Электродвигатели асинхронные переменного тока

Электродвигатели асинхронные переменного тока: принцип действия, конструкция, классификация и эксплуатация

Асинхронный электродвигатель (АД) представляет собой электрическую машину переменного тока, в которой ротор вращается с частотой, отличной от частоты вращения магнитного поля статора (отсюда название «асинхронный»). Это наиболее распространенный тип электродвигателей в промышленности и быту благодаря своей простоте, надежности, низкой стоимости и отсутствию скользящих электрических контактов (щеток) в основной конструкции.

Принцип действия

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. Это поле пересекает проводники обмотки ротора, наводя в них электродвижущую силу (ЭДС). Поскольку обмотка ротора замкнута (накоротко или через резисторы), под действием ЭДС в ней возникает ток. Взаимодействие тока в роторе с вращающимся магнитным полем статора создает электромагнитную силу, приводящую ротор во вращение. Ротор всегда стремится достичь синхронной скорости, но никогда не достигает ее, так как при равенстве скоростей исчезнет относительное движение и прекратится наведение ЭДС в роторе. Разность между синхронной частотой и частотой вращения ротора называется скольжением s: s = (n₁ — n₂) / n₁, где n₂ — частота вращения ротора. В нормальных режимах скольжение составляет 1-8%.

Конструкция асинхронного электродвигателя

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

Статор

Статор включает в себя корпус, сердечник и трехфазную (реже однофазную) обмотку. Корпус, обычно чугунный или алюминиевый, обеспечивает механическую прочность и отвод тепла. В корпус запрессован сердечник, набранный из изолированных друг от друга листов электротехнической стали для уменьшения потерь на вихревые токи. В пазах сердечника уложена обмотка статора, выполненная из изолированного медного или алюминиевого провода. Обмотка соединяется по схеме «звезда» или «треугольник» в клеммной коробке двигателя.

Ротор

Ротор состоит из вала, сердечника и обмотки. Сердечник ротора также шихтован из листов электротехнической стали. По типу обмотки роторы делятся на два основных вида:

• Ротор с короткозамкнутой обмоткой (типа «беличья клетка»). Обмотка выполнена в виде системы неизолированных проводников (стержней) из меди или алюминия, размещенных в пазах сердечника и замкнутых накоротко с двух сторон торцевыми кольцами. Проста, надежна, дешева в изготовлении. Недостаток — большой пусковой ток (в 5-8 раз выше номинального) и относительно небольшой пусковой момент.
• Ротор с фазной обмоткой. В пазах уложена трехфазная обмотка, аналогичная обмотке статора, соединенная обычно «звездой». Выводы обмотки подключены к трем контактным кольцам на валу, к которым через щеточный аппарат можно подключать пускорегулирующие резисторы или другие устройства. Это позволяет снизить пусковой ток и увеличить пусковой момент, а также осуществлять регулировку скорости. Более сложная, дорогая и требующая обслуживания конструкция.

Классификация и основные характеристики

Асинхронные двигатели классифицируются по ряду признаков:

• По числу фаз питания: трехфазные, однофазные (с пусковой или рабочей фазой через конденсатор), двухфазные.
• По типу ротора: с короткозамкнутым ротором (АИР, АИС) и с фазным ротором (АК, АКЗ).
• По степени защиты от воздействия окружающей среды: IP00, IP23, IP44, IP54, IP55, IP65 и др.
• По способу охлаждения: с самовентиляцией (IC 411), с независимой вентиляцией (IC 416), с водяным охлаждением (IC 81W).
• По климатическому исполнению и категории размещения: У, УХЛ, Т для различных температурных зон и условий (открытое помещение, закрытое, на улице).
• По энергоэффективности: классы IE1 (стандартная), IE2 (повышенная), IE3 (премиум), IE4 (суперпремиум).

Основные технические характеристики указываются на шильдике двигателя:

• Номинальная мощность (P_н), кВт.
• Номинальное напряжение (U_н), В, и схема соединения обмоток (Y/Δ).
• Номинальная частота тока (f), Гц (обычно 50 или 60).
• Номинальная частота вращения (n_н), об/мин.
• Номинальный ток (I_н), А.
• Коэффициент полезного действия (КПД, η), %.
• Коэффициент мощности (cos φ).
• Класс изоляции обмоток (A, E, B, F, H), определяющий допустимую температуру нагрева.
• Степень защиты (IP).
• Режим работы (S1 – продолжительный, S2 – кратковременный, S3 – повторно-кратковременный и др.).

Механическая характеристика и способы пуска

Зависимость момента двигателя от скольжения M = f(s) или от частоты вращения M = f(n) называется механической характеристикой. Она является жесткой: при изменении нагрузки в широких пределах скорость вращения изменяется незначительно. Пусковой момент M_п, максимальный (критический) момент M_кр и его перегрузочная способность λ = M_кр / M_н — ключевые параметры.

Для двигателей с короткозамкнутым ротором применяются следующие основные способы пуска:

• Прямой пуск: непосредственное подключение к сети полного напряжения. Простейший способ, но вызывает броски тока и просадки напряжения в сети.
• Пуск при пониженном напряжении: с помощью переключения обмоток статора со «звезды» на «треугольник» (Y-Δ), автотрансформатора или мягкого пускателя (устройства плавного пуска, УПП). Снижает пусковой ток, но уменьшает и пусковой момент (момент пропорционален квадрату напряжения).

Для двигателей с фазным ротором пуск осуществляется путем введения в цепь ротора пускового реостата, что позволяет увеличить пусковой момент при одновременном снижении тока.

Регулирование частоты вращения

Естественная характеристика АД не позволяет эффективно регулировать скорость. Основные искусственные способы регулирования:

• Изменение частоты питающего напряжения с помощью частотного преобразователя (ЧП, инвертора). Наиболее эффективный и современный способ, позволяющий осуществлять широкое и плавное регулирование скорости с высоким КПД и сохранением жесткости характеристик.
• Изменение числа пар полюсов (переключением обмотки). Дает ступенчатое регулирование (2-4 скорости). Применяется в многоскоростных двигателях.
• Изменение напряжения на статоре (с помощью автотрансформатора или тиристорного регулятора). Обеспечивает плавное регулирование в небольшом диапазоне со значительными потерями в роторе и снижением КПД.
• Введение добавочных сопротивлений в цепь ротора (для двигателей с фазным ротором). Позволяет плавно регулировать скорость вниз от номинальной, но характеристика становится мягкой, а потери энергии значительными.

Таблица: Сравнение двигателей с короткозамкнутым и фазным ротором

Параметр	Короткозамкнутый ротор (АИР)	Фазный ротор (АК)
Конструкция и стоимость	Проще, дешевле, не требует обслуживания щеточного узла.	Сложнее, дороже, требуется обслуживание колец и щеток.
Пусковой ток	Высокий (5-8 Iн).	Снижен за счет реостата (1.5-2 Iн).
Пусковой момент	Ограничен (0.7-2 Mн).	Высокий, регулируемый (до 2-2.5 Mн).
Регулирование скорости	Только частотным преобразователем.	Возможно введением сопротивлений в цепь ротора (неэкономично).
КПД и cos φ	Выше при одинаковой мощности.	Немного ниже из-за потерь в щеточном контакте.
Область применения	Насосы, вентиляторы, станки, конвейеры – где не требуются тяжелые условия пуска.	Краны, мельницы, дробилки, подъемники – механизмы с тяжелым пуском и частыми пусками/остановами.

Подключение и выбор кабеля для питания

Правильный выбор кабеля для подключения асинхронного двигателя критически важен для безопасности и надежности. Сечение жил кабеля выбирается по номинальному току двигателя с учетом условий прокладки (температура, способ), но обязательно проверяется на соответствие условиям пуска (допустимому падению напряжения) и условиям срабатывания защиты от короткого замыкания и перегрузки. Для трехфазного двигателя номинальный ток I_н (А) рассчитывается по формуле: I_н = P_н 1000 / (√3 U_н η cos φ). На практике пользуются упрощенной формулой: для напряжения 380В I_н ≈ 2

• P_н (кВт). Для прямого пуска необходимо учитывать, что пусковой ток может вызвать падение напряжения в кабеле, что может привести к неуспешному пуску. Рекомендуется, чтобы падение напряжения на зажимах двигателя при пуске не превышало 10-15% от номинального. Для длинных линий это часто становится определяющим фактором при выборе сечения.

Энергоэффективность и классы IE

Современные стандарты (МЭК 60034-30-1) выделяют классы энергоэффективности асинхронных двигателей:

• IE1 (Standard Efficiency): Стандартный класс. Двигатели устаревших серий.
• IE2 (High Efficiency): Повышенный класс. Требуют обязательного применения частотных преобразователей при мощности 7.5-375 кВт согласно директиве ЕС.
• IE3 (Premium Efficiency): Премиум класс. Наиболее распространенный современный стандарт.
• IE4 (Super Premium Efficiency): Сверхпремиум класс. Достигается за счет использования улучшенных материалов и оптимизированных конструкций (например, синхронные реактивно-магнитные двигатели).

Повышение класса эффективности снижает эксплуатационные затраты на электроэнергию, но увеличивает начальную стоимость двигателя.

Эксплуатация, неисправности и диагностика

Основные причины выхода из строя асинхронных двигателей: перегрузка, работа в несимметричном режиме (обрыв фазы, перекос напряжений), частые пуски, вибрация, перегрев, попадание влаги, износ подшипников. Регулярная диагностика включает в себя измерение сопротивления изоляции обмоток (мегаомметром), проверку вибрации и температуры, анализ потребляемого тока (для выявления дисбаланса, межвитковых замыканий). Для защиты двигателей применяются автоматические выключатели с электромагнитным и тепловым расцепителем, тепловые реле, мотор-автоматы, а также современные цифровые устройства защиты, контролирующие ток, температуру, дисбаланс и обрыв фазы.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем отличается схема подключения «звезда» от «треугольника»?

При соединении «звездой» (Y) концы всех трех фазных обмоток соединяются в одной точке, а начала подключаются к сети. Фазное напряжение на обмотке в √3 раз меньше линейного (например, 220В при сетевом 380В). При соединении «треугольником» (Δ) начало одной обмотки соединяется с концом следующей, образуя замкнутый контур. Фазное напряжение равно линейному (380В). Двигатель может быть рассчитан на работу в одной из этих схем или на переключение со «звезды» на «треугольник» для снижения пускового тока. Мощность, развиваемая двигателем при подключении в «треугольник» к той же сети, будет примерно в 3 раза выше, чем при подключении в «звезду», но ток также возрастет. Неправильное подключение приводит к перегреву и выходу из строя.

Как определить число оборотов двигателя по маркировке?

Синхронная частота вращения указана в наименовании типа двигателя (последние цифры). Например, в обозначении АИР160S4 цифра «4» означает число полюсов (2p=4). Синхронная частота для сети 50 Гц: n₁ = 60*50 / 2 = 1500 об/мин. Реальная номинальная частота при скольжении 2-4% составит примерно 1440-1470 об/мин. Также частоту можно определить по шильдику, где указана номинальная скорость.

Что такое «мягкий пускатель» и когда его необходимо применять?

Устройство плавного пуска (УПП, мягкий пускатель) — это полупроводниковое устройство, которое плавно повышает напряжение на двигателе в течение заданного времени пуска, тем самым ограничивая пусковой ток (обычно до 2-4 I_н) и обеспечивая плавный разгон механизма. Применяется для снижения механических ударов в приводе, уменьшения просадок напряжения в сети и в случаях, когда прямой пуск недопустим, а частотный преобразователь экономически нецелесообразен. Не обеспечивает регулирования скорости в рабочем режиме.

Почему греется двигатель и какова допустимая температура?

Нагрев двигателя происходит из-за потерь энергии: электрических (в обмотках), магнитных (в стали) и механических (в подшипниках). Превышение нормативной температуры — признак неисправности или перегрузки. Допустимая температура зависит от класса изоляции обмотки: A (105°C), E (120°C), B (130°C), F (155°C), H (180°C). Температура измеряется на корпусе или внутри обмотки. Частые причины перегрева: перегрузка, обрыв фазы, загрязнение вентиляционных каналов, высокая ambient температура, частые пуски, межвитковое замыкание.

Как выбрать между двигателем с короткозамкнутым ротором и фазным ротором?

Выбор определяется условиями пуска и эксплуатации. Двигатель с короткозамкнутым ротором (АИР) выбирают для приводов с легкими и средними условиями пуска (насосы, вентиляторы, компрессоры, станки), где допустим прямой или редуцированный пуск. Двигатель с фазным ротором (АК) применяется для механизмов с тяжелыми условиями пуска (подъемно-транспортное оборудование, дробилки, мельницы), где требуется высокий пусковой момент при ограниченном пусковом токе, а также в случаях необходимости простого, но неэкономичного регулирования скорости.

Каковы последствия работы двигателя при несимметрии напряжений?

Несимметрия напряжений (перекос фаз) даже в 3-5% является крайне вредным режимом. Она приводит к появлению токов обратной последовательности, которые вызывают дополнительный нагрев обмоток статора и ротора, превышающий нагрев от прямой последовательности. Снижается КПД и cos φ, уменьшается максимальный момент двигателя. Правилами технической эксплуатации (ПТЭ) рекомендуется, чтобы несимметрия напряжений в точках подключения не превышала 2% при нормальном режиме и 4% в послеаварийном.