Электродвигатели с короткозамкнутым ротором

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

Электродвигатели с короткозамкнутым ротором (АДКЗ – асинхронный двигатель с короткозамкнутой обмоткой ротора) представляют собой наиболее распространенный тип электрических машин переменного тока в мировой промышленности. Их доля в общем парке электродвигателей превышает 90%. Конструктивная простота, высокая надежность, низкая стоимость и минимальные эксплуатационные расходы обусловили их повсеместное применение для привода насосов, вентиляторов, компрессоров, конвейеров, станков и множества других механизмов.

Устройство и конструктивные особенности

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

Статор

Статор представляет собой полый цилиндр, набранный из изолированных листов электротехнической стали для уменьшения потерь на вихревые токи. В пазах статора уложена трехфазная (реже однофазная) обмотка. При подключении к сети трехфазного тока она создает вращающееся магнитное поле. Конфигурация обмотки (число пар полюсов) определяет синхронную частоту вращения двигателя. Обмотка статора может быть соединена по схеме «звезда» или «треугольник», что позволяет адаптировать двигатель к разным номинальным напряжениям.

Ротор

Ротор также набирается из листов электротехнической стали. В его пазы заливается или запрессовывается обмотка в виде «беличьей клетки» (короткозамкнутой обмотки). Эта обмотка состоит из алюминиевых, реже медных или латунных, стержней, замкнутых накоротко с двух сторон торцевыми кольцами. Нередко в двигателях малой и средней мощности обмотка ротора изготавливается методом литья под давлением, при котором стержни, торцевые кольца и вентиляционные лопатки отливаются как единое целое. Конструкция ротора не имеет скользящих электрических контактов (щеток), что является ключевым фактором надежности.

Принцип действия

При подаче трехфазного напряжения на обмотку статора возникает вращающееся магнитное поле, скорость которого (n1, об/мин) определяется частотой сети (f, Гц) и числом пар полюсов (p): n1 = 60f / p. Это поле, пересекая проводники обмотки ротора, наводит в них электродвижущую силу (ЭДС). Поскольку обмотка ротора замкнута, под действием этой ЭДС в ней возникает ток. Взаимодействие тока в роторе с вращающимся магнитным полем статора создает электромагнитную силу, которая, действуя на стержни ротора, приводит его во вращение. Ротор всегда вращается асинхронно – с частотой (n2) немного меньшей синхронной (n1). Это отставание называется скольжением (s): s = (n1 — n2) / n1

• 100%. При номинальной нагрузке скольжение обычно составляет 2-5%.

Основные характеристики и параметры

Рабочие свойства АДКЗ описываются рядом механических и эксплуатационных характеристик.

Механическая характеристика

Зависимость момента (M) от скольжения (s) или частоты вращения (n) является нелинейной. На графике выделяют ключевые точки:

• Пусковой момент (Mп) – момент при неподвижном роторе (s=1).
• Минимальный момент (Mмин) – может наблюдаться в области малых скольжений.
• Максимальный (критический) момент (Mmax) – максимальный момент, который двигатель может развить без выпадения из синхронизма.
• Номинальный момент (Mн) – момент, соответствующий номинальной мощности на валу при номинальном напряжении и частоте.

Характеристика является жесткой: при изменении нагрузки в широких пределах частота вращения изменяется незначительно.

Пусковые свойства

Пуск АДКЗ сопровождается броском тока (Iп), который в 5-8 раз превышает номинальный ток (Iн). Это может вызывать просадку напряжения в сети. Пусковой момент при прямом включении (без устройств плавного пуска) обычно составляет 1.2-2.0 от номинального. Для снижения пусковых токов применяют схемы пуска: переключение «звезда-треугольник», автотрансформаторный пуск, пуск с помощью устройств плавного пуска (УПП) или частотных преобразователей (ЧП).

Коэффициент полезного действия (КПД)

КПД современных АДКЗ общего назначения достигает 90-97% и зависит от мощности, конструкции и класса энергоэффективности. Потери складываются из электрических (в обмотках), магнитных (в стали), механических (в подшипниках, на вентиляцию) и добавочных.

Классы энергоэффективности (МЭК 60034-30-1)

Стандарт определяет классы от IE1 до IE5. В таблице приведены минимальные требуемые значения КПД для 4-полюсных двигателей мощностью 7.5-375 кВт.

Класс энергоэффективности	Уровень	Примерный диапазон КПД, % (для 7.5-375 кВт)
IE1	Стандартный	87.0 — 95.0
IE2	Повышенный	89.1 — 96.2
IE3	Высокий	90.2 — 96.9
IE4	Сверхвысокий	91.4 — 97.6
IE5	Превосходный	>92.0 — >97.6

Конструктивные исполнения и модификации

Помимо стандартных АДКЗ, существуют специализированные модификации:

• Двигатели с повышенным скольжением: Имеют ротор с обмоткой из материала с повышенным удельным сопротивлением (например, латунь). Обладают «мягкой» механической характеристикой, меньшим пусковым током и способностью работать с частыми пусками/остановами (привод лебедок, ножниц).
• Двигатели с глубокопазным ротором или ротором с двойной клеткой: Используют эффект вытеснения тока (скин-эффект). При пуске ток вытесняется в верхнюю часть паза с высоким сопротивлением, что увеличивает пусковой момент и снижает ток. В рабочем режиме ток распределяется по всему сечению стержня. Эффективное решение для тяжелых пусковых условий.
• Однофазные двигатели с короткозамкнутым ротором: Имеют на статоре две обмотки – основную и пусковую, смещенные на 90 электрических градусов. Для создания вращающегося поля пусковая обмотка подключается через фазосдвигающий элемент (конденсатор, индуктивность или активное сопротивление). Применяются в бытовой технике и маломощных промышленных устройствах.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Простота и надежность конструкции, отсутствие щеточного узла и коллектора.
• Относительно низкая стоимость изготовления и обслуживания.
• Высокий КПД и cos φ в номинальном режиме (для двигателей IE3 и выше).
• Жесткая механическая характеристика, обеспечивающая стабильную скорость при изменении нагрузки.
• Возможность прямого подключения к сети переменного тока без преобразователей.
• Высокая перегрузочная способность по моменту.

Недостатки:

• Большой пусковой ток (5-8 Iн).
• Ограниченные возможности регулирования скорости в базовом исполнении (только изменением числа полюсов, напряжения или частоты через внешние преобразователи).
• Чувствительность к снижению напряжения в сети: момент падает пропорционально квадрату напряжения.
• Относительно низкий cos φ при недогрузке и в двигателях малой мощности.
• Сложность получения высокого пускового момента при ограниченном пусковом токе в базовом исполнении.

Области применения

АДКЗ являются универсальным приводом для установок, не требующих глубокого регулирования скорости в широком диапазоне:

• Насосное оборудование (водоснабжение, водоотведение, теплоэнергетика).
• Вентиляторы и дымососы.
• Компрессоры поршневые и винтовые.
• Конвейерные линии, эскалаторы.
• Станки: токарные, фрезерные, сверлильные (часто в паре с ЧП).
• Подъемно-транспортное оборудование (краны, лебедки) – с использованием специальных модификаций или частотного регулирования.
• Дробилки, мельницы, смесители.

Способы управления и регулирования

Для расширения функциональности АДКЗ применяют следующие системы управления:

• Прямой пуск: Непосредственное подключение к сети через контактор. Простейший, но создающий максимальные пусковые воздействия.
• Устройства плавного пуска (УПП): Позволяют снизить пусковой ток и момент за счет плавного нарастания напряжения на статоре. Защищают механическую передачу от рывков.
• Частотные преобразователи (ЧП, инверторы): Наиболее технологичный способ. Позволяют плавно регулировать скорость в широком диапазоне, осуществлять пуск с заданными параметрами, экономить энергию на нагрузках с переменным расходом (насосы, вентиляторы).
• Переключение «звезда-треугольник»: Пуск при соединении обмотки «звездой» (пониженное фазное напряжение), затем переключение на рабочее соединение «треугольником». Снижает пусковой ток в 3 раза, но и пусковой момент также падает в 3 раза.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем отличается двигатель с короткозамкнутым ротором от двигателя с фазным ротором (АДФР)?

АДФР имеет трехфазную обмотку на роторе, выведенную на контактные кольца. К ней можно подключать пускорегулирующие резисторы или инвертор. Это позволяет получить высокий пусковой момент при умеренном токе и осуществлять регулирование скорости. Однако АДФР сложнее, дороже и менее надежен из-за наличия щеточного узла. АДКЗ проще и надежнее, но его пусковые и регулировочные свойства в базовом исполнении хуже.

Как определить число оборотов двигателя по его маркировке или внешнему виду?

Синхронная частота вращения указывается в наименовании типа (например, АИР160S4: цифра 4 означает число полюсов – 2 пары, что при 50 Гц дает 1500 об/мин). Если маркировка нечитаема, можно приблизительно определить число полюсов, подсчитав осевую длину активной стали статора: при одинаковом диаметре более высокооборотный двигатель (2 полюса, 3000 об/мин) будет короче, чем низкооборотный (6 полюсов, 1000 об/мин).

Почему двигатель сильно нагревается при работе?

Причины перегрева могут быть различны: перегруз по току (механическая перегрузка, заклинивание), несимметрия напряжений питающей сети («перекос фаз»), обрыв одной фазы при работе, ухудшение условий охлаждения (загрязнение вентиляционных каналов, высокая ambient-температура), частые пуски, неправильное соединение обмоток (например, когда для «треугольника» включена «звезда» под полное напряжение). Необходимо проверить ток по фазам, напряжение и состояние системы охлаждения.

Что такое класс изоляции обмотки и как он связан с нагревом?

Класс изоляции (Y, A, E, B, F, H, C) определяет предельно допустимую температуру, которую может выдерживать изоляция обмотки длительное время без ускоренного старения. Например, класс F допускает нагрев до 155°C. Фактический нагрев двигателя складывается из температуры окружающей среды и превышения температуры из-за потерь. Работа на границе класса изоляции сокращает срок службы двигателя в 2 раза на каждые 10°C сверх номинала (правило Монтинга-Паффера).

Как правильно выбрать двигатель для насоса/вентилятора с точки зрения энергоэффективности?

Для нагрузок с длительным временем работы (более 4000 часов в год) экономически целесообразно выбирать двигатели не ниже класса IE3. При использовании совместно с частотным преобразователем для регулирования производительности (изменения расхода/напора) суммарная экономия может быть очень значительной. Следует избегать значительной недогрузки двигателя (<50%), так как при этом его КПД и cos φ резко снижаются.

Можно ли подключить трехфазный двигатель 380В к однофазной сети 220В?

Да, это возможно с использованием фазосдвигающего конденсатора. Однако такая схема приводит к значительной потере мощности (двигатель сможет развить около 50-60% от номинальной трехфазной мощности), ухудшению рабочих характеристик и неравномерному нагреву обмоток. Способ применим только для двигателей малой мощности (обычно до 2.2-3 кВт) в неответственных применениях.

Как влияет несимметрия напряжения питающей сети на работу АДКЗ?

Несимметрия (перекос фаз) даже в 3-4% является крайне нежелательной. Она приводит к появлению обратного вращающегося магнитного поля, которое вызывает дополнительный нагрев, вибрации и снижение развиваемого момента. Токи в фазах становятся неравномерными, и ток в наиболее нагруженной фазе может превысить номинальный даже при нормальной механической нагрузке на валу, что ведет к перегреву и выходу из строя.