Асинхронные электродвигатели: особенности и применение
- Введение в асинхронные электродвигатели
- Принцип работы асинхронных электродвигателей
- Конструкция и типы асинхронных двигателей
- Технические характеристики
- Основные расчёты и формулы
- Области применения
- Преимущества и недостатки
- Критерии выбора асинхронного двигателя
- Обслуживание и диагностика
- Связанные продукты
Введение в асинхронные электродвигатели
Что такое асинхронный электродвигатель? Асинхронный электродвигатель — это электрическая машина переменного тока, в которой частота вращения ротора не равна (асинхронна) частоте вращения магнитного поля статора. Данный тип электродвигателей является самым распространённым в промышленности и занимает приблизительно 80% от общего числа электродвигателей, используемых в различных отраслях.
Характерной особенностью, определяющей что значит асинхронный электродвигатель, является наличие скольжения — разницы между скоростью вращения магнитного поля статора (синхронной скоростью) и фактической скоростью вращения ротора. Именно это свойство объясняет название данного типа двигателей — «асинхронные», т.е. несинхронные.
Первый промышленный образец асинхронного двигателя был разработан и запатентован Николой Тесла в 1888 году. С тех пор конструкция и принцип работы претерпели множество усовершенствований, но фундаментальные принципы остались неизменными, что свидетельствует о надёжности и эффективности данного технического решения.
Принцип работы асинхронных электродвигателей
Принцип работы асинхронных электродвигателей основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и токов, индуцированных этим полем в проводниках ротора. Когда трёхфазный переменный ток проходит через обмотки статора, он создаёт вращающееся магнитное поле, которое пересекает проводники ротора.
Согласно закону электромагнитной индукции, в проводниках ротора возникают ЭДС и, как следствие, индуцированные токи. Взаимодействие этих токов с магнитным полем статора создаёт электромагнитный момент, заставляющий ротор вращаться в направлении вращения магнитного поля статора.
Важно отметить, что индуцирование токов в роторе возможно только при условии, что существует разница между скоростью вращения магнитного поля статора и скоростью вращения ротора. Если бы ротор вращался с синхронной скоростью, магнитное поле статора не пересекало бы проводники ротора, и индуцированных токов не возникало бы, что привело бы к остановке двигателя.
n₁ = 60f/p,
где:
- n₁ - синхронная скорость вращения (об/мин)
- f - частота тока (Гц)
- p - число пар полюсов
Скольжение (s) — важный параметр асинхронного двигателя, определяется как относительная разница между синхронной скоростью вращения магнитного поля статора (n₁) и фактической скоростью вращения ротора (n₂):
s = (n₁ - n₂) / n₁ × 100%
Значение скольжения обычно составляет 2-8% для двигателей средней и большой мощности при номинальной нагрузке.
Конструкция и типы асинхронных двигателей
Конструктивно любой асинхронный электродвигатель состоит из двух основных частей: неподвижного статора и вращающегося ротора. В зависимости от конструкции ротора различают два основных типа асинхронных электродвигателей:
- С короткозамкнутым ротором (наиболее распространённый тип) — в таких двигателях ротор выполнен в виде цилиндра из магнитопроводящей стали с пазами, в которые вставлены алюминиевые или медные стержни, замкнутые по торцам кольцами. Конструкция напоминает «беличье колесо».
- С фазным ротором — ротор такого двигателя имеет трёхфазную обмотку, аналогичную обмотке статора. Концы обмоток соединены с контактными кольцами, через которые с помощью щёток можно подключать внешние резисторы для регулирования характеристик двигателя.
По количеству фаз асинхронные двигатели делятся на:
- Трёхфазные — наиболее распространены в промышленности
- Однофазные — используются в бытовой технике и малогабаритном оборудовании
- Двухфазные — применяются в системах автоматики
Статор асинхронного двигателя представляет собой полый цилиндр, набранный из стальных листов электротехнической стали толщиной 0,35-0,5 мм, изолированных для уменьшения потерь на вихревые токи. На внутренней стороне статора располагаются пазы, в которые укладывается обмотка.
| Параметр | Двигатель с короткозамкнутым ротором | Двигатель с фазным ротором |
|---|---|---|
| Конструкция ротора | «Беличья клетка» из стержней | Трёхфазная обмотка с контактными кольцами |
| Пусковой момент | Низкий до средний | Высокий (регулируемый) |
| Пусковой ток | Высокий (5-7 Iном) | Регулируемый |
| Возможность регулирования скорости | Ограниченная | Широкие возможности |
| Надёжность и обслуживание | Высокая, минимальное обслуживание | Средняя, требуется обслуживание щёточного узла |
| Стоимость | Ниже | Выше |
Технические характеристики
Основными техническими характеристиками асинхронных электродвигателей являются:
- Номинальная мощность (Pном) — активная мощность, отдаваемая на валу двигателя при номинальной нагрузке (кВт)
- Номинальное напряжение (Uном) — напряжение, на которое рассчитана работа двигателя (В)
- Номинальный ток (Iном) — ток, потребляемый двигателем при номинальной нагрузке (А)
- Номинальная частота вращения (nном) — частота вращения ротора при номинальной нагрузке (об/мин)
- Коэффициент полезного действия (η) — отношение полезной механической мощности к потребляемой электрической мощности
- Коэффициент мощности (cos φ) — отношение активной мощности к полной
- Кратность пускового тока (ki) — отношение пускового тока к номинальному
- Кратность пускового момента (kм) — отношение пускового момента к номинальному
- Кратность максимального момента (kмакс) — отношение максимального момента к номинальному
- Класс изоляции — определяет максимально допустимую температуру нагрева обмоток (A, E, B, F, H)
- Степень защиты IP — определяет защищённость от внешних воздействий
Рассмотрим типичные значения характеристик стандартных асинхронных двигателей:
| Мощность, кВт | КПД, % | cos φ | Кратность пускового тока | Кратность пускового момента | Кратность макс. момента |
|---|---|---|---|---|---|
| 0,75 | 74-78 | 0,75-0,80 | 5,0-7,0 | 1,8-2,0 | 2,0-2,2 |
| 1,5 | 77-81 | 0,78-0,83 | 5,5-7,0 | 1,8-2,0 | 2,0-2,2 |
| 5,5 | 83-86 | 0,80-0,85 | 6,0-7,0 | 1,9-2,1 | 2,1-2,3 |
| 15 | 87-90 | 0,82-0,87 | 6,5-7,5 | 1,9-2,2 | 2,2-2,4 |
| 75 | 91-93 | 0,85-0,89 | 6,5-7,5 | 1,0-1,2 | 2,2-2,5 |
| 200 | 93-95 | 0,87-0,91 | 6,5-7,5 | 0,9-1,1 | 2,2-2,5 |
Основные расчёты и формулы
Для правильного выбора и эксплуатации асинхронных электродвигателей необходимо знать основные расчётные формулы. Рассмотрим наиболее важные из них:
P = M × ω = M × 2πn/60,
где:
- P - механическая мощность (Вт)
- M - момент на валу (Н·м)
- ω - угловая скорость (рад/с)
- n - частота вращения (об/мин)
Электромагнитный момент асинхронного двигателя определяется выражением:
M = C × P₂ × s / [n₁ × (s² + s²ₖ)],
где:
- C - постоянный коэффициент
- P₂ - мощность, подводимая к ротору
- s - скольжение
- sₖ - критическое скольжение
- n₁ - синхронная скорость
Номинальное скольжение для асинхронных двигателей можно приближенно определить по формуле:
s_ном ≈ r₂ / (r₂ + x₂),
где:
- r₂ - активное сопротивление обмотки ротора
- x₂ - индуктивное сопротивление обмотки ротора
Потребляемая из сети активная мощность трёхфазного асинхронного двигателя:
P₁ = 3 × U × I × cos φ,
где:
- U - фазное напряжение
- I - фазный ток
- cos φ - коэффициент мощности
КПД асинхронного двигателя определяется как:
η = P₂ / P₁ = P₂ / (P₂ + ΣP),
где:
- P₂ - полезная механическая мощность на валу
- P₁ - потребляемая из сети мощность
- ΣP - сумма потерь в двигателе
Пример расчета:
Рассчитаем номинальное скольжение для асинхронного двигателя с синхронной скоростью n₁ = 1500 об/мин и номинальной скоростью nном = 1440 об/мин:
s_ном = (n₁ - n_ном) / n₁ × 100% = (1500 - 1440) / 1500 × 100% = 4%
Этот результат соответствует типичному значению скольжения для асинхронных двигателей средней мощности.
Области применения
Асинхронные электродвигатели, благодаря своей надёжности, простоте конструкции и относительно низкой стоимости, широко применяются в различных отраслях промышленности и бытовой технике:
- Металлургическая промышленность: прокатные станы, конвейеры, подъёмно-транспортные механизмы
- Машиностроение: металлорежущие станки, компрессоры, вентиляторы
- Горнодобывающая промышленность: насосы, вентиляторы, конвейеры, дробилки
- Химическая промышленность: мешалки, центрифуги, насосы
- Деревообрабатывающая промышленность: циркулярные пилы, строгальные и фрезерные станки
- Пищевая промышленность: мельницы, тестомесильные машины, транспортёры
- Сельское хозяйство: насосы, вентиляторы, транспортёры, дробилки
- Жилищно-коммунальное хозяйство: насосы, вентиляторы, лифты
- Бытовая техника: холодильники, стиральные машины, кондиционеры, пылесосы
Специфика применения асинхронных двигателей в разных отраслях определяется требованиями к характеристикам привода:
| Отрасль/применение | Тип двигателя | Особенности применения |
|---|---|---|
| Металлорежущие станки | Трёхфазные с короткозамкнутым ротором | Высокая стабильность скорости, повышенная перегрузочная способность |
| Подъёмно-транспортные механизмы | Трёхфазные с фазным ротором или специальные крановые | Высокий пусковой момент, повышенная прочность вала и подшипников |
| Насосы, вентиляторы | Трёхфазные с короткозамкнутым ротором | Продолжительный режим работы, защита от влаги (для насосов) |
| Дробилки, мельницы | Трёхфазные с фазным ротором | Высокий пусковой момент, защита от пыли |
| Бытовая техника | Однофазные с короткозамкнутым ротором | Компактность, пониженный шум, питание от сети 220В |
Преимущества и недостатки
Широкое распространение асинхронных электродвигателей обусловлено рядом существенных преимуществ:
- Простота конструкции — особенно для двигателей с короткозамкнутым ротором
- Высокая надёжность — благодаря отсутствию коллекторно-щёточного узла (для двигателей с короткозамкнутым ротором)
- Низкая стоимость — по сравнению с двигателями других типов аналогичной мощности
- Простота обслуживания — минимальные затраты на техническое обслуживание
- Широкий диапазон мощностей — от долей ватта до нескольких мегаватт
- Высокий КПД — особенно для двигателей средней и большой мощности (до 95-97%)
- Способность работать в различных условиях — возможность изготовления во взрывозащищённом, влагозащищённом, химически стойком исполнении
Однако асинхронные электродвигатели имеют и некоторые недостатки:
- Сложность плавного регулирования скорости — для реализации качественного регулирования требуются специальные преобразователи частоты
- Относительно высокий пусковой ток — в 5-7 раз превышающий номинальный
- Потребление реактивной мощности — что требует компенсации при массовом применении
- Снижение КПД и cos φ при недогрузке — оптимальная работа только при нагрузках, близких к номинальным
- Относительно низкий пусковой момент — для двигателей с короткозамкнутым ротором
Критерии выбора асинхронного двигателя
Правильный выбор асинхронного электродвигателя для конкретной задачи является важным фактором, влияющим на эффективность, надёжность и экономичность работы привода. При выборе двигателя необходимо учитывать следующие параметры:
- Мощность — должна соответствовать нагрузке с учётом возможных перегрузок; недогруженный двигатель будет работать с низким КПД и cos φ, а перегруженный — перегреваться
- Напряжение и частота питания — должны соответствовать параметрам питающей сети
- Частота вращения (число пар полюсов) — выбирается исходя из требуемой скорости рабочего механизма
- Режим работы — продолжительный (S1), кратковременный (S2), повторно-кратковременный (S3) и др.
- Условия окружающей среды — температура, влажность, наличие агрессивных сред, пыли, взрывоопасных газов и т.д.
- Степень защиты (IP) — определяет защищённость от пыли и влаги
- Способ охлаждения — естественное, принудительное, водяное и т.д.
- Конструктивное исполнение — по способу монтажа (на лапах, фланцевое и т.д.)
- Специальные требования — взрывозащита, морское исполнение, тропическое исполнение и т.д.
При выборе мощности двигателя следует учитывать характер нагрузки механизма. Для этого используют коэффициент запаса мощности:
P_двиг = k_з × P_мех,
где:
- P_двиг - мощность выбираемого двигателя
- k_з - коэффициент запаса (1,1-1,3 для равномерной нагрузки, 1,3-1,5 для переменной, 1,5-2,0 для ударной)
- P_мех - мощность, потребляемая механизмом
Пример выбора двигателя:
Необходимо выбрать двигатель для привода насоса с потребляемой мощностью 7,5 кВт при равномерной нагрузке.
Определяем требуемую мощность двигателя:
P_двиг = k_з × P_мех = 1,2 × 7,5 = 9 кВт
По каталогу выбираем ближайший больший стандартный двигатель мощностью 11 кВт.
Обслуживание и диагностика
Правильное обслуживание асинхронных электродвигателей существенно продлевает срок их службы и обеспечивает надёжную работу. Основные мероприятия по техническому обслуживанию включают:
- Периодическая очистка от пыли и загрязнений — особенно важно для двигателей с самовентиляцией
- Контроль подшипниковых узлов — проверка шума, вибрации, температуры
- Замена смазки в подшипниках — периодичность зависит от типа подшипников и условий эксплуатации
- Проверка состояния обмоток — измерение сопротивления изоляции, визуальный осмотр (при возможности)
- Контроль вибрации — повышенная вибрация может свидетельствовать о дисбалансе, износе подшипников или других проблемах
- Контроль температуры — перегрев двигателя может указывать на перегрузку, недостаточное охлаждение или другие неисправности
- Проверка электрических соединений — затяжка клеммных соединений, контроль состояния кабелей
Для диагностики состояния асинхронных двигателей применяются следующие методы:
- Измерение сопротивления изоляции обмоток — мегомметром на напряжение 500-1000 В
- Измерение сопротивления обмоток постоянному току — для выявления межвитковых замыканий
- Вибродиагностика — анализ спектра вибраций позволяет выявить дисбаланс, несоосность, дефекты подшипников
- Тепловизионный контроль — выявляет местные перегревы, обрывы в обмотках ротора
- Спектральный анализ потребляемого тока — позволяет выявить обрывы в обмотке ротора, эксцентриситет и другие дефекты
Отказ от ответственности
Представленная в данной статье информация носит ознакомительный характер и предназначена для специалистов в области электротехники и электроприводов. Авторы не несут ответственности за возможные ошибки, неточности или устаревшие данные. Перед использованием информации для принятия технических решений рекомендуется обратиться к соответствующим нормативным документам, техническим паспортам оборудования и проконсультироваться с квалифицированными специалистами.
Источники информации
- Вольдек А.И., Попов В.В. Электрические машины. Введение в электромеханику. Машины постоянного тока и трансформаторы. – СПб.: Питер, 2017.
- Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. – М.: МЭИ, 2018.
- Копылов И.П. Электрические машины. – М.: Высшая школа, 2015.
- ГОСТ IEC 60034-1-2014 Машины электрические вращающиеся. Часть 1. Номинальные значения параметров и эксплуатационные характеристики.
- ГОСТ Р МЭК 60034-30-2012 Машины электрические вращающиеся. Часть 30. Классы энергоэффективности односкоростных трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.
Купить электродвигатели по выгодной цене
Компания Иннер Инжиниринг предлагает широкий выбор электродвигателей. Выберите необходимые компоненты для вашего проекта и приобретите их у нас с гарантией качества и надежной доставкой.
Заказать сейчасВы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.
