Асинхронный двигатель

Асинхронный двигатель — это электрический двигатель переменного тока, в котором частота вращения ротора отличается от частоты вращающегося магнитного поля, создаваемого током в обмотках статора. Относится к классу бесколлекторных машин переменного тока. Название «асинхронный» (от греч. ἀ- — «не» и σύγχρονος — «одновременный») отражает принцип работы: ротор вращается несинхронно с полем статора, отставая от него. Асинхронные двигатели являются наиболее распространённым типом электродвигателей в промышленности и быту благодаря простоте конструкции, надёжности и низкой стоимости.

История

Развитие асинхронного двигателя связано с работами нескольких учёных конца XIX века. В 1888 году итальянский физик Галилео Феррарис опубликовал теоретическое описание вращающегося магнитного поля и предложил конструкцию двухфазного двигателя. В том же году сербский инженер Никола Тесла получил патенты на многофазные электрические машины, включая асинхронный двигатель. Однако практическое воплощение, пригодное для промышленного использования, было создано русским инженером Михаилом Осиповичем Доливо-Добровольским. В 1889 году он разработал трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, а в 1890 году — с фазным ротором. В 1891 году на Международной электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне Доливо-Добровольский продемонстрировал передачу энергии на расстояние 175 км с помощью трёхфазного тока, где асинхронные двигатели использовались в качестве нагрузки. Эти изобретения заложили основу для электрификации промышленности и транспорта.

Устройство и принцип действия

Конструкция

Асинхронный двигатель состоит из двух основных частей: неподвижного статора и вращающегося ротора, разделённых воздушным зазором.

• Статор — внешняя часть двигателя, выполненная из шихтованных листов электротехнической стали (для снижения потерь на вихревые токи). В пазы статора укладываются обмотки, которые подключаются к сети переменного тока. В трёхфазных двигателях обмотки смещены в пространстве на 120° для создания вращающегося магнитного поля.
• Ротор — внутренняя подвижная часть. По конструкции роторы делятся на два основных типа:
• Короткозамкнутый ротор (ротор «беличья клетка»): состоит из сердечника с пазами, в которые залиты алюминиевые или медные стержни, замкнутые накоротко с торцов кольцами. Это наиболее распространённый тип благодаря простоте и отсутствию скользящих контактов.
• Фазный ротор (ротор с контактными кольцами): имеет трёхфазную обмотку, аналогичную обмотке статора, выводы которой соединены с контактными кольцами на валу. Через щётки к кольцам подключаются пусковые или регулировочные резисторы. Применяется в двигателях большой мощности и в приводах, требующих плавного пуска или регулирования частоты вращения.

Принцип действия

При подаче трёхфазного напряжения на обмотки статора в нём возникает вращающееся магнитное поле. Частота вращения этого поля (синхронная частота) определяется по формуле: \[ n_1 = \frac{60f}{p} \] где \( f \) — частота питающей сети (в России 50 Гц), \( p \) — число пар полюсов обмотки статора.

Магнитное поле статора пересекает проводники обмотки ротора и индуцирует в них электродвижущую силу (ЭДС). Поскольку обмотка ротора замкнута (у короткозамкнутого — накоротко, у фазного — через резисторы), в ней возникает ток. Взаимодействие этого тока с магнитным полем статора создаёт электромагнитный момент, который приводит ротор во вращение.

Ротор вращается в направлении вращения поля, но с меньшей частотой. Отставание ротора от поля характеризуется скольжением: \[ s = \frac{n_1 - n_2}{n_1} \] где \( n_2 \) — частота вращения ротора. При пуске \( s = 1 \), при холостом ходе \( s \) близко к нулю (обычно 0,5–5 %). Скольжение обеспечивает наведение ЭДС в роторе; если бы ротор вращался синхронно с полем (\( s = 0 \)), ЭДС бы не индуцировалась, и момент исчез бы.

Классификация

Асинхронные двигатели классифицируются по нескольким признакам:

• По числу фаз питания: однофазные (используются в бытовой технике, имеют пусковую обмотку или конденсатор), двухфазные (редко, применяются в системах автоматики), трёхфазные (наиболее распространены в промышленности).
• По конструкции ротора: с короткозамкнутым ротором (общего назначения, крановые, взрывозащищённые) и с фазным ротором (для тяжёлых пусков и регулирования скорости).
• По способу монтажа: на лапах, на фланце, комбинированные.
• По степени защиты: открытые, защищённые, закрытые (IP54, IP55 и др.), взрывозащищённые.
• По охлаждению: с естественным охлаждением, с принудительным обдувом (вентилятор на валу), с водяным охлаждением.

Характеристики и параметры

Основные технические характеристики асинхронного двигателя:

• Номинальная мощность — механическая мощность на валу при номинальном режиме (от нескольких ватт до десятков мегаватт).
• Номинальное напряжение — напряжение сети, на которое рассчитана обмотка статора (220 В, 380 В, 660 В, 6 кВ, 10 кВ и выше).
• Номинальный ток — ток статора при номинальной нагрузке.
• Синхронная частота вращения — частота вращения магнитного поля (3000, 1500, 1000, 750 об/мин и т.д. при 50 Гц).
• Номинальное скольжение — обычно 1–6 % в зависимости от мощности и конструкции.
• Коэффициент полезного действия (КПД) — отношение полезной механической мощности к потребляемой электрической. Для современных двигателей КПД может достигать 96–97 %.
• Коэффициент мощности (cos φ) — отношение активной мощности к полной. Для асинхронных двигателей cos φ при номинальной нагрузке составляет 0,7–0,9, при холостом ходе — 0,1–0,3.
• Пусковой момент — момент при пуске (s=1). Для короткозамкнутых двигателей обычно 1,5–2,5 от номинального.
• Критический момент — максимальный момент, который может развить двигатель без опрокидывания (обычно 2–3 от номинального).

Применение

Асинхронные двигатели являются основным типом электропривода в промышленности, сельском хозяйстве, строительстве и быту.

• Промышленность: приводы насосов, вентиляторов, компрессоров, конвейеров, станков, дробилок, мельниц, кранов. Для тяжёлых условий применяются двигатели с фазным ротором (например, в прокатных станах).
• Сельское хозяйство: электроприводы зерноочистительных машин, кормодробилок, насосов орошения, доильных аппаратов.
• Транспорт: тяговые двигатели электровозов (вспомогательные машины), электропоездов, трамваев (в ряде систем — с фазным ротором).
• Бытовая техника: стиральные машины (однофазные), пылесосы, холодильники, вентиляторы, кондиционеры.
• Энергетика: приводы питательных насосов, дымососов, вентиляторов градирен на тепловых и атомных электростанциях.

Регулирование частоты вращения

Основной способ регулирования частоты вращения асинхронного двигателя — изменение частоты питающего напряжения с помощью преобразователей частоты (частотных приводов). Это позволяет плавно изменять скорость в широком диапазоне (от 0 до номинальной и выше). Другие методы:

• Изменение числа пар полюсов (ступенчатое регулирование, применяется в многоскоростных двигателях).
• Изменение напряжения статора (ограниченный диапазон, используется в системах с вентиляторной нагрузкой).
• Введение резисторов в цепь ротора (только для двигателей с фазным ротором, неэкономично).

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Простота конструкции и низкая стоимость (особенно с короткозамкнутым ротором).
• Высокая надёжность и долговечность (отсутствие коллектора и щёток).
• Малые габариты и масса по сравнению с двигателями постоянного тока той же мощности.
• Возможность работы в тяжёлых условиях (пыль, влага, взрывоопасные среды) при соответствующем исполнении.
• Простота подключения к сети трёхфазного тока.

Недостатки

• Сложность плавного регулирования частоты вращения без преобразователя частоты.
• Низкий пусковой момент у двигателей с короткозамкнутым ротором (требуются специальные конструкции — с глубоким пазом, двойной клеткой).
• Потребление реактивной мощности (низкий cos φ при недогрузке).
• Зависимость от параметров сети (при снижении напряжения падает момент).

Интересные факты

• Первый в мире трёхфазный асинхронный двигатель мощностью около 100 Вт был создан М. О. Доливо-Добровольским в 1889 году и демонстрировался на выставке в 1891 году.
• Асинхронные двигатели составляют около 80–90 % всех электродвигателей в мире.
• В России и странах СНГ выпускаются серии асинхронных двигателей: 4А, АИР, АД, АДМ, 5А, 6А и др. Наиболее массовая серия — АИР (асинхронные двигатели единой серии России).
• Крупнейшие производители асинхронных двигателей в России: ОАО «Сибэлектромотор» (Томск), ОАО «Владимирский электромоторный завод», ОАО «Московский электромеханический завод имени Владимира Ильича» (МЭЛЗ), ОАО «Ярославский электромашиностроительный завод» (ELDIN).
• В 2010-х годах появились асинхронные двигатели с постоянными магнитами в роторе (гибридные), сочетающие свойства асинхронных и синхронных машин.

Источники

• Копылов И. П. Электрические машины: учебник для вузов. — М.: Высшая школа, 2002.
• Вольдек А. И. Электрические машины. — Л.: Энергия, 1978.
• Доливо-Добровольский М. О. Избранные труды. — М.: Госэнергоиздат, 1948.
• ГОСТ 28330-89. Двигатели асинхронные. Общие технические условия.
• Каталоги серий АИР, 4А, 5А (ОАО «Сибэлектромотор», ОАО «ВЭМЗ»).