Электродвигатели асинхронные силовые
Электродвигатели асинхронные силовые: устройство, принцип действия, классификация и эксплуатация
Асинхронный электродвигатель (АД) — это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой не равна (отстает от) частоте вращения магнитного поля статора. Принцип его работы основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора с токами, индуцируемыми этим полем в проводящем роторе. Благодаря простоте конструкции, высокой надежности, низкой стоимости и неприхотливости в обслуживании асинхронные двигатели составляют основу электропривода в промышленности, энергетике, на транспорте и в коммунальном хозяйстве, потребляя более половины всей вырабатываемой электроэнергии.
Принцип действия и конструкция
Работа асинхронного двигателя основана на явлении электромагнитной индукции и возникновении вращающегося магнитного поля. При подаче трехфазного переменного напряжения на обмотки статора создается магнитное поле, вращающееся с синхронной частотой n1 = (60 f) / p, где f — частота сети, Гц; p — число пар полюсов. Это поле пересекает проводники замкнутой обмотки ротора, наводя в них электродвижущую силу (ЭДС). Поскольку обмотка ротора замкнута, под действием ЭДС в ней возникают токи. Взаимодействие токов ротора с вращающимся магнитным полем статора создает электромагнитную силу, которая, действуя на проводники ротора, приводит его во вращение. Ротор всегда вращается асинхронно — с частотой n2, меньшей синхронной n1. Критической характеристикой является скольжение: s = (n1 — n2) / n1 100%.
Конструктивно асинхронный силовой двигатель состоит из двух основных частей: неподвижного статора и вращающегося ротора, разделенных воздушным зазором.
Конструкция статора
Статор включает в себя:
- Корпус (станина): выполняет несущую и защитную функции, обеспечивает отвод тепла. Для двигателей малой и средней мощности изготавливается из алюминиевого сплава, для крупных — из чугуна или сварной стали.
- Сердечник статора</strong: набирается из изолированных друг от друга листов электротехнической стали для уменьшения потерь на вихревые токи. В пазах сердечника укладывается обмотка.
- Обмотка статора: трехфазная (реже однофазная для малых мощностей), выполняется из изолированного медного или алюминиевого провода. Выводы обмоток соединяются в «звезду» или «треугольник» и выводятся в клеммную коробку (борно).
- Подшипниковые щиты: крепятся к корпусу и служат опорами для вала ротора, в них устанавливаются подшипники качения или скольжения.
- Короткозамкнутый ротор (тип «беличья клетка»): сердечник ротора набран из листов стали, в его пазы залиты или запрессованы неизолированные проводники (стержни) из меди или алюминия, замкнутые накоротко с торцов кольцами. Прост, надежен, дешев. Недостаток — высокий пусковой ток (в 5-7 раз выше номинального) и ограниченный пусковой момент.
- Фазный ротор (ротор с контактными кольцами): в пазах сердечника уложена трехфазная обмотка, соединенная в «звезду». Выводы обмотки подключены к трем контактным кольцам на валу. Через щеточный аппарат к кольцам можно подключать пускорегулирующие резисторы или другие устройства. Это позволяет снизить пусковой ток и увеличить пусковой момент, а также осуществлять регулировку скорости в небольших пределах. Более сложен, дорог и требует обслуживания щеточного узла.
- Прямой пуск: подключение на полное напряжение сети. Самый простой, но создает максимальную нагрузку на сеть. Применяется при достаточной мощности сети и нежестких требованиях к пусковому току.
- Пуск при пониженном напряжении: с помощью автотрансформаторов, реакторов, устройств плавного пуска (УПП). УПП на основе тиристоров позволяет плавно наращивать напряжение, снижая пусковой ток и момент.
- Пуск переключением «звезда-треугольник»: применим только для двигателей, рассчитанных на работу в «треугольнике». В начальный момент обмотки включаются «звездой» (фазное напряжение снижается в √3 раз), после разгона переключаются на «треугольник». Пусковой ток снижается в 3 раза, но и пусковой момент также падает в 3 раза.
- Частотное регулирование: с помощью преобразователя частоты (ПЧ). Наиболее эффективный и современный способ, позволяющий плавно регулировать скорость в широком диапазоне с высоким КПД и поддерживать момент. ПЧ формирует напряжение переменной частоты и амплитуды.
- Регулирование изменением числа пар полюсов: используется в многоскоростных двигателях (например, 2-х, 4-х скоростных). Скорость изменяется ступенчато.
- Регулирование введением сопротивления в цепь ротора: применимо только для двигателей с фазным ротором. Позволяет регулировать скорость вниз от номинальной, но связано с большими потерями в реостате и снижением КПД.
- Регулирование изменением напряжения на статоре: с помощью тиристорных регуляторов напряжения. Возможно лишь в узком диапазонов скоростей для вентиляторных нагрузок, так как момент падает пропорционально квадрату напряжения.
- Потери в стали (магнитные потери) в сердечниках статора и ротора от гистерезиса и вихревых токов. Зависят от материала и качества электротехнической стали, частоты и индукции.
- Потери в меди (электрические потери) в обмотках статора и ротора от протекания тока. Зависят от сопротивления обмоток и нагрузки (I²R).
- Механические потери на трение в подшипниках и вентиляцию.
- Добавочные потери от высших гармоник, пульсаций поля и др.
Конструкция ротора
Роторы асинхронных двигателей делятся на два основных типа:
Классификация и основные параметры
Асинхронные двигатели классифицируются по множеству признаков.
| Критерий | Типы | Краткая характеристика |
|---|---|---|
| По роду тока | Переменного тока (трехфазные, однофазные) | Подавляющее большинство промышленных АД — трехфазные. |
| По конструкции ротора | С короткозамкнутым ротором (АИР, А, 5АМ и др.) С фазным ротором (АК, АКЗ, 4АНК и др.) | Короткозамкнутые — наиболее распространены. Фазные — для тяжелых пусков. |
| По степени защиты | IP00, IP23, IP44, IP54, IP55, IP65 и др. | Определяет защиту от проникновения твердых тел и воды. |
| По способу охлаждения | IC 01, IC 0141, IC 0041, IC 06 и др. | От самовентиляции (IC 01) до принудительного охлаждения (IC 06). |
| По климатическому исполнению | У, УХЛ, Т, ОМ, В и др. | Для умеренного, холодного, тропического, морского климата. |
| По монтажному исполнению | IM 1001, IM 1002, IM 3001, IM 3601 и др. | Определяет способ крепления и расположение вала (лапы, фланец, комбинированное). |
| По классу энергоэффективности | IE1 (Standard Efficiency) IE2 (High Efficiency) IE3 (Premium Efficiency) IE4 (Super Premium Efficiency) | Нормируется ГОСТ Р МЭК 60034-30-1 и международными стандартами. Класс IE3 и выше обязателен для многих применений. |
Механические и рабочие характеристики
Важнейшей характеристикой АД является зависимость момента на валу M от скольжения s — механическая характеристика M = f(s). Ее типичный вид для двигателя с короткозамкнутым ротором представлен на графике, где выделяются ключевые точки: пусковой момент Mп, минимальный момент Mmin, максимальный (критический) момент Mmax и номинальный момент Mн. Двигатель устойчиво работает на участке от s=0 до sкр (критического скольжения). Жесткость характеристики определяется конструкцией ротора. Для двигателей с фазным ротором характеристика может изменяться за счет введения резисторов в цепь ротора.
| Мощность, кВт | Синхронная частота, об/мин (при f=50 Гц) | КПД, % (приблизительно) | cos φ (приблизительно) | Пусковой ток / Iном (кратность) |
|---|---|---|---|---|
| 0.55 — 7.5 | 3000, 1500, 1000, 750 | 70 — 88 | 0.70 — 0.82 | 5.0 — 7.0 |
| 11 — 45 | 3000, 1500, 1000 | 88 — 93 | 0.83 — 0.88 | 6.5 — 7.5 |
| 55 — 200 | 3000, 1500, 1000, 750 | 93 — 95 | 0.88 — 0.91 | 6.5 — 7.1 |
| 220 — 1000 | 1500, 1000, 750, 600 | 95 — 97 | 0.89 — 0.92 | 6.0 — 6.8 |
Способы пуска и регулирования скорости
Пуск асинхронного двигателя сопряжен с броском тока. Для двигателей с короткозамкнутым ротором применяют:
Для двигателей с фазным ротором пуск осуществляется путем введения в цепь ротора пускового реостата, что позволяет увеличить пусковой момент и снизить пусковой ток.
Регулирование скорости асинхронного двигателя традиционно сложнее, чем у двигателей постоянного тока. Основные методы:
Энергоэффективность и потери
КПД асинхронного двигателя определяется соотношением полезной мощности на валу к потребляемой из сети. Потери в двигателе складываются из:
Повышение энергоэффективности (классы IE2, IE3, IE4) достигается за счет применения более качественной стали с улучшенными магнитными свойствами, увеличения активных материалов (меди и стали), оптимизации конструкции пазов и воздушного зазора, использования более эффективных систем охлаждения и подшипниковых узлов.
Области применения и выбор двигателя
Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором применяются повсеместно для привода насосов, вентиляторов, компрессоров, конвейеров, станков, вентиляторных и насосных механизмов — везде, где не требуются глубокое регулирование скорости и тяжелые пусковые условия. Двигатели с фазным ротором используются в крановых установках, мельницах, дробилках, экскаваторах, лифтах старой конструкции — там, где необходим высокий пусковой момент и плавный пуск под нагрузкой.
При выборе двигателя учитывают: напряжение и род тока сети, номинальную мощность и режим работы (S1 — продолжительный, S3 — повторно-кратковременный и т.д.), частоту вращения, климатические условия, степень защиты IP, способ монтажа IM, требуемый класс энергоэффективности, а также особенности пуска и возможного регулирования.
Эксплуатация, диагностика и ремонт
Основные правила эксплуатации включают контроль температуры подшипников и корпуса (обычно не выше 80-90°C), вибрации (нормируется по ГОСТ ИСО 10816), уровня шума, тока нагрузки. Необходимо регулярное техническое обслуживание: очистка от пыли, проверка состояния щеточного аппарата у двигателей с фазным ротором, замена смазки в подшипниках согласно регламенту. Диагностика состояния изоляции обмоток (измерение сопротивления мегаомметром) и вибродиагностика подшипников являются ключевыми предиктивными методами для предотвращения аварийных отказов.
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Чем отличается асинхронный двигатель от синхронного?
У синхронного двигателя ротор вращается строго с синхронной частотой магнитного поля статора. Его ротор содержит обмотку возбуждения от источника постоянного тока или постоянные магниты. Синхронные двигатели используются там, где требуется постоянная скорость, независимая от нагрузки, или где необходимо генерировать реактивную мощность для компенсации cos φ. Асинхронный двигатель проще, дешевле, но имеет скольжение и потребляет реактивную мощность из сети.
Как определить мощность двигателя, если шильдик утерян?
Приблизительную мощность можно оценить косвенными методами: по габаритным размерам и массе (сравнивая с каталогами), по току холостого хода и короткого замыкания, путем проведения нагрузочных испытаний. Наиболее точный, но требующий оборудования способ — измерение потребляемой активной мощности при номинальной нагрузке на валу и определение КПД.
Почему двигатель сильно греется даже при номинальной нагрузке?
Возможные причины: повышенное напряжение сети (увеличиваются потери в стали), пониженное напряжение (растут потери в меди для поддержания момента), несимметрия фазных напряжений (явление «перекоса фаз»), высшие гармоники в питающей сети, завышенная нагрузка на валу, ухудшение условий охлаждения (загрязнение ребер корпуса, поломка вентилятора), неисправность подшипников, межвитковое замыкание в обмотке.
Что такое «мягкий пускатель» и когда его необходимо применять?
Устройство плавного пуска (УПП, «мягкий пускатель») — это электронное устройство на основе тиристоров, которое плавно повышает напряжение на двигателе в процессе пуска. Его применение обязательно при ограничениях на пусковой ток в сети, для снижения механических ударов в приводе, для плавного пуска насосов (борьба с гидроударами) и конвейеров. УПП не регулирует скорость в рабочем режиме, в отличие от преобразователя частоты.
Как правильно выбрать между двигателем с классом энергоэффективности IE3 и IE2?
Выбор регламентируется техническими регламентами (ТР ТС 004/2011, ТР ТС 020/2011) и экономическим расчетом. Для большинства двигателей мощностью от 0.75 до 375 кВт, вводимых в обращение на рынке, обязателен класс IE3 (или IE2 в сочетании с ПЧ). С точки зрения эксплуатации, двигатель IE3 имеет более высокий КПД (на 1-3% в зависимости от мощности), что при большом количестве рабочих часов в год дает значительную экономию электроэнергии, несмотря на более высокую первоначальную стоимость. Срок окупаемости обычно составляет 1-3 года.
Можно ли подключить трехфазный асинхронный двигатель в однофазную сеть 220В?
Да, это возможно с использованием фазосдвигающего элемента — пускового или рабочего конденсатора. Однако при этом мощность двигателя на валу снизится примерно на 30-40% от номинальной трехфазной мощности, ухудшатся пусковые характеристики и КПД. Такой способ применяется только для двигателей малой мощности (обычно до 2.2 кВт) в условиях отсутствия трехфазной сети.
Каковы основные причины выхода из строя асинхронных двигателей?
Статистика отказов показывает: около 40% — повреждение изоляции обмоток статора из-за перегрева, старения, перенапряжений; 35% — износ или разрушение подшипников качения; 10% — повреждения обмотки ротора (для короткозамкнутых — обрыв стержней «беличьей клетки»); 5% — износ щеточного аппарата и контактных колец (для фазных); 10% — прочие причины (механические повреждения, попадание влаги, несоосность и т.д.).