Электродвигатели привода асинхронные

Электродвигатели привода асинхронные: конструкция, принцип действия, классификация и применение

Асинхронный электродвигатель (АД) – это электрическая машина переменного тока, в которой ротор вращается с частотой, отличной от частоты вращения магнитного поля статора (отсюда название «асинхронный»). Благодаря простоте конструкции, высокой надежности, низкой стоимости и неприхотливости в эксплуатации асинхронные двигатели составляют основу современного электропривода, потребляя более 60% всей вырабатываемой электроэнергии. Они применяются в промышленности (насосы, вентиляторы, компрессоры, конвейеры, станки), сельском хозяйстве, бытовой технике и на транспорте.

Принцип действия и скольжение

Работа трехфазного асинхронного двигателя основана на явлении вращающегося магнитного поля. При подаче трехфазного напряжения на обмотки статора создается магнитное поле, вращающееся с синхронной частотой n₁ (об/мин). Это поле, пересекая проводники обмотки ротора, наводит в них электродвижущую силу (ЭДС). Поскольку обмотка ротора замкнута (или замкнута через внешние сопротивления), под действием ЭДС в ней возникает ток. Взаимодействие тока в роторе с вращающимся магнитным полем статора создает электромагнитную силу, приводящую ротор во вращение.

Ключевым параметром является скольжение s – относительная разность между частотой вращения поля статора и частотой вращения ротора:

s = (n₁ — n₂) / n₁, где n₁ – синхронная частота, n₂ – частота ротора.

Скольжение выражается в долях единицы или процентах. В режиме двигателя оно изменяется от 1 (при пуске, n₂=0) до значения, близкого к 0 (в режиме холостого хода). Номинальное скольжение для большинных двигателей средней и большой мощности составляет 1-5%.

Конструкция асинхронного электродвигателя

Конструктивно асинхронный двигатель состоит из двух основных частей: неподвижного статора и вращающегося ротора.

Статор

Статор включает в себя:

• Корпус (станина): Чугунная или алюминиевая литая конструкция, реже сварная стальная. Служит для крепления активных частей и обеспечения механической прочности.
• Сердечник статора: Набирается из изолированных друг от друга листов электротехнической стали для уменьшения потерь на вихревые токи. В пазы сердечника укладывается обмотка.
• Обмотка статора: Трехфазная (реже однофазная) система катушек, выполненных из изолированного медного или алюминиевого провода. Выводы обмоток соединяются в «звезду» или «треугольник» и выводятся в клеммную коробку.

Ротор

Роторы асинхронных двигателей делятся на два основных типа:

• Ротор с короткозамкнутой обмоткой (короткозамкнутый ротор, «беличья клетка»). Сердечник ротора набран из листов стали, в пазы которых заливается или запрессовывается алюминиевый или медный сплав. Одновременно отливаются замыкающие кольца с торцов и вентиляционные лопатки. Обладает максимальной простотой и надежностью. Недостаток – высокий пусковой ток (в 5-8 раз выше номинального) и ограниченный пусковой момент.
• Ротор с фазной обмоткой (ротор с контактными кольцами). В пазы сердечника укладывается трехфазная обмотка, аналогичная обмотке статора, соединенная в «звезду». Выводы обмотки присоединяются к трем контактным кольцам на валу. С помощью щеточного аппарата в цепь ротора можно вводить дополнительное сопротивление для улучшения пусковых и регулировочных характеристик. Более сложен, дорог и требует обслуживания, но обеспечивает лучшие пусковые свойства.

Классификация и основные характеристики

Асинхронные двигатели классифицируются по ряду признаков:

• По роду тока: Переменного тока (трехфазные и однофазные).
• По типу ротора: С короткозамкнутым ротором (АИР, АИРМ, 5АМ и др.) и с фазным ротором (АК, АКЗ и др.).
• По степени защиты: Открытые (IP00), защищенные (IP23), закрытые обдуваемые (IP44), закрытые обдуваемые с повышенной защитой (IP54), взрывозащищенные (Ex d, Ex e).
• По способу охлаждения: С самовентиляцией (IC 411), с принудительной вентиляцией (IC 416), с водяным охлаждением (IC 81W).
• По способу монтажа: На лапах (IM 1001, IM 1002), фланцевые (IM 2101, IM 3001), комбинированные (IM 2001).
• По климатическому исполнению: У, УХЛ (умеренный и холодный климат), Т (тропический), ОМ (морской).

Таблица 1. Основные технические характеристики асинхронных двигателей общего назначения (серия АИР)

Типоразмер (высота оси вращения, мм)	Мощность, кВт (примерный диапазон)	Синхронная частота, об/мин	КПД, % (среднее значение)	cos φ (среднее значение)	Пусковой ток / Iном
71	0.18 — 0.75	3000/1500	65-75	0.70-0.78	5.0-6.0
132	5.5 — 11	3000/1500	86-88	0.83-0.84	7.0-7.5
160	15 — 18.5	3000/1500	89-90	0.86-0.87	7.0-7.2
225	45 — 55	3000/1500	91.5-92.5	0.88-0.89	6.8-7.0
315	132 — 160	3000/1500	94.0-94.5	0.89-0.90	6.5-6.7

Механическая характеристика и режимы работы

Зависимость момента M на валу от скольжения s (или частоты вращения n₂) называется механической характеристикой двигателя. Она имеет три характерные точки:

• Пусковой момент M_п: Момент при s=1 (ротор неподвижен).
• Минимальный момент M_min: Наименьшее значение момента в процессе разгона.
• Максимальный (критический) момент M_max: Наибольший момент, который двигатель может развить без «опрокидывания» (остановки).

Асинхронный двигатель может работать в трех основных режимах:

• Двигательный режим (0 < s < 1): Ротор вращается в направлении поля, момент – движущий.
• Генераторный режим (s < 0): Ротор вращается быстрее поля (например, под действием нагрузки), двигатель отдает энергию в сеть.
• Режим электромагнитного тормоза (s > 1): Ротор вращается против направления поля, момент – тормозной.

Пуск, регулирование скорости и торможение

Пуск асинхронных двигателей

Методы пуска выбираются исходя из требований к пусковому моменту и ограничению пускового тока.

• Прямой пуск: Непосредственное подключение двигателя на полное напряжение сети. Прост, но вызывает большой бросок тока. Применяется для двигателей малой и средней мощности.
• Пуск при пониженном напряжении:
  • Переключение обмотки статора со «звезды» на «треугольник»: Применим только для двигателей, рассчитанных на работу в «треугольнике». Пусковой ток и момент снижаются в 3 раза.
  • С помощью автотрансформатора или мягкого пускателя (УПП): Плавное нарастание напряжения, эффективное ограничение тока.
• Пуск с добавлением сопротивлений в цепь ротора: Применяется только для двигателей с фазным ротором. Позволяет увеличить пусковой момент при одновременном снижении пускового тока.

Регулирование частоты вращения

Естественная характеристика АД – жесткая, скорость слабо зависит от нагрузки. Регулирование возможно тремя основными способами:

• Изменение числа пар полюсов (p): Ступенчатое регулирование. Двигатели с переключением обмотки (многоскоростные).
• Изменение скольжения (s): Регулируется изменением напряжения на статоре (неэффективно, узкий диапазон) или введением добавочного сопротивления в цепь ротора (для двигателей с фазным ротором, вызывает большие потери).
• Изменение частоты питающего напряжения (f): Наиболее эффективный и современный способ, обеспечивающий широкий диапазон плавного регулирования скорости. Реализуется с помощью частотного преобразователя (ЧП, инвертора).

Таблица 2. Сравнение методов регулирования скорости асинхронного двигателя

Метод регулирования	Диапазон регулирования	Плавность	КПД системы	Область применения
Изменение числа пар полюсов	Ступенчато (2-4 скорости)	Дискретная	Высокий	Вентиляторы, насосы, простые приводы станков
Изменение сопротивления в цепи ротора	До 2:1	Ступенчатая	Низкий (потери в реостате)	Крановые и тяговые электроприводы
Частотное регулирование	До 20:1 и более	Плавная	Высокий (на номинальной скорости)	Точные приводы, системы с переменным расходом, конвейеры

Торможение

Для быстрой остановки двигателя используются:

• Динамическое торможение: Обмотка статора отключается от сети переменного тока и подключается к источнику постоянного тока, создавая неподвижное поле.
• Торможение противовключением: Изменяется порядок чередования фаз на статоре, магнитное поле меняет направление вращения.
• Рекуперативное торможение: Перевод двигателя в генераторный режим с отдачей энергии в сеть (возможно только при использовании частотного преобразователя с возможностью рекуперации).

Подключение и выбор двигателя

Перед подключением необходимо проверить соответствие напряжения сети номинальному напряжению двигателя и правильно соединить обмотки. Для трехфазной сети 380/220 В при номинальном напряжении двигателя 380/660 В обмотки соединяются в «звезду». Для сети 380/220 В и двигателя 220/380 В – в «треугольник».

Выбор двигателя осуществляется по комплексу параметров:

1. Мощность: Должна соответствовать мощности механизма с учетом перегрузочной способности АД. Завышение мощности ведет к снижению КПД и cos φ.
2. Частота вращения: Определяется требованиями технологического процесса.
3. Напряжение и род тока: Соответствие питающей сети.
4. Режим работы (S1-S10): Продолжительный (S1), повторно-кратковременный (S3-S5) и др.
5. Степень защиты (IP): В зависимости от условий окружающей среды.
6. Климатическое исполнение: В соответствии с местом установки.
7. Конструктивное исполнение по способу монтажа (IM).

Эксплуатация, диагностика и ремонт

Основные правила эксплуатации включают контроль температуры подшипников и статора, уровня вибрации, отсутствия посторонних шумов. Диагностика состояния включает:

• Измерение сопротивления изоляции обмоток (мегаомметром).
• Измерение сопротивления обмоток постоянному току (для выявления плохих контактов).
• Анализ виброакустических сигналов.
• Электромагнитный анализ (выявление повреждений ротора, эксцентриситета).

Типовые неисправности: износ подшипников, нарушение изоляции обмоток, обрыв стержней «беличьей клетки», износ щеточного аппарата (для двигателей с фазным ротором).

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Почему асинхронный двигатель при пуске потребляет большой ток?

В момент пуска ротор неподвижен (s=1). Частота тока в роторе максимальна и равна частоте сети, поэтому индуктивное сопротивление ротора велико. Магнитный поток статора создает большую противо-ЭДС. Для ее преодоления и создания необходимого магнитного потока двигатель потребляет из сети ток, в 5-8 раз превышающий номинальный. По мере разгона скольжение уменьшается, частота тока в роторе падает, его индуктивное сопротивление снижается, и ток уменьшается до рабочего значения.

2. В чем принципиальное отличие двигателя с короткозамкнутым ротором от двигателя с фазным ротором?

Основное отличие – в конструкции обмотки ротора и, как следствие, в способе управления пусковыми и рабочими характеристиками. Короткозамкнутый ротор не имеет электрических выводов, его параметры неизменны. Двигатель с фазным ротором позволяет через щеточный аппарат вводить в цепь ротора дополнительные резисторы или другие устройства, что дает возможность плавно регулировать пусковой момент и ток, а также в ограниченных пределах регулировать скорость.

3. Как правильно выбрать схему соединения обмоток статора («звезда» или «треугольник»)?

Схема соединения определяется номинальным напряжением двигателя и линейным напряжением питающей сети. На клеммном щитке двигателя указываются два напряжения через дробь, например, 220/380 В или 380/660 В. Первое значение – это напряжение на фазе обмотки при соединении в «треугольник», второе – при соединении в «звезду». Если напряжение сети соответствует меньшему значению (220 В), обмотки соединяют в «треугольник». Если большему (380 В) – в «звезду». Неправильное соединение (например, «треугольник» в сеть 380 В) приведет к перегреву и выходу двигателя из строя.

4. Что такое коэффициент полезного действия (КПД) и коэффициент мощности (cos φ) асинхронного двигателя и как они связаны с нагрузкой?

КПД (η) – отношение полезной механической мощности на валу к потребляемой из сети электрической мощности. Cos φ – косинус угла сдвига между током и напряжением, характеризующий реактивную (намагничивающую) составляющую мощности. Оба параметра сильно зависят от нагрузки. При холостом ходе КПД равен нулю, cos φ очень низкий (0.1-0.2). С ростом нагрузки КПД и cos φ быстро увеличиваются, достигая максимальных значений при нагрузке, близкой к номинальной (75-100%). При дальнейшей перегрузке КПД начинает снижаться из-за роста потерь. Поэтому для энергоэффективности важно правильно подбирать двигатель по мощности, избегая длительной работы на малой нагрузке.

5. Можно ли использовать трехфазный асинхронный двигатель в однофазной сети 220 В?

Да, это возможно с использованием фазосдвигающих элементов – рабочих конденсаторов. На две обмотки двигателя, соединенные в «треугольник» или «звезду», подается напряжение 220 В напрямую, а третья обмотка подключается через конденсатор, который создает сдвиг фаз, имитирующий третью фазу. Однако при таком подключении мощность двигателя снижается на 30-50%, пусковой момент также падает. Метод применим только для двигателей малой мощности (до 2.2-3 кВт) и некритичных нагрузок (вентиляторы, насосы).

6. Каковы основные преимущества частотного регулирования скорости асинхронного двигателя?

Частотный преобразователь (ЧП) позволяет плавно изменять скорость вращения в широком диапазоне (обычно 1:10 и более) с высоким КПД во всем диапазоне. Основные преимущества: значительная экономия электроэнергии в системах с переменным расходом (насосы, вентиляторы), где мощность пропорциональна кубу скорости; плавный пуск без бросков тока; точное поддержание скорости или момента; возможность реализации сложных законов управления. Недостатки: высокая стоимость, генерирование высших гармоник в сеть, необходимость защиты двигателя от перенапряжений на длинных кабелях.