Трёхфазные асинхронные двигатели: типы, управление с помощью частотных преобразователей и выбор

1. Почему трёхфазное питание создаёт вращающееся магнитное поле

Сбалансированное трёхфазное питание содержит три синусоидальные напряжения, отстающие друг от друга на 120 электрических градусов:

v_A(t)=V_m\sin(ω t)

v_B(t)=V_m\sin(ω t-120°)

v_C(t)=V_m\sin(ω t-240°)

Когда эти напряжения возбуждают группы обмоток статора, расположенные по окружности машины, их магнитные поля складываются в вращающееся результирующее поле. В отличие от пульсирующего поля однофазной основной обмотки, сбалансированное трёхфазное поле вращается непрерывно и обладает практически постоянной амплитудой. Это обеспечивает направленный пусковой момент при неподвижном состоянии ротора без использования конденсаторов, центробежных выключателей или ручного вмешательства.

Компания EEPower поясняет, что три фазные обмотки статора расположены последовательно вокруг статора и что их мощностная последовательность, равная 120°, формирует вращающееся магнитное поле [1]. Направление вращения задаётся порядком чередования фаз: при перестановке любых двух питающих фаз вращающееся поле меняет своё направление, а следовательно, изменяется и направление вращения двигателя.

2. Синхронная скорость, скольжение и основные уравнения скорости

Поле статора вращается со скоростью Синхронная скорость , который зависит только от частоты питающего напряжения и числа полюсов статора:

N_s=120f/P

Где N_s — синхронная скорость в об/мин, f — частота питающего напряжения в герцах, а P — общее число полюсов. Двигатель с 4 полюсами, питаемый от сети с частотой 50 Гц, имеет синхронную скорость 1 500 об/мин. Тот же двигатель с 4 полюсами при частоте 60 Гц имеет синхронную скорость 1 800 об/мин.

Для асинхронного двигателя ротор вращается с частотой, немного меньшей синхронной. Относительная разность составляет прокрутка :

s=N_s-N_r/N_s

N_r=(1-s)N_s

f_r=сф

Здесь N_r — частота вращения ротора, а f_r — частота тока, индуцированного в роторе. Скольжение является обязательным: при отсутствии разности скоростей между ротором и полем статора не возникает ЭДС в роторе, и асинхронный двигатель не способен развивать устойчивый момент.

ABB отмечает, что номинальная скорость при полной нагрузке — это скорость, при которой двигатель развивает момент полной нагрузки при номинальных значении напряжения и частоты, а отклонение от синхронной скорости определяется скольжением. Для многих асинхронных двигателей скорость при полной нагрузке обычно составляет 96–99% от синхронной скорости [2].

3. Основные типы трёхфазных асинхронных двигателей

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором

Ротор с короткозамкнутой обмоткой состоит из проводящих стержней — обычно из алюминия или меди, замкнутых между собой концевыми кольцами и заключённых в ламинированный стальной сердечник. Вращающееся магнитное поле статора индуцирует напряжение в этих стержнях; ток ротора, в свою очередь, создаёт магнитное поле ротора, которое взаимодействует с полем статора, обеспечивая возникновение вращающего момента. Ротор не имеет электрических подводящих проводов, щёток и коммутатора.

Простой ротор с короткозамкнутым обмоткой делает этот двигатель надёжным, экономичным и требующим минимального технического обслуживания. Компания EEPower описывает его ротор как набор металлических стержней, соединённых торцевыми кольцами; индуцированные в этих стержнях напряжение и ток формируют магнитное поле, взаимодействующее со статором [1].

Асинхронные двигатели с фазным ротором

У двигателя с фазным ротором трёхфазная обмотка ротора подключается через контактные кольца и щётки к внешнему сопротивлению или устройствам управления. Внешнее сопротивление позволяет повысить пусковой момент и регулировать ток в особых случаях, связанных с высоким моментом инерции или значительными пусковыми нагрузками. Однако наличие щёток, контактных колец и необходимость их обслуживания делают такие машины менее привлекательными при многих новых установках, где двигатель с короткозамкнутым ротором в сочетании с частотным преобразователем обеспечивает аналогичный или даже более эффективный контроль.

Синхронные двигатели

Синхронный двигатель имеет трёхфазную статорную обмотку и роторное магнитное поле, формируемое постоянными магнитами, возбуждением постоянным током или за счёт геометрии релуктанса. После синхронизации ротор вращается именно с синхронной скоростью, а не ниже её. Синхронные двигатели с фазным ротором также могут выполнять функции компенсации реактивной мощности или управления коэффициентом мощности в некоторых промышленных системах. Требования к пуску и управлению у них более сложны, чем у обычного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

4. Соединения «звезда» и «треугольник»: соотношения напряжений и токов

Трёхфазные обмотки обычно соединяются в звезда (вай, Y) или дельта (Δ) Соединение изменяет соотношение между линейным и фазным напряжением/током, что имеет значение для клеммных зажимов двигателей, пускателей, настройки частотного преобразователя и выбора заменяемого оборудования.

Для симметричного соединения звездой:

V_L=\sqrt3V_ph

I_L=I_ph

Для симметричного соединения в треугольник:

V_L=V_ph

I_L=\sqrt3I_ph

На шильдиках двигателей могут указываться несколько значений напряжения — например, 230/460 В или 400/690 В — поскольку обмотка может быть подключена по‑разному в зависимости от величины линейного напряжения. Никогда не исходите из того, что двигатель можно подключать в любом из этих режимов при любом напряжении; для этого необходимо руководствоваться данными на шильдике и схемой подключения.

5. Входная мощность, коэффициент мощности, КПД и механическая выходная мощность

Для сбалансированной трёхфазной нагрузки действительная электрическая входная мощность равна:

Пин=\sqrt3V_LI_L\cos\phi

Где V_L — действующее значение напряжения между линиями, I_L — ток линии, а \cos\phi — коэффициент мощности. Механическая выходная мощность двигателя равна:

Pвала = Tвалаω_м = \frac{2π nTвала}{60}

Эффективность — это:

η=\fracPshaftPin×100\%

Разница между входной и выходной мощностью превращается в потери: потери меди статора, потери меди ротора, магнитные потери в сердечнике, механические потери на трение и обдув, потери при неполной нагрузке, а также — при работе с частотным преобразователем — потери в самом преобразователе и в кабелях. Для двигателей длительного режима эксплуатации энергоэффективность может стать определяющим фактором стоимости жизненного цикла.

6. Кривая зависимости момента от частоты вращения и энергетический поток асинхронного двигателя

Трёхфазный асинхронный двигатель начинает работу с неподвижного состояния при скольжении, равном 1,0. Он развивает момент на замкнутом роторе и потребляет большой ток. По мере разгона ротора скольжение уменьшается. Двигатель достигает устойчивой рабочей скорости, когда развиваемый электромагнитный момент равен сумме момента нагрузки и механических потерь.

Связь между мощностью и воздушным зазором даёт полезное физическое понимание:

P_r,Cu=sP_ag

P_мех,разр=(1-s)P_аг

При высоком скольжении большая часть мощности воздушного зазора преобразуется в теплоту в обмотке ротора. При номинальном рабочем скольжении основная часть мощности воздушного зазора преобразуется в механическую энергию. Именно поэтому двигатель, работающий вблизи режима блокировки, представляет собой термическую опасность даже при нормальном напряжении.

Распространённым приближением крутящего момента, эквивалентным схеме Тевенена, является:

T_e=\frac{3V_{th}^2(R_2'/s)\omega_s\left[(R_{th}+R_2'/s)^2+(X_{th}+X_2')^2\right]}

Указанное уравнение показывает, что крутящий момент зависит от напряжения, сопротивления ротора, скольжения и эквивалентной реактивности рассеяния. В прикладной инженерии измеренные характеристики поставщика обычно оказываются более полезными, чем кривая, полученная аналитически; однако данная формула объясняет, почему снижение напряжения может резко уменьшить крутящий момент и как конструкция ротора влияет на пусковые характеристики.

Пример работы в рабочей точке

Рассмотрим трёхфазный асинхронный двигатель мощностью 18,5 кВт, четырёхполюсный, подключённый к сети частотой 50 Гц, с номинальной скоростью вращения на холостом ходу 1 455 об/мин.

N_s=120×50/4=1 500 об/мин

s=1500-1455/1500=0,03=3%

f_r=0,03×50=1,5\ Гц

T_номинальное=\frac18,5002π×1455/60≈121.42\ Н·м

В результате получается первичная механическая рабочая точка. Фактические значения линейного тока, коэффициента мощности, КПД, пусковых характеристик и повышения температуры следует определять на основе сертифицированных эксплуатационных данных двигателя при заданных значениях напряжения, частоты, способе монтажа, окружающей среде и режиме работы.

7. Методы пуска: согласование пускового тока и момента с нагрузкой

Запуск по методу «через линию» обеспечивает подачу полного напряжения и нередко приводит к высокому пусковому току. Это может быть приемлемо для небольших двигателей при жёстком питающем источнике, однако для крупных двигателей или слабых электрических систем может потребоваться применение метода с пониженным током. Выбор подходящего пускового устройства зависит от момента нагрузки, инерции, времени разгона, мощности сети, технологических требований и допустимой механической нагрузки.

Компания ABB сообщает, что при пуске по полной схеме ток в питающей линии может превышать номинальный ток двигателя примерно на 300–600%, в зависимости от конструкции и эксплуатационных характеристик двигателя [2]. Именно поэтому анализ пусковых токов является обязательным для крупных электродвигателей, длинных питающих линий, систем, питаемых от генераторов, а также для объектов с чувствительными нагрузками, расположенными выше по цепи.

8. Приводы с регулируемой частотой: от двигателей с фиксированной скоростью до управляемых приводов

Частотный преобразователь выпрямляет входное переменное напряжение, формируя постоянное напряжение на шине, после чего с помощью широтно‑импульсной модуляции генерирует управляемое трёхфазное выходное напряжение. Изменяя частоту выходного сигнала, он регулирует синхронную скорость; согласуя напряжение и частоту, он контролирует магнитный поток в воздушном зазоре и величину крутящего момента.

Ниже номинальной скорости традиционное управление по методу V/Hz примерно поддерживает постоянный магнитный поток и позволяет работать в режиме постоянного момента. При превышении номинальной скорости напряжение ограничивается уровнем постоянного тока на шине, вследствие чего система переходит в режим ослабления поля: доступный момент уменьшается с ростом скорости. Векторное управление и управление с ориентацией по полю позволяют дополнительно улучшить динамику момента, стабильность регулирования скорости и характеристики при низких оборотах за счёт управления компонентами тока, отвечающими за формирование магнитного потока и создание момента.

Компания Oriental Motor утверждает, что частотный преобразователь (ЧП) регулирует скорость асинхронного двигателя, изменяя частоту подаваемого на него напряжения с помощью широтно‑импульсной модуляции, и отмечает, что системы с ЧП обычно применяются для трёхфазных двигателей [3].

Применение частотных преобразователей требует внимания к таким аспектам, как напряжённость электрической изоляции, перенапряжение вследствие отражений в кабеле, токи общего режима, токи, протекающие через подшипники, охлаждение двигателя на низких оборотах, фильтрация, заземление и электромагнитная совместимость (ЭМС). Длинные кабели двигателей и старые двигатели могут потребовать установки выходных реакторов, фильтров dv/dt, синусных фильтров, изолированных подшипников, заземления вала либо других мер по снижению воздействия, соответствующих конкретной установке.

9. Данные на табличке: минимальная информация, которую необходимо интерпретировать

Табличка на двигателе определяет рабочий диапазон. Компания ABB подчёркивает, что данные с таблички обеспечивают правильный выбор, монтаж, согласование с приводом, ремонт, замену и диагностику [2]. Заменяющий двигатель должен соответствовать не только мощности: важны также напряжение, частота, скорость, типоразмер, способ крепления, конструкция корпуса, изоляция, режим работы, КПД и соответствие требованиям к преобразователю частоты.

10. Практический рабочий процесс выбора трёхфазного электродвигателя

Выбор начинается с профиля нагрузки. Правильно подобранный по мощности двигатель должен обеспечивать пуск, разгон, работу в номинальном режиме, замедление, выдерживать условия эксплуатации и соответствовать имеющейся электрической системе. Завышение мощности снижает КПД при малых нагрузках и увеличивает стоимость; недостаточная мощность приводит к тепловой перегрузке, плохому пуску, ложным отключениям и сокращению срока службы.

11. Термическое проектирование, надёжность и техническое обслуживание

Непрерывная допустимая мощность трёхфазного двигателя определяется температурным режимом. Тепло выделяется за счёт потерь в обмотке статора, потерь в роторе, потерь в магнитопроводе, трения подшипников, ветровых потерь, а также потерь, связанных с преобразователем частоты/инвертором. Конструкция установки может как способствовать, так и препятствовать теплоотведению: двигатель, установленный на теплопроводящей раме с хорошей циркуляцией воздуха, будет работать иначе, чем тот же двигатель, заключённый в жаркий и запылённый шкаф.

12. Применение: согласование типа двигателя и системы управления с характером нагрузки

Трёхфазные асинхронные двигатели применяются практически во всех отраслях промышленности, поскольку их обмотка, ротор, корпус и привод могут быть адаптированы к конкретным нагрузкам. Приведённые ниже примеры представляют собой рекомендации по выбору, а не универсальные рецепты.

Вывод: трёхфазные двигатели обладают высокой мощностью благодаря сбалансированности системы.

Преимущество трёхфазного асинхронного двигателя заключается в наличии естественно вращающегося поля статора, обеспечивающего плавный вращающий момент заданного направления, широком выборе надёжных вариантов ротора, а также в зрелой экосистеме пусковых устройств, частотных преобразователей, средств защиты, редукторов и отлаженных методов сервисного обслуживания. Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором по‑прежнему остаётся стандартом в промышленности, поскольку сочетает простоту конструкции с высокой надёжностью, тогда как синхронные двигатели и двигатели с фазным ротором предназначены для решения специализированных задач, требующих особых эксплуатационных характеристик.

Оптимальный выбор двигателя определяется комплексным анализом всей системы: требуемыми значениями крутящего момента и скорости, условиями пуска, моментом инерции нагрузки, источником питания, типом преобразователя частоты или пускателя, температурными условиями, конструкцией корпуса, механическим интерфейсом, целевым уровнем КПД и стратегией технического обслуживания. При тщательном согласовании этих параметров трёхфазные асинхронные двигатели обеспечивают надёжное, масштабируемое и управляемое движение, на котором основывается современная промышленность.

Список литературы

Примечание редакции: Настоящая статья предназначена для целей инженерного образования и предварительного выбора оборудования. Окончательные решения по выбору двигателя, пускового устройства, частотного преобразователя, кабельной продукции, средств защиты, корпуса, заземления и мер безопасности должны быть проверены на соответствие документации выбранного поставщика и подтверждены в условиях эксплуатации, предусмотренных для данного применения.

• [1] EEPower — Изучение трёхфазных двигателей: типы и принципы работы
• [2] ABB — Как расшифровать шильдик электродвигателя NEMA
• [3] Oriental Motor — Основы регулирования скорости: частотный преобразователь или симисторное управление для асинхронных двигателей переменного тока
• [4] TME — трёхфазные, двухфазные и однофазные двигатели