Асинхронный двигатель — это электрический двигатель, в котором вращение возникает благодаря току, индуцируемому в роторе вращающимся магнитным полем статора. К ротору не подводится внешнее электрическое питание; энергия передаётся магнитным путём, как в трансформаторе. Поскольку ротор всегда вращается немного медленнее вращающегося поля, двигатель называют «асинхронным», то есть несинхронным. Эта разница скоростей называется скольжением, и способность двигателя создавать крутящий момент полностью зависит от наличия этого различия.
Подавляющее большинство электродвигателей, используемых в промышленности, относится к этому типу. Благодаря простой конструкции, невысокой стоимости и ротору, практически не требующему обслуживания, асинхронные двигатели применяются почти во всех приводах с постоянной скоростью — от насосов и конвейеров до вентиляторов и компрессоров. Однако собственная выходная скорость двигателя значительно выше, чем требуется большинству машин; поэтому на практике двигатель почти всегда работает совместно с редуктором. Ниже мы последовательно рассматриваем принцип работы двигателя, однофазные и трёхфазные исполнения, области применения и его связь с редуктором.
Что такое асинхронный двигатель?
Как следует из названия, асинхронный двигатель — это двигатель переменного тока, ротор которого вращается не с той же скоростью, что и вращающееся магнитное поле. В технической литературе он также называется индукционным двигателем поскольку ток в роторе не подаётся извне, а возникает за счёт электромагнитной индукции.
Конструкция состоит из двух основных частей:
- Статор: Неподвижный пакет ламинированных листов, закреплённый в корпусе, внутри которого размещены трёхфазные обмотки. Именно эта часть подключается к сети.
- Ротор: Часть, свободно вращающаяся внутри статора. Наиболее распространённым в промышленности является короткозамкнутый ротор типа «беличья клетка»: алюминиевые или медные стержни, расположенные в цилиндрическом сердечнике, замкнуты накоротко кольцами с обоих концов. Щётки, контактные кольца и внешние соединения обмоток отсутствуют.
Эта простота является главным преимуществом двигателя. Поскольку нет изнашивающихся щёток, коллектора, требующего очистки, или контактных элементов, которые нужно периодически заменять, обслуживание асинхронного двигателя практически сводится к контролю подшипников и изоляции. Для общего сравнения типов двигателей можно ознакомиться с нашей страницей двигатели .
Принцип работы асинхронного двигателя
Принцип работы объясняется сочетанием двух явлений: созданием вращающегося магнитного поля и наведением тока в роторе.
Вращающееся магнитное поле. Трёхфазное питание подаётся на обмотки статора со сдвигом фаз 120 градусов. Поскольку обмотки последовательно создают магнитные поля, формируется не неподвижное, а вращающееся магнитное поле. Скорость вращения этого поля называется синхронной скоростью и рассчитывается по следующей формуле:
Синхронная скорость (об/мин) = (120 × Частота) ÷ Число полюсов
| Число полюсов | Синхронная скорость (50 Гц) | Типичная скорость под нагрузкой |
|---|---|---|
| 2 полюса | 3 000 об/мин | 2 850 – 2 950 об/мин |
| 4 полюса | 1 500 об/мин | 1 420 – 1 470 об/мин |
| 6 полюсов | 1 000 об/мин | 950 – 980 об/мин |
| 8 полюсов | 750 об/мин | 710 – 735 об/мин |
Индукция тока и скольжение. Вращающееся магнитное поле пересекает проводники неподвижного ротора и индуцирует в нём напряжение. Поскольку стержни замкнуты накоротко с обоих концов, индуцированное напряжение сразу вызывает ток. На проводник с током в магнитном поле действует сила, поэтому ротор начинает вращаться и следует за полем.
Ключевой момент заключается в следующем: если ротор достигнет точно той же скорости, что и вращающееся поле, изменение магнитного потока, пересекающего его стержни, исчезнет. Без изменения потока ток не индуцируется, а без тока не возникает крутящий момент. Иными словами, при достижении синхронной скорости двигатель потерял бы силу, необходимую для продолжения вращения. Поэтому ротор всегда немного отстаёт, и именно эта разница является источником крутящего момента.
Относительное выражение этой разницы называется скольжением:
Скольжение (%) = [(Синхронная скорость − Фактическая скорость) ÷ Синхронная скорость] × 100
Например, если 4-полюсный двигатель вращается со скоростью 1 440 об/мин, скольжение составляет (1 500 − 1 440) ÷ 1 500 × 100 = 4 %. На холостом ходу скольжение почти стремится к нулю; по мере роста нагрузки ротор замедляется, скольжение увеличивается, а двигатель развивает больший крутящий момент. Благодаря этому механизму двигатель автоматически подстраивается под нагрузку.
Типы асинхронных двигателей
Асинхронные двигатели делятся на две группы по типу питания. Принцип работы у них одинаков; различие заключается в способе создания вращающегося магнитного поля.
| Сравнение | Однофазный асинхронный двигатель | Трёхфазный асинхронный двигатель |
|---|---|---|
| Питание | 220 В, одна фаза | 380/400 В, три фазы |
| Вращающееся поле | Самостоятельно не возникает; требуется вспомогательная обмотка и конденсатор | Естественно возникает благодаря сдвигу фаз |
| Пуск | Не может самостоятельно запуститься без дополнительного элемента | Запускается непосредственно после подачи питания |
| Диапазон мощности | Обычно менее 3 кВт | От нескольких сотен ватт до мегаваттного диапазона |
| КПД и поведение крутящего момента | Более низкий КПД, пульсирующий момент | Высокий КПД, плавный момент |
| Типичное применение | Мастерские станки, бытовое оборудование, небольшие насосы | Промышленные предприятия, производственные линии |
Везде, где доступно трёхфазное питание, предпочтение отдаётся трёхфазному двигателю. Однофазные двигатели применяются только при небольшой мощности и там, где отсутствует возможность трёхфазного подключения.
Области применения асинхронных двигателей
Асинхронный двигатель является стандартным решением для применений с непрерывным движением и постоянной скоростью. Если не требуется точное позиционирование, этот тип двигателя обычно экономичнее и долговечнее альтернатив.
Насосные и вентиляторные группы. Это наиболее распространённый тип двигателя для перекачивания воды, сточных вод и технологических жидкостей, а также для вентиляционных и охлаждающих вентиляторов. Насосы и отопление-охлаждение Приводные группы этих систем обычно строятся на таких двигателях.
Конвейерные и транспортировочные системы. Ленточным, цепным и шнековым конвейерам требуется непрерывное движение с постоянной скоростью. В таких применениях одного двигателя недостаточно; для снижения скорости он обязательно используется с редуктором. Подробнее см. наш материал о выборе редуктора для конвейера .
Мешалки и смесители. В химической, пищевой промышленности и производстве строительных материалов большинство смесительных установок требует высокого крутящего момента при низкой скорости. Химическая промышленность и напитки и пищевые продукты В таких предприятиях эта комбинация является стандартной.
Мельницы, дробилки и грохоты. Цемент и горнодобывающая промышленность На таких предприятиях мощные асинхронные двигатели непрерывно работают в тяжёлых условиях.
Компрессоры и машинные приводы. Приводы систем производства сжатого воздуха, текстильных машин и общего производственного оборудования также работают с этим типом двигателя.
Использование асинхронного двигателя с редуктором
Главное ограничение асинхронного двигателя на практике связано со скоростью. Распространённый 4-полюсный двигатель вращается примерно со скоростью 1 440 об/мин. При этом конвейерная лента может работать примерно на 30 об/мин, мешалка — на 20 об/мин, а барабан крана — на 15 об/мин. Электрически компенсировать эту разницу невозможно; она устраняется механически с помощью редуктора.
Редуктор снижает скорость и одновременно увеличивает крутящий момент в той же пропорции. Редуктор с передаточным отношением 50 уменьшает скорость двигателя с 1 440 об/мин примерно до 29 об/мин и увеличивает выходной крутящий момент примерно в 50 раз. Такой уровень момента двигатель сам по себе создать не может, а для машины требуется именно он.
Другие преимущества, которые редуктор даёт асинхронному двигателю:
- Улучшение пусковых характеристик: Инерция нагрузки отражается на двигатель уменьшенной в соответствии с передаточным отношением, благодаря чему нагрузка на двигатель при пуске снижается.
- Снижение требуемой мощности двигателя: Благодаря редуктору ту же работу можно выполнить двигателем меньшей мощности; это снижает как капитальные, так и энергетические затраты.
- Свобода компоновки: Различные монтажные положения и направления выходного вала позволяют разместить двигатель в наиболее подходящем месте машины. Подробнее см. наш материал о монтажных положениях редуктора .
Узел, в котором двигатель и редуктор объединены в одном корпусе, называется мотор-редуктором. По сравнению с решениями, где компоненты выбираются отдельно и соединяются муфтой, он компактнее, вызывает меньше ошибок центровки и быстрее монтируется. Для изучения технических деталей, критериев выбора и преимуществ такой комбинации рекомендуем наш материал о мотор-редукторах переменного тока ; эта статья рассматривает сам двигатель, а другая — двигатель в сочетании с редуктором.
Для правильного подбора нужны два расчёта: передаточное отношение в соответствии с требуемой выходной скоростью машины и выходной крутящий момент, необходимый нагрузке. Для этих расчётов можно напрямую использовать формулы из наших материалов о расчёте скорости редуктора и расчёте крутящего момента . Не забывайте учитывать коэффициент сервиса; при ударных нагрузках и на линиях, работающих много часов в сутки, именно этот коэффициент во многом определяет срок службы редуктора.
Давайте вместе подберём правильный редуктор для вашего привода
Производительность приводной группы определяется не только мощностью двигателя по шильдику, но и соответствием двигателя и редуктора конкретной задаче. Неверно выбранное передаточное отношение постоянно перегружает двигатель, а заниженный коэффициент сервиса приводит к необходимости ремонта редуктора намного раньше ожидаемого срока.
Компания Remak Redüktör производит редукторы и зубчатые передачи с 1987 года. Мы можем совместно подобрать подходящую серию на основе требуемой скорости, крутящего момента и режима работы вашей установки. Вы можете ознакомиться с нашей наиболее распространённой для промышленного привода линейкой цилиндрических редукторов с косозубым зацеплением и связаться с нами через страницу контакты чтобы передать технические детали вашего проекта.
Часто задаваемые вопросы об асинхронных двигателях
В чём разница между асинхронным и синхронным двигателем?
Разница заключается в том, вращается ли ротор с той же скоростью, что и вращающееся магнитное поле. В синхронном двигателе ротор вращается точно с той же скоростью, что и поле, а скорость остаётся постоянной даже при изменении нагрузки; для этого используется ротор с постоянными магнитами или внешним возбуждением. В асинхронном двигателе ротор всегда немного отстаёт, а при увеличении нагрузки скорость несколько снижается. Синхронный двигатель обеспечивает более высокий КПД и постоянную скорость, а асинхронный отличается более простой, недорогой и надёжной конструкцией.
Почему пусковой ток асинхронного двигателя высокий и как его снизить?
В момент пуска ротор неподвижен, поэтому скольжение максимально и в роторе индуцируется очень большой ток. В результате двигатель при запуске потребляет ток, в несколько раз превышающий номинальный. Для снижения просадки напряжения в сети и предотвращения срабатывания защит применяют пуск «звезда-треугольник», устройства плавного пуска или преобразователи частоты. Использование редуктора также облегчает пуск, уменьшая приведённую к двигателю инерцию нагрузки.
Как электрически изменить скорость асинхронного двигателя?
Поскольку скорость зависит от частоты питания и числа полюсов, в сети с фиксированной частотой изменить её невозможно. Для регулирования скорости используют преобразователь частоты; он плавно изменяет скорость двигателя, повышая или снижая частоту. Однако на низкой частоте также замедляется собственный охлаждающий вентилятор двигателя, поэтому возрастает риск перегрева и изменяется доступный крутящий момент. В применениях, где скорость нужно постоянно снижать, редуктор вместо частотного преобразователя часто является более эффективным и надёжным решением.
Как изменить направление вращения асинхронного двигателя?
У трёхфазного двигателя достаточно поменять местами любые две фазы: направление вращающегося магнитного поля изменится, и двигатель начнёт вращаться в противоположную сторону. Это выполняется перестановкой двух фазных проводов в клеммной коробке. У однофазных двигателей направление меняют перестановкой выводов вспомогательной обмотки. Перед реверсом необходимо убедиться, что редуктор и приводимая машина допускают обратное вращение; в некоторых системах имеется стопор обратного хода.
Почему асинхронный двигатель перегревается?
Наиболее распространённые причины: недостаточная мощность двигателя для нагрузки, частые пуски и остановки, несимметрия сетевого напряжения или пропадание одной фазы, забитый пылью кожух охлаждающего вентилятора и температура окружающей среды выше значения, указанного на шильдике. Двигателям, длительно работающим на низкой скорости от преобразователя частоты, может потребоваться дополнительный внешний вентилятор, поскольку собственного охлаждения становится недостаточно. Перегрев напрямую сокращает срок службы изоляции, поэтому продолжение работы без устранения причины может привести к выгоранию обмоток.
Что означают классы энергоэффективности IE?
Классы IE (International Efficiency) — это международная классификация, показывающая эффективность преобразования электрической энергии двигателем в механическую. Чем выше число, тем выше КПД: IE1 — стандартный, IE2 — высокий, IE3 — премиальный, IE4 — сверхпремиальный уровень эффективности. Для двигателя непрерывного режима стоимость покупки обычно мала по сравнению со стоимостью электроэнергии, потребляемой за весь срок службы, поэтому более высокий класс эффективности нередко быстро окупается. Общий КПД привода определяется как эффективностью двигателя, так и эффективностью редуктора; эту тему мы подробно рассматриваем на странице об энергоэффективности и энергосбережении.
