Асинхронный двигатель: устройство и принцип работы
Что такое асинхронный двигатель
Асинхронный электродвигатель — самый распространённый электродвигатель в мире. Он вращает насосы, вентиляторы, компрессоры, станки, конвейеры, лифты и бетономешалки. Его популярность объясняется простотой: у самого массового варианта — двигателя с короткозамкнутым ротором — нет щёток, коллектора и контактных колец, поэтому он надёжен, дёшев и почти не требует обслуживания, кроме подшипников.
«Асинхронный» значит «несинхронный»: ротор вращается немного медленнее, чем магнитное поле статора. Это отставание называется скольжением, и именно благодаря ему двигатель создаёт вращающий момент. Чтобы понять, как это работает и почему двигатель ведёт себя так, а не иначе, — при пуске, под нагрузкой, с частотником, — разберёмся по порядку: устройство, принцип работы, характеристики, способы пуска и регулирования.
Устройство: из чего состоит двигатель
| Часть | Что это | Зачем |
|---|---|---|
| Станина | Литой алюминиевый или чугунный корпус с рёбрами | Механическая прочность и отвод тепла |
| Статор | Пакет пластин электротехнической стали с пазами, в которых уложена обмотка | Создаёт вращающееся магнитное поле |
| Обмотка статора | Три катушечные группы, сдвинутые на 120° | Подключаются к трёхфазной сети |
| Ротор | Пакет стальных пластин на валу | Вращающаяся часть |
| Беличья клетка | Алюминиевые или медные стержни, замкнутые кольцами | В них наводится ток, создающий момент |
| Подшипниковые щиты и подшипники | Опоры вала | Точное вращение ротора в зазоре |
| Вентилятор и кожух | Крыльчатка на валу снаружи | Обдув корпуса |
| Клеммная коробка | Выводы обмоток и перемычки | Подключение и выбор схемы звезда/треугольник |
Зазор между статором и ротором очень маленький — доли миллиметра. Это нужно, чтобы магнитное поле эффективно передавалось ротору. Поэтому изношенные подшипники так опасны: ротор начинает задевать статор, двигатель гудит, греется и может выйти из строя. Подробнее — подшипники двигателя.
Принцип работы: вращающееся поле и скольжение
Три обмотки статора расположены по окружности со сдвигом на 120°. К ним подключают три фазы сети, токи в которых тоже сдвинуты по времени на треть периода. В каждый момент суммарное магнитное поле статора направлено по-своему, и это направление равномерно поворачивается — получается вращающееся магнитное поле. Никакие детали при этом не вращаются: «крутится» только поле.
Вращающееся поле пересекает стержни ротора и по закону электромагнитной индукции наводит в них ток. Ток в стержнях, находящихся в магнитном поле, создаёт силу — ротор начинает вращаться вслед за полем. Если бы ротор догнал поле, оно перестало бы пересекать стержни, ток бы исчез и момент пропал. Поэтому ротор всегда немного отстаёт — это и есть скольжение. Чем больше нагрузка на валу, тем больше скольжение: ротору нужно сильнее отставать, чтобы наводился больший ток и создавался больший момент.
Синхронная скорость, полюса и скольжение
Скорость вращения поля называется синхронной и зависит от частоты сети и числа пар полюсов обмотки: n₁ = 60 × f / p, где f — частота в герцах, p — число пар полюсов. При частоте 50 Гц получаются стандартные скорости.
| Пар полюсов p | Полюсов 2p | Синхронная скорость при 50 Гц | Типичная скорость на шильдике |
|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 3000 об/мин | около 2800–2950 об/мин |
| 2 | 4 | 1500 об/мин | около 1400–1480 об/мин |
| 3 | 6 | 1000 об/мин | около 920–980 об/мин |
| 4 | 8 | 750 об/мин | около 690–730 об/мин |
Скольжение s = (n₁ − n) / n₁. У двигателей средней мощности номинальное скольжение обычно составляет несколько процентов, у маленьких двигателей оно больше. Например, двигатель с номиналом 1440 об/мин: (1500 − 1440) / 1500 = 0,04, то есть 4%. Отсюда практический приём: по номинальным оборотам на шильдике всегда можно понять число полюсов — ближайшая сверху синхронная скорость и подскажет ответ. Подробно о чтении таблички — шильдик электродвигателя.
Механическая характеристика: пуск, разгон, работа
Момент, который развивает асинхронный двигатель, сильно зависит от скорости. Эту зависимость называют механической характеристикой, и она объясняет большинство практических вопросов: почему двигатель иногда не может стронуть тяжёлую нагрузку, почему он «проседает» при перегрузке и что происходит при пониженном напряжении.
| Точка | Что значит | Типичное значение |
|---|---|---|
| Пусковой момент | Момент при неподвижном роторе в момент включения | часто 1,5–2,2 × Мном |
| Критический (максимальный) момент | Наибольший момент, который двигатель может развить | часто 2–3 × Мном |
| Номинальный режим | Работа на номинальной мощности и скорости | скольжение несколько процентов |
| Пусковой ток | Ток при пуске напрямую от сети | часто 5–7,5 × Iном |
Двигатель разгоняется, пока его момент больше момента нагрузки, и выходит на скорость, где они уравниваются. Справа от критической точки работа устойчива: если нагрузка немного выросла, скорость слегка падает, момент растёт, и двигатель справляется. Если нагрузка превысит критический момент, двигатель «опрокидывается» — резко теряет скорость и может остановиться, а ток становится очень большим. Защита в этот момент должна сработать. Именно поэтому автомат и тепловое реле подбирают по номинальному току конкретного двигателя, а не «с большим запасом». Слишком грубая защита просто не заметит перегрузку. И двигатель сгорит раньше, чем она сработает.
Потери, КПД и нагрев
Не вся электрическая мощность, потребляемая двигателем, превращается в механическую. Часть теряется и уходит в тепло. Понимание этих потерь объясняет, почему двигатель греется и почему важен класс энергоэффективности.
| Вид потерь | Где возникают | От чего зависят |
|---|---|---|
| Потери в меди статора | Нагрев обмотки статора током | Квадрат тока: растут с нагрузкой |
| Потери в роторе | Нагрев стержней беличьей клетки | Нагрузка и скольжение |
| Потери в стали | Перемагничивание пакетов статора и ротора | Напряжение и частота, почти не зависят от нагрузки |
| Механические потери | Подшипники и вентилятор | Скорость вращения |
| Добавочные потери | Высшие гармоники, неоднородности поля | Конструкция и качество питания |
КПД двигателя растёт с мощностью: у маленьких двигателей мощностью доли киловатта он заметно ниже, у двигателей в десятки киловатт может превышать 90%. Классы энергоэффективности IE1–IE4 показывают, насколько потери меньше стандартного уровня. Подробно — классы энергоэффективности IE.
Нагрев ограничен классом изоляции обмотки: изоляция класса F, например, допускает более высокую рабочую температуру, чем класс B. Длительная работа с перегрузкой или с плохим охлаждением сокращает срок службы изоляции. Если двигатель стал греться сильнее обычного, разбор причин — двигатель греется.
Короткозамкнутый и фазный ротор
Подавляющее большинство двигателей — с короткозамкнутым ротором (беличьей клеткой). Есть и двигатели с фазным ротором: на роторе намотана трёхфазная обмотка, выведенная на контактные кольца, к которым через щётки подключаются пусковые или регулировочные резисторы. Изменяя сопротивление в цепи ротора, можно увеличить пусковой момент и снизить пусковой ток. Такие двигатели исторически применялись в кранах, подъёмниках, мощных механизмах с тяжёлым пуском. Сегодня их всё чаще заменяют двигателями с короткозамкнутым ротором и частотным преобразователем.
| Тип ротора | Плюсы | Минусы |
|---|---|---|
| Короткозамкнутый | Простой, надёжный, дешёвый, без щёток | Большой пусковой ток при прямом пуске |
| Фазный | Регулируемый пусковой момент и ток | Щётки и кольца требуют обслуживания, дороже |
Однофазный асинхронный двигатель
В быту часто встречаются однофазные асинхронные двигатели: в насосах, компрессорах, вентиляторах, бытовых станках. Одна обмотка, подключённая к однофазной сети, создаёт не вращающееся, а пульсирующее поле, и такой двигатель сам не запускается. Поэтому у однофазного двигателя есть вторая, вспомогательная обмотка, включённая через конденсатор. Конденсатор сдвигает ток во вспомогательной обмотке по фазе, и получается приблизительно вращающееся поле.
У одних двигателей конденсатор работает постоянно (рабочий), у других дополнительно подключается пусковой конденсатор на время разгона. Однофазные двигатели уступают трёхфазным по пусковому моменту и КПД, и с обычным трёхфазным частотником они не работают. Подробно — однофазный двигатель и расчёт конденсатора.
Почему асинхронный двигатель победил
Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором появился в конце XIX века вместе с трёхфазной системой электроснабжения, и с тех пор его конструкция принципиально не изменилась. Причина долговечности идеи — в отсутствии скользящих контактов. У коллекторного двигателя постоянного тока щётки и коллектор изнашиваются, искрят и требуют регулярного обслуживания. Асинхронному двигателю для работы достаточно трёхфазной сети: ни щёток, ни постоянных магнитов, ни электроники.
Долгое время главным недостатком было сложное регулирование скорости — для этого использовали двигатели постоянного тока. С появлением доступных частотных преобразователей этот недостаток практически исчез, и асинхронный двигатель с частотником стал стандартом для большинства задач, где нужна переменная скорость. Сегодня в отдельных применениях его теснят синхронные двигатели с постоянными магнитами — у них выше КПД, — но по сочетанию цены, надёжности и простоты асинхронный двигатель остаётся самым массовым.
Подключение: звезда и треугольник
Обмотки трёхфазного двигателя соединяют звездой или треугольником в зависимости от напряжения сети и указаний на шильдике. Если на табличке написано 220/380 В, Δ/Y — для сети 380 В обмотки соединяют звездой, для трёхфазной сети 220 В (в том числе от однофазного частотника) — треугольником. Если 380/660 В, Δ/Y — для сети 380 В нужен треугольник. Подробные схемы — звезда и треугольник.
Неправильное соединение — частая ошибка. Двигатель, соединённый звездой при необходимости треугольника, получает пониженное напряжение на обмотках, теряет мощность и момент. Соединённый треугольником при необходимости звезды получает повышенное напряжение и быстро перегревается.
Способы пуска
| Способ | Как работает | Где применяют |
|---|---|---|
| Прямой пуск | Включение напрямую в сеть пускателем | Небольшие двигатели, мощная сеть |
| Звезда-треугольник | Пуск на звезде, затем переключение на треугольник | Снижение пускового тока для двигателей, работающих на треугольнике |
| Устройство плавного пуска | Плавное нарастание напряжения при пуске | Насосы, вентиляторы без регулирования скорости |
| Частотный преобразователь | Плавный разгон с регулированием частоты | Когда нужно и мягко пускать, и регулировать скорость |
При прямом пуске ток в несколько раз превышает номинальный, что вызывает просадку напряжения в сети и механический удар по механизму. Почему пусковой ток такой большой и как его снизить — пусковой ток двигателя.
Регулирование скорости
Из формулы синхронной скорости видно, что изменить скорость асинхронного двигателя можно двумя способами: изменить число полюсов или частоту питания. Многоскоростные двигатели с переключением полюсов дают несколько фиксированных скоростей. Частотный преобразователь даёт плавную регулировку в широком диапазоне: меняя частоту и пропорционально напряжение, он смещает всю механическую характеристику и сохраняет момент на низких скоростях.
Это причина, по которой частотник стал стандартом для насосов, вентиляторов и станков. Подробнее — принцип работы частотного преобразователя и какой двигатель подходит для частотника.
Асинхронный двигатель и частотник: что меняется
Частотный преобразователь даёт асинхронному двигателю то, чего ему не хватает: плавный пуск без большого тока и регулирование скорости. Но работа от частотника имеет свои особенности, которые полезно знать.
| Особенность | Что происходит | Что делать |
|---|---|---|
| Охлаждение на низкой скорости | Вентилятор на валу крутится медленнее и хуже охлаждает | Не работать долго на малых оборотах под нагрузкой или ставить независимый вентилятор |
| Импульсное напряжение | Крутые фронты ШИМ нагружают изоляцию, особенно с длинным кабелем | Двигатель с подходящей изоляцией, ограничение длины кабеля, дроссели |
| Подшипниковые токи | У крупных двигателей возможны токи через подшипники | Заземление, изолированные подшипники для больших мощностей |
| Работа выше 50 Гц | Момент падает, механика работает на повышенных оборотах | Учитывать снижение момента и ограничения механизма |
| Шум | Свист на частоте коммутации | Настроить несущую частоту |
Для большинства насосов, вентиляторов и станков стандартный общепромышленный двигатель нормально работает с частотником при правильной настройке. Подробно — двигатель для частотника.
Типичные неисправности
| Признак | Возможная причина | Где разобрано |
|---|---|---|
| Гудит и не крутится | Обрыв фазы, заклинивание, неисправность конденсатора у однофазного | двигатель гудит и не крутится |
| Сильно греется | Перегрузка, пониженное напряжение, неверная схема, плохое охлаждение | двигатель греется |
| Не тянет нагрузку | Пониженное напряжение, звезда вместо треугольника | двигатель не тянет |
| Вибрация и шум | Подшипники, дисбаланс, несоосность | вибрация двигателя |
| Выбивает автомат | Межвитковое замыкание, пробой изоляции | межвитковое замыкание |
Первичную проверку обмоток можно сделать мультиметром и мегаомметром: сопротивление трёх обмоток должно быть одинаковым, а сопротивление изоляции на корпус — высоким. Порядок проверки — проверка двигателя мультиметром.
Как выбрать двигатель под задачу: коротко
Выбор двигателя начинается с механизма, а не с каталога. Нужно знать требуемую мощность на валу с разумным запасом, скорость (и есть ли редуктор или ремень), характер нагрузки — плавная, как у насоса, или с тяжёлым пуском, как у дробилки, — режим работы (постоянно или с частыми пусками), условия окружающей среды и способ монтажа. По скорости выбирают число полюсов: для насосов и вентиляторов часто 2 или 4 полюса, для механизмов с низкой скоростью — 6 или 8 полюсов либо редуктор.
Отдельно сверяют напряжение и схему соединения с вашей сетью, ток — для выбора защиты и кабеля, степень защиты корпуса IP для пыльных и влажных помещений и монтажное исполнение (на лапах, фланцевое). Подробный порядок подбора — как подобрать электродвигатель, а ток по мощности для выбора автомата и кабеля — ток двигателя по мощности.
Плюсы и минусы
| Плюсы | Минусы |
|---|---|
| Простая и надёжная конструкция без щёток | Большой пусковой ток при прямом пуске |
| Низкая стоимость, массовость | Скорость зависит от нагрузки (скольжение) |
| Минимальное обслуживание | Для регулирования скорости нужен частотник |
| Работа напрямую от трёхфазной сети | Чувствительность к пониженному напряжению |
| Широкий выбор мощностей и исполнений | От однофазной сети без частотника работает с потерей мощности |