Асинхронный электродвигатель

Асинхронный электродвигатель — это электрическая машина переменного тока, в которой частота вращения ротора отличается от частоты вращающегося магнитного поля статора (то есть работает с «асинхронизмом»). Относится к классу электродвигателей, преобразующих электрическую энергию в механическую. Является наиболее распространённым типом двигателей в промышленности и быту благодаря простоте конструкции, надёжности и низкой стоимости.

История

Первые прототипы асинхронных машин были созданы в конце XIX века. В 1888 году итальянский инженер Галилео Феррарис опубликовал теорию вращающегося магнитного поля и построил модель двухфазного асинхронного двигателя. Практически одновременно, в 1889 году, сербско-американский изобретатель Никола Тесла получил патенты на многофазные асинхронные машины.

Однако решающий вклад в создание современного трёхфазного асинхронного двигателя внёс русский учёный Михаил Осипович Доливо-Добровольский. В 1889 году он разработал трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, а в 1890 году — с фазным ротором. Доливо-Добровольский также создал трёхфазный трансформатор и предложил систему трёхфазного тока, которая стала основой мировой электроэнергетики. Первый промышленный образец двигателя мощностью около 100 Вт был продемонстрирован в 1891 году на Международной электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне.

Принцип действия

Работа асинхронного двигателя основана на законе электромагнитной индукции и взаимодействии магнитных полей. При подаче трёхфазного напряжения на обмотки статора в нём возникает вращающееся магнитное поле. Это поле пересекает проводники обмотки ротора, индуцируя в них электродвижущую силу (ЭДС). Поскольку обмотка ротора замкнута (короткозамкнута или через внешние сопротивления), в ней возникает ток. Взаимодействие тока ротора с вращающимся магнитным полем статора создаёт электромагнитный момент, который приводит ротор во вращение.

Ключевой особенностью является то, что ротор всегда вращается медленнее поля статора. Разность частот вращения поля и ротора называется скольжением (s). Скольжение выражается в относительных единицах или процентах и является важнейшим параметром, определяющим режим работы двигателя. При пуске скольжение равно 1 (ротор неподвижен), в номинальном режиме — 0,02–0,06 (2–6%). Если бы ротор вращался синхронно с полем, ЭДС в его обмотке не индуцировалась бы, и момент стал бы равен нулю.

Классификация

Асинхронные двигатели классифицируются по нескольким признакам.

По числу фаз

• Трёхфазные — наиболее распространённый тип, питаются от трёхфазной сети переменного тока.
• Однофазные — используются в бытовой технике (вентиляторы, насосы, стиральные машины). Для создания пускового момента требуют дополнительных элементов (пусковой конденсатор, пусковая обмотка).

По типу ротора

• С короткозамкнутым ротором — обмотка ротора выполнена в виде «беличьей клетки»: алюминиевые или медные стержни, замкнутые накоротко торцевыми кольцами. Прост, дёшев, надёжен, не требует обслуживания. Недостаток — ограниченный пусковой момент.
• С фазным ротором — обмотка ротора трёхфазная, выведена на контактные кольца, через которые в цепь ротора можно включать внешние резисторы или преобразователи. Позволяет регулировать пусковой момент и частоту вращения. Используется в кранах, лебёдках, приводах с тяжёлым пуском.

По способу охлаждения

• С естественным охлаждением (маломощные).
• С принудительным обдувом (вентилятор на валу).
• С жидкостным охлаждением (крупные машины).

По степени защиты

• IP23 — защита от крупных частиц и капель.
• IP44 — защита от брызг и пыли.
• IP54 — полная пылезащита и защита от струй воды.
• Взрывозащищённые исполнения (Ex) — для химической, нефтегазовой промышленности.

Устройство и основные элементы

Конструкция асинхронного двигателя включает две основные части: статор (неподвижная часть) и ротор (вращающаяся часть).

Статор

Состоит из корпуса (чугунного или алюминиевого), сердечника из листов электротехнической стали, в пазы которого уложена трёхфазная обмотка. Обмотка может соединяться в «звезду» или «треугольник» в зависимости от напряжения сети.

Ротор

• Короткозамкнутый ротор: сердечник из листов стали, в пазы которого залит алюминий (или вставлены медные стержни), образующий «беличью клетку».
• Фазный ротор: сердечник с трёхфазной обмоткой, концы которой соединены с контактными кольцами на валу. Через щётки к кольцам подключаются пусковые реостаты или регулирующие устройства.

Подшипниковые щиты

Закрепляются на корпусе с двух сторон, несут подшипники качения (шариковые или роликовые), в которых вращается вал ротора.

Вентилятор

Устанавливается на валу со стороны заднего подшипникового щита для охлаждения двигателя.

Характеристики и параметры

Основные технические характеристики асинхронного двигателя:

• Номинальная мощность (Pн) — механическая мощность на валу при номинальном режиме (кВт).
• Номинальное напряжение (Uн) — линейное напряжение сети (220, 380, 660 В и др.).
• Номинальная частота тока (f) — 50 Гц (в России и Европе) или 60 Гц (в США).
• Номинальная частота вращения (nн) — число оборотов ротора в минуту при номинальной нагрузке.
• Коэффициент полезного действия (КПД) — отношение полезной механической мощности к потребляемой электрической. Для современных двигателей мощностью от 1 кВт составляет 70–95%.
• Коэффициент мощности (cos φ) — отношение активной мощности к полной. Обычно 0,7–0,9 при номинальной нагрузке, снижается при малых нагрузках.
• Пусковой момент (Mп) — момент при пуске, обычно 1,5–2,5 от номинального.
• Критический момент (Mкр) — максимальный момент, который может развить двигатель без опрокидывания.
• Скольжение (s) — относительная разность частот вращения поля и ротора.

Применение

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором являются основным типом привода в большинстве отраслей промышленности и быту:

• Промышленность: приводы насосов, вентиляторов, компрессоров, конвейеров, станков, дробилок, мельниц.
• Сельское хозяйство: электроприводы зерноочистительных машин, кормораздатчиков, доильных аппаратов, насосных станций.
• Строительство: бетономешалки, подъёмники, лебёдки, вибраторы.
• Бытовая техника: стиральные машины, холодильники, пылесосы, кухонные комбайны, вентиляторы, кондиционеры.
• Транспорт: электроприводы вспомогательных механизмов тепловозов, электровозов, трамваев, троллейбусов.
• Энергетика: приводы питательных насосов, дымососов, вентиляторов градирен.

Двигатели с фазным ротором применяются там, где требуются высокий пусковой момент и плавный пуск: в крановых механизмах, экскаваторах, металлургических агрегатах, мощных дробилках.

Регулирование частоты вращения

Традиционно асинхронные двигатели считались нерегулируемыми, однако с развитием силовой электроники появилась возможность плавного регулирования частоты вращения с помощью частотных преобразователей. Частотный преобразователь изменяет частоту и напряжение питающей сети, что позволяет менять скорость вращения магнитного поля статора и, соответственно, ротора. Современные частотно-регулируемые приводы (ЧРП) обеспечивают диапазон регулирования до 1:100 и выше, поддерживают постоянство момента на валу и позволяют реализовать энергосберегающие режимы.

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Простота конструкции и низкая стоимость (особенно с короткозамкнутым ротором).
• Высокая надёжность и долговечность (отсутствие коллектора и щёток).
• Низкие эксплуатационные расходы.
• Широкий диапазон мощностей (от нескольких ватт до десятков мегаватт).
• Возможность работы в агрессивных средах и взрывоопасных зонах (в специальном исполнении).

Недостатки

• Сложность плавного регулирования частоты вращения без частотного преобразователя.
• Большой пусковой ток (в 5–7 раз превышает номинальный).
• Сравнительно низкий пусковой момент (особенно у двигателей с короткозамкнутым ротором).
• Зависимость от качества питающего напряжения.
• Низкий коэффициент мощности при малых нагрузках.

Интересные факты

• Асинхронные двигатели составляют около 90% всех электродвигателей, используемых в мире.
• Крупнейшие асинхронные двигатели мощностью до 20 МВт применяются в приводах шаровых мельниц и цементных печей.
• В России и странах СНГ серийный выпуск асинхронных двигателей начался в 1920-е годы на заводе «Электросила» (Санкт-Петербург).
• Современные двигатели с короткозамкнутым ротором могут работать без обслуживания десятки лет, если не перегружать их и не допускать попадания влаги.

Источники

• Копылов И. П. «Электрические машины» — учебник для вузов, 5-е издание, 2006.
• Вольдек А. И., Попов В. В. «Электрические машины. Введение в электромеханику. Машины переменного тока» — учебник, 2010.
• ГОСТ 28330-89 «Двигатели асинхронные. Общие технические условия».
• Кацман М. М. «Электрические машины» — учебное пособие, 2013.
• История развития асинхронных двигателей — материалы музея истории электротехники (СПбГЭТУ «ЛЭТИ»).