая характеристика и режимы работы

Зависимость вращающего момента (M) от скольжения (s) или частоты вращения ротора (n₂) называется механической характеристикой двигателя. Она является нелинейной.

• Пусковой момент (M_п): Момент, развиваемый двигателем при пуске (s=1, n₂=0).
• Минимальный момент (M_min): Наименьшее значение момента в процессе разгона.
• Максимальный (критический) момент (M_max): Наибольший момент, который двигатель может развить, не опрокидываясь. Соответствует критическому скольжению (s_кр).
• Номинальный момент (M_н): Момент, соответствующий номинальной мощности на валу при номинальной частоте вращения и номинальном напряжении.

Асинхронный двигатель может работать в трех основных режимах:

• Двигательный режим: 0 < n₂ < n₁, 0 < s < 1. Энергия передается с вала на механизм.
• Генераторный режим: n₂ > n₁, s < 0. Двигатель отдает энергию в сеть. Возможен при вращении ротора внешним моментом со скоростью выше синхронной.
• Режим электромагнитного тормоза: n₂ < 0, s > 1. Двигатель создает тормозной момент, потребляя энергию из сети. Возникает при реверсе или активном торможении.

Способы пуска и регулирования скорости

Пуск асинхронных двигателей

Пуск характеризуется большими пусковыми токами (I_п = (5-8)I_н для АДКЗ), которые могут вызывать просадки напряжения в сети.

Для АДКЗ:

• Прямой пуск: Непосредственное подключение на полное напряжение сети. Применяется для двигателей малой и средней мощности, где пусковые токи не критичны.
• Пуск при пониженном напряжении:
  • Переключение обмотки статора со «звезды» на «треугольник» (Y-Δ). Пусковой момент и ток снижаются в 3 раза.
  • Использование автотрансформатора или реактора. Позволяет плавно регулировать напряжение.
  • Применение устройств плавного пуска (УПП) на основе тиристоров.

Для АДФР: Пуск осуществляется путем введения в цепь ротора пускового реостата. Это позволяет значительно увеличить пусковой момент при одновременном снижении пускового тока. По мере разгона сопротивление реостата плавно уменьшают до нуля.

Регулирование частоты вращения

Естественная жесткая характеристика АДКЗ не позволяет эффективно регулировать скорость. Основные способы:

• Изменение числа пар полюсов (p): Ступенчатое регулирование. Реализуется в многоскоростных двигателях с несколькими обмотками или одной обмоткой со специальной коммутацией (например, 1500/3000 об/мин).

Изменение скольжения (s):

• Для АДФР – введение добавочного сопротивления в цепь ротора. Способ неэкономичен из-за больших потерь в реостате.
• Для АДКЗ – изменение напряжения на статоре (с помощью автотрансформатора или тиристорного регулятора). Существенно снижает момент и ограничено по диапазону.
• Изменение частоты питающего напряжения (f): Наиболее эффективный и современный способ, обеспечивающий широкий диапазон плавного регулирования скорости с высоким КПД. Реализуется с помощью частотного преобразователя (ЧП, инвертора).

Классификация, маркировка и выбор двигателей

Трехфазные асинхронные двигатели классифицируются по ряду признаков:

• По типу ротора: короткозамкнутые (АДКЗ) и фазные (АДФР).
• По степени защиты (IP): от IP00 (открытые) до IP68 (полностью герметичные).
• По способу охлаждения: с самовентиляцией (IC 411), с независимой вентиляцией (IC 416) и др.
• По климатическому исполнению и категории размещения (У, УХЛ, Т для тропиков и т.д.).
• По энергоэффективности (классы IE1, IE2, IE3, IE4 согласно МЭК 60034-30-1).

Маркировка двигателей содержит информацию о серии, размере, длине сердечника, числе полюсов, модификации и климатическом исполнении. Например, АИР160S4 У3: АИР – серия, 160 – высота оси вращения (мм), S – установочный размер по длине (короткий), 4 – число полюсов, У3 – климатическое исполнение.

Таблица: Сравнительные характеристики АДКЗ и АДФР

Энергоэффективность и эксплуатация

Современные тенденции направлены на повышение энергоэффективности. Классы IE определяют уровень потерь двигателя. Двигатели класса IE3 (Premium Efficiency) и IE4 (Super Premium Efficiency) имеют на 20-40% меньшие потери по сравнению со старыми моделями класса IE1. Это достигается за счет использования более качественных электротехнических сталей, увеличения активных материалов, оптимизации конструкции и технологии производства.

Эксплуатация требует контроля температуры подшипников и обмоток, уровня вибрации, состояния изоляции. Для АДФР обязательна проверка и замена щеток, очистка контактных колец. Основные неисправности: перегрев (из-за перегрузки, ухудшения охлаждения, несимметрии напряжения), вибрация (несоосность, дисбаланс), повышенный шум (подшипники, магнитный гул), обрыв или замыкание обмоток.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем отличается схема соединения «звезда» от «треугольника» и какую выбрать?

При соединении «звездой» (Y) концы всех трех фаз обмотки статора соединены в одной точке, а начала фаз подключаются к сети. Фазное напряжение на обмотке в √3 раз меньше линейного напряжения сети. При соединении «треугольником» (Δ) начало одной фазы соединяется с концом следующей, образуя замкнутый контур. Фазное напряжение равно линейному. Выбор схемы определяется паспортными данными двигателя и сетевым напряжением. Например, двигатель с маркировкой 220/380 Δ/Y должен включаться «треугольником» в сеть 220 В и «звездой» в сеть 380 В для того, чтобы напряжение на каждой фазной обмотке оставалось номинальным (220 В).

Почему асинхронный двигатель сильно греется даже без нагрузки?

Нагрев без нагрузки или с малой нагрузкой может быть вызван несколькими причинами: повышенное напряжение сети (увеличиваются потери в стали статора), несимметрия питающих напряжений (появление токов обратной последовательности), неправильная схема соединения обмоток (например, «треугольник» вместо требуемой «звезды» для данного напряжения), дефекты в магнитопроводе (замыкание листов), ухудшение условий охлаждения (загрязнение вентиляционных каналов, остановка вентилятора).

Что такое «опрокидывание» двигателя?

Опрокидывание – это переход двигателя в режим работы за точкой максимального момента на механической характеристике при критическом скольжении (s_кр). Если нагрузочный момент на валу превысит максимальный момент двигателя (M_max), двигатель резко увеличит скольжение, ток возрастет до значений, близких к пусковым, скорость начнет падать, и двигатель может остановиться. Длительная работа в таком режиме приводит к перегреву и отключению по тепловой защите. Основные причины: резкое увеличение механической нагрузки, глубокие просадки напряжения в сети.

Как влияет несимметрия напряжения на работу АД?

Несимметрия напряжений (различие по величине или фазовому сдвигу между фазами) крайне негативно сказывается на работе АД. Она приводит к появлению магнитного поля обратной последовательности, вращающегося в сторону, противоположную ротору. Это поле индуцирует в роторе токи двойной частоты, вызывая дополнительный нагрев. Кроме того, несимметрия снижает максимальный момент двигателя и увеличивает вибрации. Нормы (например, ГОСТ 32144-2013) допускают несимметрию напряжений по обратной последовательности не более 2% в нормальном режиме.

В чем преимущества частотного регулирования для АДКЗ?

Частотный преобразователь (ЧП) позволяет плавно изменять частоту и амплитуду напряжения, подаваемого на статор двигателя. Это дает следующие преимущества: широкий диапазон плавного регулирования скорости (от единиц до сотен Гц), поддержание высокого КПД во всем диапазоне регулирования, возможность реализации сложных законов управления (скалярное, векторное), значительное снижение пусковых токов за счет плавного пуска, энергосбережение при работе насосов и вентиляторов по квадратичной нагрузке (пропорционально кубу скорости).

Когда целесообразно применять двигатель с фазным ротором вместо короткозамкнутого?

АДФР целесообразно применять в следующих случаях: 1) При необходимости частых пусков под тяжелой нагрузкой с требованием высокого пускового момента и ограничения пускового тока (краны, лифты, мельницы). 2) При необходимости плавного регулирования скорости в небольших пределах в условиях, где применение частотного преобразователя экономически или технически неоправданно, а потери энергии в реостате допустимы. 3) В условиях слабых электрических сетей с ограниченной мощностью короткого замыкания, где пусковые токи АДКЗ неприемлемы.