Трёхфазные асинхронные двигатели: скольжение, крутящий момент и управление

1. Почему он называется асинхронным двигателем

Слово асинхронный Это позволяет отличить асинхронный двигатель от синхронного. Ротор синхронного двигателя синхронизируется с вращающимся магнитным полем статора и при нормальной работе работает точно на синхронной скорости. Ротор асинхронного двигателя должен оставаться немного позади поля статора, чтобы это вращающееся поле продолжало пересекать проводники ротора и индуцировать в них ток.

Собственное магнитное поле ротора вращается с синхронной скоростью, если рассматривать его с точки зрения статора. Однако сам физический ротор вращается с более низкой механической скоростью. Это может показаться парадоксальным: поле ротора и поле статора остаются взаимно согласованными и поддерживают крутящее усилие, тогда как проводники ротора перемещаются в этом поле со скоростью скольжения.

2. Трёхфазное вращающееся магнитное поле

Сбалансированные трёхфазные напряжения статора разнесены 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°)

Обмотки статора физически распределены по периметру станины. Сбалансированные токи в них создают вращающееся магнитное поле почти постоянной амплитуды. Поле вращается с синхронной скоростью:

N_s=120f/P

Где N_s — синхронная скорость в об/мин, f — частота питающего напряжения в герцах, а P — общее число полюсов. Четырёхполюсный двигатель вращает своё магнитное поле со скоростью 1 500 об/мин при частоте 50 Гц или 1 800 об/мин при частоте 60 Гц.

EEPower описывает последовательное расположение трёх обмоток статора и поясняет, что их взаимная фазовая разность 120° обеспечивает вращающееся магнитное поле статора [2]. Это собственное вращающееся магнитное поле создаёт пусковой момент с неподвижного состояния, благодаря чему стандартный трёхфазный асинхронный двигатель не требует пускового конденсатора или дополнительной обмотки.

3. Как индукция ротора создаёт крутящий момент

Вращающееся магнитное поле статора проходит мимо проводников ротора. В роторе типа «беличья клетка» эти проводники представляют собой стержни, замкнутые концевыми кольцами. В машине с фазным ротором это трёхфазная обмотка ротора, соединённая через контактные кольца. Относительное движение между магнитным полем статора и роторными проводниками индуцирует в роторе ЭДС в соответствии с законом электромагнитной индукции. Индуцированный ток ротора создаёт магнитную силу действия (МСД) ротора, которая взаимодействует с магнитным полем статора, формируя вращающий момент.

Компания EEPower рассматривает асинхронную машину как вращающийся трансформатор: статор питается непосредственно, тогда как ротор получает электрическую энергию за счёт трансформаторного действия через воздушный зазор [1]. Эта аналогия также объясняет использование эквивалентной схемы по одной фазе при расчётах характеристик.

4. Скольжение: ключевая переменная асинхронной работы

Скольжение — это нормированная разность между частотой вращающегося магнитного поля и механической частотой ротора:

s=N_s-N_r/N_s

N_r=(1-s)N_s

При неподвижном состоянии ротора N_r = 0 и s = 1. При отсутствии нагрузки скольжение невелико, но отличается от нуля, поскольку двигателю требуется достаточный момент для преодоления трения, вихревых потерь и потерь в магнитопроводе. При номинальной нагрузке скольжение обычно составляет несколько процентов. Если механическая нагрузка возрастает, ротор немного замедляется, скольжение увеличивается, ток ротора растёт, а электромагнитный момент повышается до тех пор, пока не установится новое равновесие — при условии, что рабочая точка остаётся на стабильном участке характеристики момента — частоты вращения.

Частота тока ротора также пропорциональна скольжению:

f_r=сф

При неподвижном состоянии частота вращения ротора равна частоте статора. При нормальном рабочем скольжении частота вращения ротора значительно ниже. EEPower приводит аналогичную зависимость и указывает, что диапазон нормального установившегося скольжения составляет примерно 1–5% [1].

5. Поток мощности: куда уходит мощность в воздушном зазоре

Поток мощности асинхронного двигателя особенно информативен, поскольку скольжение непосредственно распределяет мощность ротора. Входная электрическая мощность поступает в статор, теряет энергию на потери в обмотке статора и в магнитопроводе, проходит через воздушный зазор как Силовое поле воздушного зазора , после чего распадается на потери в роторе и развиваемую механическую мощность.

P_r,Cu=sP_ag

P_мех,разр=(1-s)P_аг

Где P_ag — мощность в воздушном зазоре. Следовательно, потери меди ротора прямо пропорциональны скольжению. При скольжении 3% примерно 3% мощности в воздушном зазоре преобразуется в теплоту в обмотке ротора, а около 97% — в внутреннюю механическую мощность, с учётом потерь на трение и ветровые нагрузки.

Связь между выходной мощностью вала и крутящим моментом выражается следующим образом:

Pвал = Tвалωм = \frac{2π nTвал}{60}

6. Эквивалентная схема: почему асинхронный двигатель похож на трансформатор

Эквивалентная схема асинхронного двигателя по одной фазе включает сопротивление статора R_1, реактивное сопротивление утечки статора X_1, магнитирующую ветвь R_c∥X_m и роторную цепь, приведённую к статору. Роторная ветвь часто записывается следующим образом:

R_2'/s+jX_2'

Слагаемое R_2'/s можно разделить на две концептуальные составляющие:

R_2'/s=R_2'+R_2'\left(1-s/s\right)

Первая составляющая отражает потери в обмотке ротора. Вторая — механическую часть преобразования мощности, соответствующую мощности в воздушном зазоре в контурной аналогии. Компания EEPower разрабатывает эквивалентную схему по типу трансформатора и подчёркивает разложение сопротивления ротора, зависящего от скольжения [1].

7. Характеристики крутящего момента — скольжения и крутящего момента — частоты вращения

Асинхронный двигатель обладает нелинейной характеристикой «крутящий момент — частота вращения». В состоянии покоя двигатель развивает крутящий момент при застопоренном роторе. По мере разгона крутящий момент либо возрастает, либо уменьшается в зависимости от конструкции ротора и достигает максимального значения, называемого… Крутящий момент разрушения или Крутящий момент выдвижения , а затем убывает до нуля вблизи синхронной скорости.

Приближённое выражение момента в форме Тевенена имеет вид:

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

Эта зависимость объясняет, почему момент двигателя зависит от приложенного напряжения, сопротивления ротора, реактивного сопротивления рассеяния и скольжения. В обычной ненасыщенной области работы момент примерно пропорционален квадрату напряжения. Поэтому снижение напряжения может резко уменьшить пусковой и перегрузочный момент.

8. Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором является стандартным промышленным решением, поскольку он механически прост. Его роторные стержни замкнуты накоротко и недоступны для обслуживания. В асинхронном двигателе с фазным ротором цепь ротора выводится наружу через контактные кольца и щётки, что позволяет с помощью внешнего сопротивления формировать характеристику крутящего момента — частоты вращения и снижать пусковой ток при работе с тяжёлыми нагрузками.

EASA поясняет, что внешнее резистивное сопротивление ротора в асинхронном двигателе с фазным ротором может формировать множество характеристик «скорость–крутящий момент». Кроме того, отмечается, что двигатели с фазным ротором обеспечивают высокий пусковой момент при ограничении тока при работе с нагрузками большой инерции, однако требуют обслуживания резисторных блоков, щёточного узла и контактных колец [3].

9. Методы пуска и управление пусковыми токами

В режиме остановки проскальзывание равно 1, и двигатель потребляет большой ток. Прямой пуск может вызывать значительный бросок тока, механические удары и снижение напряжения. Выбранный метод пуска должен обеспечивать достаточный момент для разгона нагрузки, одновременно поддерживая допустимые значения тока и механических напряжений.

10. Управление с частотным преобразователем

Частотно‑регулируемый привод изменяет частоту статора, тем самым изменяя синхронную скорость. Ниже номинальной скорости стратегия управления по отношению V/Гц позволяет примерно поддерживать магнитный поток в воздушном зазоре, уменьшая напряжение пропорционально частоте. Это обеспечивает область работы с приблизительно постоянным моментом при соблюдении ограничений по току и охлаждению.

При превышении номинальной скорости напряжение ограничивается уровнем доступного постоянного тока на шине. Двигатель переходит в режим ослабления возбуждения: крутящая способность снижается с ростом скорости. Векторное управление позволяет более точно регулировать составляющие тока, отвечающие за намагничивание и создание крутящего момента, что улучшает крутящий момент на низких оборотах, переходные характеристики и стабильность регулирования скорости.

Применение частотных преобразователей также требует учёта таких факторов, как напряжённость напряжения при широтно‑импульсной модуляции, перенапряжение вследствие отражений в кабеле, токи общего режима, токи, протекающие через подшипники, вопросы заземления, фильтрации и соответствия изоляции двигателя. Двигатель и частотный преобразователь должны быть подобраны в качестве согласованной приводной системы.

11. Пример работы скольжения и потока мощности

Рассмотрим четырёхполюсный трёхфазный асинхронный двигатель, питающийся от сети частотой 50 Гц. Он работает на скорости 1 470 об/мин. Принимаем, что мощность в воздушном зазоре составляет 60 кВт, а механические потери — 1,1 кВт.

N_s=120×50/4=1 500 об/мин

s=1500-1470/1500=0,02=2%

f_r=0,02×50=1\ Гц

P_r,Cu=0,02×60 000=1 200 Вт

P_мех,разр=(1-0,02)×60 000=58 800 Вт

Pвала=58 800−1 100=57 700 Вт

Tshaft=\frac{57\,700}{2\pi\times1470/60}\approx374,83\ Н·м

Этот пример иллюстрирует суть 2‑процентного проскальзывания: 2% мощности воздушного зазора преобразуется в потери в обмотке ротора, тогда как 98% — преобразуется в механическую работу до учёта механических потерь. В реальных конструкциях также необходимо учитывать потери в обмотке статора, магнитные потери, потери в устройстве частотного регулирования (при наличии), температуру окружающей среды, режим работы и требования к ускорению нагрузки.

12. Процесс отбора для трёхфазных асинхронных двигателей

Правильный выбор начинается с анализа нагрузочной кривой и условий эксплуатации. Двигатель, соответствующий номинальной мощности, но не способный разогнать нагрузку, выдержать окружающую температуру или безопасно работать с предполагаемым частотным преобразователем, не является корректным выбором.

13. Приложения и шаблоны применения

Трёхфазные асинхронные двигатели широко применимы, поскольку их базовая конструкция отличается надёжностью, а их характеристики хорошо изучены. Выбор оптимальной схемы применения определяет тип ротора, пускового устройства, частотного преобразователя, редуктора и системы защиты.

14. Термическое проектирование, мониторинг и обслуживание

Асинхронные двигатели надёжны, однако их расчётный срок службы зависит от температуры, смазки, соосности, электрического баланса, контроля загрязнений и механической нагрузки. Потери в обмотке статора, потери в обмотке ротора, магнитные потери, сопротивление воздуха (вентиляция), подшипники, а также воздействие частотных преобразователей — всё это способствует повышению температуры.

Заключение: Скольжение обеспечивает работу асинхронного двигателя

Ключевой особенностью трёхфазного асинхронного двигателя является его строго контролируемая разность скоростей относительно вращающегося магнитного поля статора. Благодаря скольжению в роторе возникают напряжение и ток, а создаваемое ими магнитное поле ротора формирует вращающий момент. Этот простой электромагнитный принцип лежит в основе одной из самых надёжных и долговечных конструкций в промышленности — асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Для корректного применения следует рассматривать скольжение как переменную, определяющую распределение мощности и тепловые характеристики, а не просто как разность двух скоростей. Используйте характеристику «крутящий момент — скорость» для подтверждения пуска и разгона, применяйте эквивалентную схему для анализа поведения напряжения, тока и потерь, выбирайте подходящий ротор и метод пуска, а соединение двигателя с частотным преобразователем осуществляйте только после проверки тепловых, изоляционных, кабельных и механических ограничений. При комплектной реализации в виде системы «двигатель — привод — нагрузка» трёхфазные асинхронные двигатели обеспечивают надёжное и масштабируемое управление движением во всех отраслях промышленности.

Список литературы

Примечание редакции: Настоящая статья предназначена для целей инженерного образования и предварительного выбора оборудования. Окончательный выбор двигателя, типа ротора, пускового устройства/частотного преобразователя, кабелей, средств защиты, системы охлаждения, корпуса, заземления и мер безопасности должен быть подтверждён документацией поставщика и проверен в условиях эксплуатации, для которых оборудование предназначено.

• [1] EEPower — Объяснение работы трёхфазного асинхронного двигателя
• [2] EEPower — Изучение трёхфазных двигателей: типы и принципы работы
• [3] EASA — Применение преобразователей частоты с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором
• [4] ABB — Как расшифровать шильдик двигателя NEMA