Электродвигатели асинхронные с короткозамкнутым ротором

Электродвигатели асинхронные с короткозамкнутым ротором: устройство, принцип действия, характеристики и применение

Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором (АДКЗ) представляет собой электрическую машину переменного тока, в которой ротор вращается с частотой, отличной от частоты вращения магнитного поля статора (скольжением). Конструктивная простота, высокая надежность, низкая стоимость и минимальные эксплуатационные расходы обусловили его доминирующее положение в мировой электромеханике. На его долю приходится более 80% всех используемых в промышленности электродвигателей.

Принцип действия и теория работы

Работа АДКЗ основана на явлении электромагнитной индукции и взаимодействии вращающегося магнитного поля статора с током, индуцированным в обмотке ротора. При подаче трехфазного переменного напряжения на обмотку статора создается магнитное поле, вращающееся с синхронной частотой n₁ = 60f / p, где f – частота сети, p – число пар полюсов обмотки статора. Это поле пересекает проводники обмотки ротора, наводя в них электродвижущую силу (ЭДС). Поскольку обмотка ротора замкнута накоротко, под действием ЭДС в ней возникает ток. Взаимодействие тока в роторе с вращающимся магнитным полем статора создает электромагнитную силу, которая, действуя на ротор, приводит его во вращение. Ротор всегда вращается асинхронно, то есть с частотой n₂ < n₁. Критическим параметром является скольжение s = (n₁ — n₂) / n₁. В номинальном режиме скольжение обычно составляет 1-8%.

Конструктивное исполнение

Конструкция АДКЗ включает два основных компонента: неподвижный статор и вращающийся ротор, разделенные воздушным зазором.

Статор

Состоит из корпуса (чугунного, алюминиевого или стального), сердечника и трехфазной обмотки. Сердечник набирается из изолированных листов электротехнической стали для уменьшения потерь на вихревые токи. В пазы сердечника укладывается обмотка, выполненная по определенной схеме (например, «звезда» или «треугольник») с заданным числом пар полюсов. Обмотка изолируется материалами класса нагревостойкости B, F или H в зависимости от исполнения двигателя.

Ротор

Состоит из вала, сердечника и короткозамкнутой обмотки («беличьего колеса»). Сердечник также шихтованный. Обмотка ротора выполняется путем заливки пазов сердечника расплавленным алюминиевым сплавом или (реже) из меди. Одновременно отливаются замыкающие кольца и вентиляционные лопатки. Для двигателей повышенной мощности обмотка может изготавливаться из медных стержней, которые впаиваются в короткозамыкающие кольца. Форма пазов ротора (глубина, форма) влияет на пусковые характеристики двигателя.

Основные характеристики и параметры

Механическая характеристика

Зависимость момента M от скольжения s (или частоты вращения n₂) является фундаментальной для АДКЗ. Она нелинейна и имеет три ключевые точки:

• Пусковой момент (M_п) – момент при s=1 (n₂=0).
• Минимальный момент (M_min) – может наблюдаться в области малых скольжений у некоторых типов двигателей.
• Максимальный (критический) момент (M_max) – пиковое значение, которое двигатель может развить, не выпадая из синхронизма. Перегрузочная способность λ = M_max / M_ном обычно лежит в пределах 1.8-3.0.

Таблица 1. Типовые параметры асинхронных двигателей серии АИР (основные габариты)

Мощность, кВт	Синхронная частота, об/мин (3000)	Синхронная частота, об/мин (1500)	КПД, %, ном.	cos φ, ном.	Пусковой ток / Iном
0.75	80.5	75.0	0.83	5.5	5.5
5.5	87.5	85.5	0.86	7.0	7.0
22	90.0	90.0	0.89	7.5	7.5
75	93.0	93.0	0.90	6.5	6.5
160	94.5	94.0	0.92	6.5	6.5

Пусковые свойства

АДКЗ обладают большим пусковым током (I_п / I_ном = 5-8). Пусковой момент при прямом включении в сеть обычно составляет M_п / M_ном = 1.2-2.0. Для снижения пускового тока и плавного разгона применяют специальные схемы пуска: переключение обмотки статора со «звезды» на «треугольник», использование устройств плавного пуска (УПП) или частотных преобразователей (ЧП).

Классификация и серии двигателей

АДКЗ классифицируют по ряду признаков:

• По мощности: малой (до 15 кВт), средней (15-250 кВт), большой (свыше 250 кВт).
• По напряжению питания:</strong низковольтные (220/380, 380/660 В) и высоковольтные (3, 6, 10 кВ).
• По степени защиты (IP): IP54 (защита от пыли и брызг), IP55 (защита от струй воды), IP23 (защита от капель).
• По способу охлаждения: IC 411 (самовентиляция), IC 416 (принудительное охлаждение).
• По климатическому исполнению: У, УХЛ (умеренный и холодный климат), Т (тропический).

В России и странах СНГ наиболее распространены двигатели серий АИР (АИРМ, АИРЕ). Ранее использовались серии 4А, 5А, АИ. В Европе распространены серии по стандарту IEC (например, M2BA, M3AA от ABB, 1LE1 от Siemens).

Способы регулирования частоты вращения

Естественная механическая характеристика АДКЗ жесткая, а регулирование скорости традиционными методами затруднено. Основные способы:

• Изменение числа пар полюсов (p) – ступенчатое регулирование. Реализуется в многоскоростных двигателях (например, 2-х, 4-х скоростных).
• Изменение скольжения (s) – путем изменения напряжения на статоре. Неэффективно, приводит к большим потерям в роторе.
• Изменение частоты питающего напряжения (f) – наиболее эффективный и современный способ. Осуществляется с помощью частотного преобразователя, позволяет плавно регулировать скорость в широком диапазоне с высоким КПД.
• Введение добавочного сопротивления в цепь ротора – применимо только для двигателей с фазным ротором, для АДКЗ не используется.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Простота конструкции и, как следствие, низкая стоимость изготовления.
• Высокая надежность и долговечность, обусловленная отсутствием скользящих электрических контактов (щеток).
• Относительно высокий КПД и cos φ в номинальном режиме работы.
• Простота эксплуатации и обслуживания.
• Возможность прямого подключения к сети переменного тока без дополнительных преобразователей.

Недостатки:

• Большой пусковой ток (в 5-8 раз превышает номинальный).
• Ограниченные возможности по регулированию частоты вращения без применения частотных преобразователей.
• Чувствительность к колебаниям напряжения в сети. Снижение напряжения на 10% приводит к снижению момента на 19%.
• Сравнительно низкий cos φ при работе с недогрузкой и на холостом ходу.
• Пусковой момент у двигателей с обычной клеткой может быть недостаточным для тяжелых пусковых условий.

Области применения

АДКЗ являются основным приводом для подавляющего большинства промышленных механизмов: насосов, вентиляторов, компрессоров, конвейеров, станков, транспортеров, смесителей, лебедок и др. Конкретное исполнение двигателя выбирается в зависимости от условий работы. Например, для насосов и вентиляторов часто используют двигатели с повышенным скольжением, для механизмов с тяжелыми условиями пуска – двигатели с глубоким пазом или двойной клеткой (серии АИРС, АИРК).

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Чем отличается двигатель с короткозамкнутым ротором от двигателя с фазным ротором?

Ключевое отличие – в конструкции ротора. У АДКЗ роторная обмотка выполнена в виде беличьей клетки и не имеет выводов. У двигателя с фазным ротором (АДФР) на роторе расположена трехфазная обмотка, соединенная в звезду, выводы которой подключены к контактным кольцам. Это позволяет вводить в цепь ротора добавочные сопротивления для улучшения пусковых характеристик или регулирования скорости. АДФР сложнее, дороже и менее надежен из-за наличия щеточного аппарата.

2. Как правильно выбрать мощность асинхронного двигателя?

Мощность выбирается по максимальной длительной нагрузке на валу механизма с учетом режима работы (S1 – продолжительный, S3 – повторно-кратковременный и т.д.). Необходимо обеспечить небольшой запас (10-15%) для надежной работы. Важно учитывать условия пуска: для механизмов с тяжелым пуском (например, мельницы) может потребоваться двигатель с повышенным пусковым моментом или большей мощности.

3. Почему асинхронный двигатель сильно греется?

Повышенный нагрев может быть вызван несколькими причинами: работа с перегрузкой; несимметрия фазных напряжений (перекос фаз); завышенное или заниженное напряжение сети; повышенное сопротивление цепи из-за плохих контактов; забитые вентиляционные каналы; неисправность системы охлаждения; износ подшипников. Длительная работа при температуре, превышающей класс нагревостойкости изоляции, резко сокращает срок службы двигателя.

4. Что такое класс изоляции и как он влияет на работу двигателя?

Класс изоляции определяет максимально допустимую температуру нагрева обмоток. Основные классы: B (130°C), F (155°C), H (180°C). Выбор класса влияет на габариты и перегрузочную способность двигателя. Двигатель с классом изоляции F при работе в номинальном режиме с нагревом до 120°C будет иметь больший запас по температуре и, следовательно, больший ресурс, чем двигатель класса B при той же температуре.

5. Как влияет несимметрия напряжения на работу АДКЗ?

Несимметрия (перекос) фазных напряжений даже в 3-5% является крайне нежелательным явлением. Она приводит к появлению обратного вращающегося магнитного поля, которое не создает полезного момента, но вызывает дополнительный нагрев ротора и статора, увеличение вибрации и шума. Допустимая несимметрия по ГОСТ не должна превышать 1% при длительной работе и 1.5% при кратковременной.

6. Каковы современные тенденции в развитии АДКЗ?

Основные направления: повышение энергоэффективности (двигатели классов IE3, IE4 по стандарту МЭК 60034-30-1), широкое внедрение частотно-регулируемого привода для экономии энергии, использование улучшенных магнитных материалов (электротехническая сталь с низкими потерями), развитие систем интеллектуального мониторинга состояния (вибрация, температура, анализ токов) для перехода к обслуживанию по фактическому состоянию.

Заключение

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором остается основным преобразователем электрической энергии в механическую в промышленности и инфраструктуре. Его конструкция, непрерывно совершенствуясь, достигла высокой степени оптимизации. Понимание принципов работы, характеристик, преимуществ и ограничений АДКЗ является обязательным для инженерно-технического персонала, занимающегося проектированием, эксплуатацией и ремонтом электропривода. Современные тенденции, такие как повышение энергоэффективности и интеграция с полупроводниковыми преобразователями, открывают новые возможности для этого классического типа электрических машин, обеспечивая его актуальность на десятилетия вперед.