Трёхфазный асинхронный двигатель

Трёхфазный асинхронный двигатель — это электрическая машина переменного тока, преобразующая электрическую энергию в механическую, в которой частота вращения ротора не равна частоте вращения магнитного поля статора (отстаёт от неё). Относится к классу асинхронных машин и является наиболее распространённым типом электродвигателей в промышленности и сельском хозяйстве благодаря простоте конструкции, надёжности и низкой стоимости.

История

Развитие трёхфазного асинхронного двигателя неразрывно связано с именем русского инженера Михаила Осиповича Доливо-Добровольского. В 1888 году он, работая в компании AEG (Германия), создал первый практически пригодный трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. В 1889 году он усовершенствовал конструкцию, предложив ротор с фазной обмоткой («ротор с контактными кольцами»), что позволило регулировать пусковой момент и частоту вращения. Первый трёхфазный асинхронный двигатель Доливо-Добровольского имел мощность около 100 Вт и КПД около 75%. В 1891 году на Международной электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне была продемонстрирована линия электропередачи трёхфазного тока протяжённостью 175 км, на которой использовались асинхронные двигатели Доливо-Добровольского. Это событие положило начало широкому внедрению трёхфазных систем в промышленность.

Принцип действия

Принцип работы асинхронного двигателя основан на явлении электромагнитной индукции и взаимодействии вращающегося магнитного поля статора с токами, индуцируемыми в обмотке ротора.

Вращающееся магнитное поле статора

При подаче трёхфазного переменного тока на обмотки статора, расположенные под углом 120° друг к другу, в сердечнике статора создаётся вращающееся магнитное поле. Частота вращения этого поля (синхронная частота) определяется по формуле:

\[ n_1 = \frac{60 \cdot f}{p} \]

где:

• \( n_1 \) — синхронная частота вращения, об/мин;
• \( f \) — частота питающей сети, Гц (в России — 50 Гц);
• \( p \) — число пар полюсов обмотки статора.

Для стандартной сети 50 Гц синхронные частоты составляют: 3000 об/мин (p=1), 1500 об/мин (p=2), 1000 об/мин (p=3), 750 об/мин (p=4) и т.д.

Взаимодействие поля и ротора

Вращающееся магнитное поле статора пересекает проводники обмотки ротора и индуцирует в них ЭДС. Поскольку обмотка ротора замкнута (накоротко или через внешние сопротивления), в ней возникает ток. Взаимодействие этого тока с магнитным полем статора создаёт электромагнитный момент, который приводит ротор во вращение.

Скольжение

Ротор всегда вращается с частотой \( n_2 \), меньшей, чем синхронная частота поля \( n_1 \). Отставание ротора от поля характеризуется величиной скольжения \( s \):

\[ s = \frac{n_1 - n_2}{n_1} \]

Скольжение выражается в долях единицы или в процентах. В номинальном режиме скольжение составляет 1–8% (в зависимости от мощности и конструкции двигателя). При пуске \( s = 1 \) (ротор неподвижен), при идеальном холостом ходе \( s \to 0 \). Если ротор разогнать выше синхронной частоты (\( s < 0 \)), двигатель переходит в генераторный режим (рекуперативное торможение).

Устройство

Конструктивно трёхфазный асинхронный двигатель состоит из двух основных частей: неподвижного статора и вращающегося ротора.

Статор

Статор представляет собой полый цилиндр, набранный из листов электротехнической стали (шихтованный сердечник) для уменьшения потерь на вихревые токи. В пазы сердечника укладывается трёхфазная обмотка, выполненная из медного или алюминиевого провода. Обмотка статора соединяется в «звезду» или «треугольник» в зависимости от напряжения сети и требуемых пусковых характеристик.

Ротор

Различают два основных типа ротора:

1. Короткозамкнутый ротор (ротор «беличья клетка»):

• Сердечник ротора также набирается из листов стали.
• В пазы сердечника заливается алюминий (или медь для мощных двигателей), образуя стержни, которые с двух сторон замыкаются короткозамыкающими кольцами. Конструкция напоминает беличье колесо.
• Преимущества: простота, надёжность, низкая стоимость, отсутствие скользящих контактов.
• Недостатки: большой пусковой ток (в 5–7 раз выше номинального), ограниченные возможности регулирования частоты вращения.

1. Фазный ротор (ротор с контактными кольцами):

• Обмотка ротора выполняется из изолированного провода и имеет три фазы, соединённые в «звезду».
• Выводы обмотки ротора подключаются к трём контактным кольцам, закреплённым на валу. Через щётки, скользящие по кольцам, в цепь ротора можно включать внешние резисторы (пусковые или регулировочные).
• Преимущества: возможность плавного пуска с большим пусковым моментом и ограничением пускового тока, возможность регулирования частоты вращения в небольших пределах.
• Недостатки: более сложная и дорогая конструкция, необходимость обслуживания щёточно-кольцевого узла.

Корпус и подшипники

Корпус двигателя (станина) изготавливается из чугуна, алюминия или стали. Он служит для крепления статора и защиты внутренних частей. На корпусе часто имеются рёбра для улучшения охлаждения. Вал ротора вращается в подшипниках качения (шариковых или роликовых), установленных в подшипниковых щитах.

Классификация

Трёхфазные асинхронные двигатели классифицируются по нескольким признакам:

• По типу ротора: с короткозамкнутым ротором, с фазным ротором.
• По степени защиты: IP23 (открытое исполнение), IP44 (защищённое от брызг и пыли), IP54 (пылевлагозащищённое), IP55 (струезащищённое) и др.
• По способу охлаждения: IC01 (естественное), IC411 (с вентилятором на валу), IC416 (с независимым вентилятором) и др.
• По числу полюсов: 2-полюсные (3000 об/мин), 4-полюсные (1500 об/мин), 6-полюсные (1000 об/мин), 8-полюсные (750 об/мин) и т.д.
• По монтажному исполнению: IM1001 (на лапах), IM3001 (фланцевое), IM2001 (комбинированное — на лапах с фланцем) и др.
• По назначению: общего назначения, крановые, взрывозащищённые, погружные, для лифтов и т.д.

Характеристики

Основные характеристики трёхфазного асинхронного двигателя:

• Номинальная мощность \( P_2 \) — механическая мощность на валу при номинальном режиме.
• Номинальное напряжение \( U_1 \) — линейное напряжение питающей сети.
• Номинальный ток \( I_1 \) — ток, потребляемый из сети при номинальной нагрузке.
• Номинальная частота вращения \( n_2 \) — частота вращения ротора при номинальной нагрузке.
• Коэффициент полезного действия (КПД) \( \eta \) — отношение полезной мощности к потребляемой. Для современных двигателей КПД составляет 80–95%.
• Коэффициент мощности \( \cos \varphi \) — отношение активной мощности к полной. Для асинхронных двигателей \( \cos \varphi \) в номинальном режиме составляет 0,7–0,9, при малых нагрузках значительно снижается.
• Кратность пускового тока \( I_{пуск} / I_{ном} \) — отношение пускового тока к номинальному (обычно 5–7).
• Кратность пускового момента \( M_{пуск} / M_{ном} \) — отношение пускового момента к номинальному (0,8–2,0 для короткозамкнутых, до 2,5–3,0 для фазных).
• Кратность максимального момента \( M_{max} / M_{ном} \) — перегрузочная способность (обычно 1,8–2,5).

Применение

Трёхфазные асинхронные двигатели являются основой электропривода в большинстве отраслей промышленности:

• Промышленность: приводы станков, насосов, вентиляторов, компрессоров, конвейеров, дробилок, мельниц, кранов.
• Сельское хозяйство: приводы зерноочистительных машин, кормодробилок, насосов для орошения, доильных аппаратов.
• Бытовая техника: стиральные машины, холодильники, кондиционеры (в мощных моделях).
• Транспорт: приводы вентиляторов, компрессоров, вспомогательных механизмов в электропоездах, трамваях, троллейбусах (в сочетании с преобразователями частоты).
• Энергетика: приводы тягодутьевых машин, питательных насосов, мельниц на тепловых электростанциях.

Регулирование частоты вращения

Основным современным способом регулирования частоты вращения асинхронного двигателя является частотное регулирование с помощью преобразователя частоты (инвертора). Изменяя частоту и напряжение питающей сети, можно плавно регулировать скорость вращения в широком диапазоне (от 0 до номинальной и выше). Другие методы (изменение числа пар полюсов, введение резисторов в цепь фазного ротора) используются реже из-за ограниченных возможностей или низкой экономичности.

Пуск

Пуск асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором сопровождается большим пусковым током и значительным падением напряжения в сети. Для ограничения пускового тока применяют:

• Прямой пуск (для двигателей мощностью до 10–15 кВт при достаточной мощности сети).
• Пуск переключением со «звезды» на «треугольник» (для двигателей, обмотка которых в нормальном режиме соединена треугольником).
• Пуск с помощью автотрансформатора или реактора.
• Плавный пуск с помощью устройств плавного пуска (софтстартеров).
• Частотный пуск (наиболее эффективный метод).

Для двигателей с фазным ротором пуск осуществляется с помощью внешних резисторов, вводимых в цепь ротора, что позволяет получить большой пусковой момент при ограниченном пусковом токе.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Простота и надёжность конструкции (особенно с короткозамкнутым ротором).
• Низкая стоимость по сравнению с двигателями постоянного тока или синхронными.
• Высокий КПД и \( \cos \varphi \) в номинальном режиме.
• Долговечность и неприхотливость в эксплуатации.
• Возможность работы в тяжёлых условиях (пыль, влага, вибрация).

Недостатки:

• Большой пусковой ток.
• Ограниченная перегрузочная способность.
• Сложность плавного регулирования частоты вращения без применения преобразователя частоты.
• Зависимость пускового момента от напряжения сети.
• Низкий \( \cos \varphi \) при малых нагрузках.

Интересные факты

• Первый в мире трёхфазный асинхронный двигатель, созданный М. О. Доливо-Добровольским в 1888 году, имел мощность всего 100 Вт, но его конструкция легла в основу всех современных асинхронных машин.
• Асинхронные двигатели потребляют около 60% всей электроэнергии, вырабатываемой в мире.
• Название «асинхронный» происходит от греческого слова «асинхронос» — несовпадающий по времени, что отражает разность частот вращения поля и ротора.
• В России и странах бывшего СССР асинхронные двигатели серий 4А, АИР, 5А, АДМ являются стандартом для большинства промышленных применений.

Источники

1. Копылов И. П. «Электрические машины» — учебник для вузов.
2. Вольдек А. И., Попов В. В. «Электрические машины. Введение в электромеханику. Машины постоянного тока и трансформаторы» — учебное пособие.
3. Кацман М. М. «Электрические машины» — учебник для среднего профессионального образования.
4. ГОСТ 28330-89 «Двигатели асинхронные. Общие технические условия».
5. Материалы лекций по курсу «Электрические машины» (МЭИ, СПбГЭТУ «ЛЭТИ»).