Трехфазный асинхронный электродвигатель: что это и как он применяется в промышленности

Трехфазные асинхронные двигатели составляют основу современного промышленного оборудования. Они приводят в движение конвейеры, насосы, вентиляторы, станки и другую технику на заводах по всему миру. От правильного выбора и настройки асинхронного двигателя зависят эффективность производственных процессов, энергопотребление и надежность оборудования.

Что такое трехфазный асинхронный электродвигатель

Асинхронный трехфазный двигатель — это электрическая машина переменного тока, которая преобразует электрическую энергию в механическую за счет взаимодействия вращающегося магнитного поля статора с токами, индуцированными в роторе.

Принципиальная особенность трехфазного подключения заключается в том, что три обмотки статора, смещенные в пространстве на 120°, питаются переменным током с фазовым сдвигом 120°. Это создает плавно вращающееся магнитное поле, которое захватывает ротор и приводит его во вращение.

Трехфазные электродвигатели для производства применяются в диапазоне мощностей от 0,1 кВт до нескольких мегаватт. Стандартные частоты вращения составляют 750, 1000, 1500 и 3000 об/мин при частоте сети 50 Гц, что определяется количеством пар полюсов магнитного поля.

Почему трехфазный электродвигатель называют асинхронным

Термин «асинхронный» означает, что скорость вращения ротора всегда меньше скорости вращения магнитного поля статора на величину скольжения. Именно это скольжение необходимо для работы двигателя. Если бы ротор вращался синхронно с полем статора, в обмотках ротора не наводился бы ток, и крутящий момент бы исчез. Скольжение трехфазного электродвигателя обеспечивает непрерывную электромагнитную индукцию и создание вращающего момента.

Как работает трехфазный асинхронный электродвигатель

Принципы работы

Работа трехфазного асинхронного двигателя основана на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора с токами, индуцированными в обмотке ротора. При подаче трехфазного напряжения на обмотки статора создается магнитное поле, вращающееся со скоростью:

n₀ = (60 × f) / p

где f — частота питающей сети (50 Гц), p — число пар полюсов.

Вращающееся поле пересекает проводники ротора и индуцирует в них ЭДС. Под действием этой ЭДС в замкнутых контурах ротора протекают токи, которые создают собственное магнитное поле. Взаимодействие полей статора и ротора создает электромагнитный момент, приводящий ротор во вращение.

Ротор вращается со скоростью n, которая всегда меньше синхронной скорости n₀. Относительная разность скоростей называется скольжением:

s = (n₀ - n) / n₀

Скольжение асинхронных двигателей при номинальной нагрузке составляет 2–8 %, что обеспечивает создание необходимого крутящего момента.

Из чего состоит трехфазный асинхронный электродвигатель

Статор — неподвижная часть двигателя, состоящая из стального корпуса и трехфазной обмотки, уложенной в пазы магнитопровода. Обмотки статора трехфазного электродвигателя смещены на 120° и при подключении к трехфазной сети создают вращающееся магнитное поле.

Ротор — вращающаяся часть, которая бывает двух типов:

• короткозамкнутый ротор с алюминиевыми или медными стержнями, замкнутыми торцевыми кольцами («беличья клетка»);
• фазный ротор с трехфазной обмоткой, выведенной на контактные кольца.

Подшипниковые узлы обеспечивают вращение ротора и воспринимают радиальные и осевые нагрузки. Применяются шариковые или роликовые подшипники, рассчитанные на 20 000–40 000 часов работы.

Система охлаждения включает вентилятор на валу ротора и ребра на корпусе статора. Эффективное охлаждение предотвращает перегрев обмоток и продлевает срок службы изоляции.

Типы трехфазных асинхронных электродвигателей

Трехфазные электродвигатели с короткозамкнутым ротором

Составляют 90 % всех асинхронных машин. Ротор представляет собой «беличью клетку» из алюминиевых или медных стержней, залитых в пазы магнитопровода и замкнутых торцевыми кольцами.

Особенности: простота конструкции и обслуживания, надежность (отсутствие щеток и контактных колец), относительно низкая стоимость.

Применение: насосы и компрессоры постоянной производительности, вентиляторы систем кондиционирования, конвейеры с постоянной скоростью, деревообрабатывающие и металлообрабатывающие станки, а также станки общего назначения, где не требуется регулирование скорости или используются частотные преобразователи.

Трехфазные электродвигатели с фазным ротором

Имеют трехфазную обмотку, соединенную с контактными кольцами. В цепь ротора можно включать дополнительные сопротивления для регулирования пусковых характеристик и скорости вращения. Требует регулярного обслуживания щеток.

Особенности: возможность регулирования пускового тока, высокий пусковой момент.

Применение: приводы грузоподъемных механизмов, мощных компрессоров, мельниц, дробилок, где требуется плавный пуск с большим моментом или ступенчатое регулирование скорости.

Взрывозащищенные двигатели

Предназначены для работы во взрывоопасных зонах с присутствием горючих газов и паров.

Особенности: взрывонепроницаемая оболочка, специальные уплотнения, увеличенные зазоры между подвижными частями, температурный контроль.

Применение: нефтегазовая промышленность, химическое и лакокрасочное производство, газонаполнительные станции и иные объекты с повышенной пожароопасностью.

Как подключить трехфазный асинхронный электродвигатель

Схемы подключения: звезда и треугольник

Обмотки статора можно подключать двумя основными способами. Выбор схемы зависит от напряжения сети и требований к пуску. Для снижения пусковых токов часто используют комбинированный пуск с переключением после разгона.

Соединение звездой

При соединении звездой концы обмоток соединяются в одну точку, а начала подключаются к фазам сети. Линейное напряжение в 1,5 раза больше фазного. Схема обеспечивает плавный пуск с пониженным пусковым током, но также снижает пусковой момент.

Применение: двигатели мощностью свыше 5 кВт, приводы насосов и вентиляторов, где не требуется большой пусковой момент.

Соединение треугольником

При соединении треугольником конец каждой обмотки соединяется с началом следующей, образуя замкнутый контур. Фазное напряжение равно линейному. Схема обеспечивает максимальный пусковой момент, но увеличивает пусковой ток.

Применение: устройства небольшой мощности (до 5 кВт), приводы компрессоров, станков, где нужен большой пусковой момент.

Пуск по схеме звезда-треугольник

Комбинированная схема пуска предусматривает запуск двигателя в соединении звездой (пониженный ток и момент), а после разгона переключение на треугольник (номинальные характеристики). Переключение осуществляется автоматически через 5–10 секунд после пуска.

Применение: оборудование мощностью 10–100 кВт в приводах насосов, компрессоров, где необходимо ограничить пусковой ток без существенного снижения пускового момента.

Использование частотного преобразователя

Частотный преобразователь позволяет плавно регулировать скорость вращения, изменяя частоту и амплитуду питающего напряжения. Это обеспечивает точное управление технологическими процессами, энергосбережение при переменных нагрузках, мягкий пуск и торможение, защиту от перегрузок.

Как изменить направление вращения электродвигателя

Чтобы изменить направление вращения (выполнить реверс), достаточно поменять местами любые две фазы питающего напряжения. Это приведет к изменению направления вращения магнитного поля статора.

Способы реализации реверса:

• установка реверсивных магнитных пускателей;
• использование частотного преобразователя с функцией реверса;
• монтаж переключателя фаз для ручного управления.

Пример применения: в крановых установках реверс позволяет управлять подъемом и опусканием груза, а также перемещением тележки в обоих направлениях.

Как выбрать трехфазный асинхронный электродвигатель

Ключевые параметры

Мощность двигателя

Определяется по формуле:

P = (M × n) / 9550,

где M — крутящий момент на валу (Н×м), n — скорость вращения (об/мин).

Для расчета гидравлической мощности центробежных насосов:

P = (Q × H × ρ × g) / (3600 × η),

где Q — подача (м³/ч), H — напор (м), ρ — плотность жидкости (кг/м³), η — КПД насоса, а g = 9,81 м/с2.

Рекомендуется выбирать двигатель с запасом мощности 10–20 % для обеспечения надежной работы и возможности перегрузок.

Частота вращения

Определяется количеством пар полюсов:

• 2 полюса (3000 об/мин) — высокоскоростные приводы: центрифуги, шлифовальные станки;
• 4 полюса (1500 об/мин) — универсальное применение: насосы, вентиляторы, конвейеры;
• 6 полюсов (1000 об/мин) — тихоходные механизмы: мешалки, подъемники;
• 8 полюсов (750 об/мин) — тяжелые приводы: мельницы, дробилки.

Класс энергоэффективности

Определяет уровень потребления энергии электродвигателем при заданной нагрузке и соответствует международному стандарту IEC 60034-30-1. Более высокий класс энергоэффективности снижает эксплуатационные расходы за счет меньших потерь энергии.

• IE2 (высокая эффективность) — базовый уровень для современных двигателей. Применяется в стандартных промышленных установках, где энергосбережение не критично.
• IE3 (премиум-эффективность) — оптимален для долгосрочной эксплуатации. Снижает расходы на электроэнергию и соответствует требованиям многих стран по энергосбережению.
• IE4 (супер премиум-эффективность) — применяется в энергоемких или непрерывных процессах, где минимизация потерь особенно важна. Обеспечивает максимальную экономию при высокой начальной стоимости.

Выбор класса должен учитывать режим работы оборудования, стоимость электроэнергии и срок окупаемости.

Степень защиты IP

Класс защиты IP (Ingress Protection) определяет устойчивость электродвигателя к попаданию твердых частиц и влаги. Обозначается двумя цифрами: первая указывает уровень защиты от пыли и твердых тел, вторая — от воды. При выборе двигателя важно учитывать условия эксплуатации: влажность, запыленность, возможность прямого контакта с водой.

Для сухих, чистых помещений достаточно класса IP44 или IP54. В условиях повышенной влажности или запыленности (производства, склады, мастерские) рекомендуется IP55 или IP65. Для наружной установки и эксплуатации в агрессивной среде — IP66 и выше.

Рекомендации по подбору

При выборе трехфазного электродвигателя для производственных задач важно учитывать следующие параметры:

• Характер нагрузки — постоянная или переменная, наличие ударных или кратковременных пиков.
• Условия пуска — требуемый пусковой момент, ограничения по пусковому току.
• Эксплуатационная среда — температура, влажность, наличие пыли или агрессивных веществ.
• Тип крепления — лапы, фланец или комбинированный вариант.

Инженеры компании Siderus подберут для вас оптимальную модель, от компактных решений для вентиляции до мощных приводов для насосного оборудования, и предложат полный комплект сопутствующего оснащения: частотные преобразователи, пускатели, системы защиты и автоматику. В каталоге представлено оборудование Baldor, Leeson, CEMA и др. брендов.

Обслуживание трехфазного асинхронного электродвигателя

Регулярное обслуживание продлевает срок службы двигателя до 15–20 лет и снижает вероятность аварийных остановок.

Ежемесячно:

• Контроль температуры подшипников (не более 80°C).
• Проверка крепления двигателя к основанию.
• Очистка поверхности от пыли и загрязнений.
• Контроль потребляемого тока (не более 110 % номинального).

Ежегодно:

• Измерение сопротивления изоляции обмоток (не менее 1 МОм).
• Проверка состояния подшипников по уровню вибрации.
• Контроль воздушного зазора между статором и ротором.
• Очистка и смазка контактных соединений.

Диагностика неисправностей

Преимущества и недостатки оборудования

Преимущества трехфазного асинхронного электродвигателя

• Высокая надежность и долговечность. Средний срок службы составляет 15–20 лет при правильной эксплуатации. Отсутствие коллекторно-щеточного узла исключает необходимость регулярного обслуживания контактных соединений.
• Простота конструкции и обслуживания. Двигатели с короткозамкнутым ротором не имеют изнашивающихся контактов и требуют минимального обслуживания — периодической смазки подшипников и контроля изоляции.
• Высокий КПД. Современные энергоэффективные приводы класса IE3–IE4 имеют КПД 90–96 %, что обеспечивает значительную экономию электроэнергии при непрерывной работе.
• Широкий диапазон мощностей. Выпускаются устройства от долей киловатта до десятков мегаватт, что позволяет применять их в любых промышленных приложениях.
• Возможность частотного регулирования. Совместно с преобразователями частоты обеспечивают плавное регулирование скорости и момента в широких пределах.

Недостатки асинхронного двигателя

• Большой пусковой ток (в 5–7 раз больше номинального).
• Сложность плавного регулирования скорости без дополнительного оборудования.
• Снижение коэффициента мощности при малых нагрузках.
• Чувствительность к отклонениям напряжения питающей сети.

Заключение

Эффективное использование трехфазных асинхронных электродвигателей требует системного подхода. Начните с анализа требований производства: определите необходимую мощность, частоту вращения и условия эксплуатации. Выберите подходящий тип двигателя — с короткозамкнутым или фазным ротором, обычного или взрывозащищенного исполнения. Правильно рассчитайте схему подключения звездой или треугольником, при необходимости используйте частотные преобразователи для регулирования скорости. Обеспечьте регулярное техническое обслуживание для поддержания высокой эффективности и продления срока службы оборудования.

Для подбора трехфазных асинхронных электродвигателей под вашу задачу отправьте запрос на info@siderus.ru. Для срочных вопросов: +7 (499) 647-47-07.