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.
АДКЗ состоит из двух основных частей: неподвижного статора и вращающегося ротора, разделенных воздушным зазором.
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 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.
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
Рабочие свойства АДКЗ описываются рядом механических и эксплуатационных характеристик.
Зависимость момента (M) от скольжения (s) или частоты вращения (n) является нелинейной. На графике выделяют ключевые точки:
Характеристика является жесткой: при изменении нагрузки в широких пределах частота вращения изменяется незначительно.
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).
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.
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 |
Помимо стандартных АДКЗ, существуют специализированные модификации:
Преимущества:
Недостатки:
АДКЗ являются универсальным приводом для установок, не требующих глубокого регулирования скорости в широком диапазоне:
Для расширения функциональности АДКЗ применяют следующие системы управления:
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.
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).
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.
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).
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.
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.
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.