Электродвигатели привода переменного тока

Электродвигатели привода переменного тока: классификация, принцип действия, характеристики и области применения

Электродвигатели переменного тока (АД) представляют собой электромеханические преобразователи, в которых электрическая энергия переменного тока трансформируется в механическую энергию вращения. Они являются основным типом приводного оборудования в промышленности, энергетике, на транспорте и в коммунальном хозяйстве благодаря своей надежности, простоте конструкции и непосредственному подключению к сетям переменного тока.

1. Классификация электродвигателей переменного тока

Электродвигатели переменного тока подразделяются по нескольким ключевым признакам.

1.1. По принципу действия и конструкции:

• Асинхронные двигатели (АД) с короткозамкнутым ротором (АДКЗ). Ротор выполнен в виде «беличьей клетки». Наиболее распространенный тип благодаря простоте, низкой стоимости и высокой надежности.
• Асинхронные двигатели с фазным ротором (АДФР). Ротор имеет трехфазную обмотку, выведенную на контактные кольца. Позволяет вводить в цепь ротора добавочные сопротивления для регулировки пускового момента и скорости.
• Синхронные двигатели (СД). Частота вращения ротора строго равна частоте вращения магнитного поля статора (синхронная скорость). Используются для привода мощных насосов, компрессоров, генераторов, а также в качестве компенсаторов реактивной мощности.
• Коллекторные двигатели переменного тока (например, однофазные сериесные). Имеют щеточно-коллекторный узел. Применяются реже из-за сложности обслуживания, в основном в бытовом электроинструменте.

1.2. По роду питающей сети:

• Трехфазные двигатели (напряжение 380/660 В, 3000 В, 6000 В, 10000 В). Основной тип для промышленного привода.
• Однофазные двигатели (напряжение 220 В). Применяются в маломощных установках, бытовой технике. Требуют пусковых элементов (конденсаторов, дополнительной обмотки).

1.3. По степени защиты (IP) и способу охлаждения (IC):

• Открытые (IP20, IP23).
• Закрытые обдуваемые (IP54, IP55).
• Взрывозащищенные (Ex d, Ex e, Ex n).
• С самовентиляцией (IC 411) или независимым охлаждением (IC 416).

2. Устройство и принцип действия асинхронного двигателя

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

Статор включает в себя корпус, сердечник из электротехнической стали с пазами и трехфазную (реже однофазную) обмотку. При подключении обмотки статора к сети трехфазного тока создается вращающееся магнитное поле с синхронной частотой n1 (об/мин):

n1 = (60

• f) / p, где f – частота сети (Гц), p – число пар полюсов обмотки статора.

Ротор АДКЗ представляет собой сердечник с короткозамкнутой обмоткой – алюминиевые или медные стержни, замкнутые с торцов кольцами. В АДФР в пазы ротора уложена трехфазная обмотка, соединенная звездой, концы которой выведены на контактные кольца.

Вращающееся поле статора пересекает проводники ротора, наводя в них ЭДС. Поскольку обмотка ротора замкнута, под действием ЭДС в ней возникает ток. Взаимодействие тока ротора с магнитным полем статора создает электромагнитную силу, приводящую ротор во вращение. Частота вращения ротора n2 всегда меньше синхронной частоты n1 (отсюда название «асинхронный»). Разность этих частот характеризуется скольжением s:

s = [(n1 — n2) / n1]

• 100%.

В номинальном режиме скольжение составляет 1-5%.

3. Основные характеристики и параметры

При выборе электродвигателя для привода анализируются его механические и энергетические характеристики.

3.1. Механическая характеристика M = f(s)

Зависимость момента двигателя от скольжения. Ключевые точки:

• Пусковой момент (Mп) – момент при неподвижном роторе (s=1).
• Минимальный момент (Mmin) – может быть в процессе разгона.
• Максимальный (критический) момент (Mmax) – максимальный момент, который двигатель может развить без «опрокидывания».
• Номинальный момент (Mн) – момент при номинальной мощности и скорости.

3.2. Рабочие характеристики: n2, M, I1, cos φ, η = f(P2)

Зависимости параметров двигателя от полезной мощности на валу.

Параметр	Изменение при росте нагрузки (P2)	Примечание
Скорость вращения n2	Незначительно снижается	Жесткая характеристика
Потребляемый ток I1	Возрастает почти линейно	При перегрузке рост ускоряется
Коэффициент мощности cos φ	Возрастает до номинала, затем стабилизируется	На холостом ходу очень низкий (0.1-0.2)
КПД (η)	Быстро растет, максимум при 75-100% нагрузки, затем медленно снижается	Важно выбирать двигатель, близкий по мощности к нагрузке

3.3. Номинальные данные (маркировка на шильдике)

• Мощность (Pн) – полезная механическая мощность на валу, кВт.
• Напряжение (Uн) и схема соединения обмоток (звезда/треугольник), В.
• Ток (Iн) – потребляемый при номинальной нагрузке, А.
• Частота вращения (nн) – при номинальной нагрузке, об/мин.
• КПД (ηн) – коэффициент полезного действия, %.
• cos φн – коэффициент мощности.
• Класс изоляции (B, F, H) – определяет допустимый перегрев.
• Степень защиты (IP) и способ охлаждения (IC).

4. Способы пуска и регулирования скорости

4.1. Пуск асинхронных двигателей

Основная задача – ограничить пусковые токи, которые в 5-8 раз превышают номинальные.

• Прямой пуск. Непосредственное подключение к сети. Просто, но вызывает просадку напряжения в сети. Применяется для двигателей малой и средней мощности.
• Пуск переключением «звезда-треугольник». Применим для двигателей, рассчитанных на работу в треугольнике при сетевом напряжении. Пусковой ток снижается в 3 раза, но и пусковой момент падает в 3 раза.
• Пуск через устройство плавного пуска (УПП). Плавное нарастание напряжения на статоре с помощью симисторов. Эффективное ограничение тока и момента.
• Пуск с помощью частотного преобразователя (ЧП). Наиболее технологичный способ, позволяющий не только плавно запустить, но и регулировать скорость.
• Пуск в двигателях с фазным ротором. В цепь ротора последовательно вводятся ступени пускового реостата, что позволяет увеличить пусковой момент и снизить ток.

4.2. Регулирование скорости вращения

Базовая скорость АД определяется формулой n2 = (60f/p)(1-s). Следовательно, регулировать скорость можно тремя способами:

• Изменением частоты питающего напряжения (частотное регулирование). Осуществляется с помощью преобразователя частоты (ПЧ). Наиболее эффективный и экономичный способ, обеспечивающий широкий диапазон регулирования с высоким КПД и поддержанием момента. Современные векторные алгоритмы управления в ПЧ позволяют добиться точности и быстродействия, близких к приводам постоянного тока.
• Изменением числа пар полюсов (полевое регулирование). Используются специальные многоскоростные двигатели с переключаемыми обмотками. Регулирование ступенчатое (2-4 скорости).
• Изменением скольжения (для АДФР). Путем изменения сопротивления в цепи ротора. Способ неэкономичен, так как потери мощности выделяются в реостате. Применяется редко, в основном для кратковременных режимов.

5. Синхронные двигатели: особенности и применение

Синхронный двигатель отличается конструкцией ротора, который содержит либо обмотку возбуждения, питаемую постоянным током (через щетки или бесщеточную систему), либо постоянные магниты (двигатели с постоянными магнитами, PMSM).

Принцип действия: Вращающееся магнитное поле статора, созданное трехфазным током, «захватывает» магнитное поле ротора, заставляя его вращаться строго синхронно. Пуск осуществляется обычно в асинхронном режиме с помощью пусковой короткозамкнутой обмотки на роторе (демпферной обмотки).

Преимущества:

• Постоянная скорость вращения, не зависящая от нагрузки.
• Возможность работы с опережающим cos φ, то есть в качестве компенсатора реактивной мощности, разгружая сеть.
• Высокий КПД, особенно у двигателей с постоянными магнитами.
• Большая перегрузочная способность по моменту.

Недостатки: Более сложная и дорогая конструкция, необходимость источника постоянного тока для возбуждения (кроме PMSM), сложность пуска.

Область применения: Привод мощных насосов, вентиляторов, компрессоров, мельниц, генераторов в дизель-генераторных установках, высокоточные сервоприводы (PMSM).

6. Критерии выбора электродвигателя для привода

• Мощность и скорость. Двигатель должен иметь номинальную мощность, достаточную для покрытия нагрузки с учетом возможных кратковременных перегрузок. Необходимо согласовать скорость двигателя и рабочего механизма (через редуктор или напрямую).
• Род сети и напряжение.
• Режим работы (S1 – продолжительный, S2 – кратковременный, S3 – повторно-кратковременный и т.д.).
• Климатические условия и место установки (определяют степень защиты IP и категорию размещения).
• Требования к пуску (величина пускового момента, ограничение тока).
• Требования к регулированию скорости (диапазон, точность, плавность).
• Энергоэффективность. Классы КПД согласно МЭК 60034-30-1: IE1 (стандартный), IE2 (повышенный), IE3 (премиум), IE4 (суперпремиум). Использование двигателей высоких классов окупается за счет экономии электроэнергии.

7. Области применения в энергетике и промышленности

• Энергетика: Привод питательных, циркуляционных, сетевых насосов, дутьевых вентиляторов и дымососов на ТЭЦ и АЭС. Двигатели на напряжение 6 и 10 кВ большой мощности (до десятков МВт).
• Нефтегазовая промышленность: Привод насосов для перекачки нефти и воды, компрессоров газоперекачивающих станций, буровых лебедок.
• Горнодобывающая промышленность: Привод конвейеров, дробилок, мельниц, шахтных подъемников и вентиляторов главного проветривания.
• Машиностроение и металлургия: Привод станков, прессов, кранов, рольгангов, вентилей и задвижек.
• Водоснабжение и водоотведение: Привод насосов на очистных сооружениях и насосных станциях.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Что лучше выбрать: асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором или с фазным ротором?

АДКЗ проще, дешевле и надежнее. АДФР выбирают в случаях тяжелых пусковых условий (необходимость высокого пускового момента при ограниченном пусковом токе) или при необходимости небольшого регулирования скорости вентиляторного типа на устаревшем оборудовании. В современных системах с частотным преобразователем АДФР практически не применяется.

2. Почему двигатель при пуске «выбивает» автомат или срабатывает защита?

Наиболее вероятные причины: слишком высокий пусковой ток для уставки защиты (неправильный расчет защиты), пониженное напряжение в сети (ток еще выше), несоответствие типа защиты характеру пуска (например, мгновенный расцепитель автомата), неисправность двигателя (межвитковое замыкание, задевание ротора). Необходимо проверить настройки защит и состояние двигателя, рассмотреть возможность применения УПП или ЧП.

3. Как определить, можно ли подключить трехфазный двигатель 380/660 В к сети 380 В в «треугольник» или «звезду»?

По данным на шильдике. Если указано «Δ/Y 380/660 В», это означает, что для работы в сети 380 В обмотки статора должны быть соединены в «треугольник». Для сети 660 В – в «звезду». Подключение в «звезду» в сеть 380 В приведет к недогрузке двигателя по мощности (момент упадет в 3 раза).

4. В чем преимущество использования частотного преобразователя помимо регулировки скорости?

• Плавный пуск с ограничением тока и момента, что снижает механические и электрические перегрузки.
• Экономия электроэнергии на насосно-вентиляторных нагрузках за счет снижения скорости.
• Возможность реализации сложных алгоритмов управления (ПИД-регулирование, синхронизация нескольких приводов).
• Встроенные функции защиты двигателя (от перегрузки, перекоса фаз, замыкания на землю).

5. Что такое класс изоляции и как он связан с нагревом двигателя?

Класс изоляции (B, F, H) определяет термостойкость изоляционных материалов обмотки. Каждому классу соответствует предельно допустимая температура. Например, класс F допускает нагрев до 155°C. Выбор класса влияет на габариты и перегрузочную способность. Двигатель с классом изоляции F может дольше работать в перегрузочном режиме по сравнению с классом B при тех же габаритах.

6. Почему важно учитывать режим работы (S1, S2, S3)?

Режим работы определяет тепловую нагрузку на двигатель. Двигатель, рассчитанный на продолжительный режим S1, в повторно-кратковременном режиме S3 может быть нагружен мощностью выше номинальной, так как успевает охладиться в паузах. Неправильный учет режима ведет к перегреву и выходу из строя либо к неоправданному завышению мощности и стоимости.

7. Как бороться с низким коэффициентом мощности (cos φ) группы асинхронных двигателей?

Основные методы: использование синхронных двигателей в качестве компенсаторов, установка статических конденсаторных установок (батарей конденсаторов) на шинах РУ, применение частотных преобразователей с активными корректорами коэффициента мощности на входе. Компенсация реактивной мощности снижает потери в сети и позволяет использовать полную мощность трансформаторов.

Заключение

Электродвигатели переменного тока, являясь основой современного электропривода, представляют собой сложное и многогранное семейство оборудования. Правильный выбор типа, мощности и способа управления двигателем напрямую влияет на энергоэффективность, надежность и экономическую целесообразность технологического процесса. Современные тенденции направлены на широкое внедрение частотно-регулируемого привода на базе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором и двигателей с постоянными магнитами, что позволяет достичь максимальной гибкости управления и значительной экономии энергоресурсов. Понимание принципов работы, характеристик и условий эксплуатации различных типов электродвигателей является обязательным для специалистов, занимающихся проектированием, монтажом и обслуживанием электротехнических и энергетических систем.