Двигуни змінного струму, асинхронні двигуни

До цієї групи асинхронних машин належать електричні машини, режим роботи яких заснований на обертовому магнітному полі в повітряному проміжку між статором і ротором. Найважливішою і найбільш часто використовуваною машиною в цій групі є асинхронний двигун змінного струму з короткозамкнутим ротором. Він характеризується наступними особливостями:

• Проста та надійна конструкція
• Висока експлуатаційна надійність
• Експлуатація з низьким рівнем обслуговування
• Низька ціна

У техніці електроприводу зазвичай використовуються такі електродвигуни:

• Асинхронні двигуни змінного струму (короткозамкнуті ротори, ротори з контактними кільцями, моментні двигуни)
• Асинхронні однофазні двигуни змінного струму
• Асинхронні або синхронні серводвигуни
• Двигуни постійного струму

Оскільки двигуни змінного струму з частотними перетворювачами забезпечують кращий, простіший і менш обслуговуючий контроль швидкості, двигуни постійного струму та двигуни змінного струму з контактними кільцями стають все менш актуальними. Інші типи асинхронних двигунів змінного струму мають лише незначне значення в приводі. В результаті вони не будуть тут детально розглядатися.

Якщо поєднати електродвигун, такий як двигун змінного струму, з редуктором ви отримаєте мотор-редуктор. Незалежно від електричного принципу двигуна, спосіб його встановлення на редукторі стає особливо важливим з точки зору механічної конструкції двигуна. З цією метою SEW‑EURODRIVE використовує спеціально адаптовані двигуни.

Ротор

У пазах ротора знаходяться залиті під тиском або вставлені стрижні обмотки (наприклад, алюмінію та/або міді). З обох кінців вони замкнуті накоротко кільцями з того ж матеріалу. Стрижні із замикаючими кільцями нагадують клітину. Звідси і друге загальноприйняте найменування цих двигунів: „асинхронний двигун із короткозамкненим ротором типу більчиної клітки“.

Статор

Обмотка, яка інкапсульована синтетичною смолою, вставляється в напівзакритий проріз на ламінованій серцевині статора. Кількість і ширина котушок змінюються для досягнення різної кількості полюсів (= швидкостей). Разом з корпусом двигуна багатошаровий сердечник утворює статор.

Підшипникові щити

Підшипникові щити виготовлені зі сталі, сірого чавуну або литого під тиском алюмінію і герметизують внутрішню частину двигуна на сторонах A та B. Від конструктивного виконання на стику зі статором залежить ступінь захисту двигуна.

Вал ротора

Ламінований сердечник з боку ротора прикріплений до сталевого валу. Два кінці валу проходять через торцевий щит, як на стороні A, так і на стороні B. Кінець вихідного валу встановлений на стороні А (виконаний як кінець валу-шестерні для мотор-редуктора); Вентилятор і його охолоджуючі лопаті та/або додаткові системи, такі як механічні гальма та енкодери, встановлені на стороні B.

Корпус двигуна

Корпус двигуна може бути виготовлений з литого під тиском алюмінію, коли номінальна потужність від низької до середньої. Проте корпус для всіх класів потужності вище цих виготовляється із сірого чавуну та зварної сталі. До корпусу прикріплена клемна коробка, в якій кінці обмотки статора з’єднані з клемною колодкою для електричного з’єднання на стороні замовника. Ребра охолодження збільшують поверхню корпусу, а також збільшують виділення тепла в навколишнє середовище.

Вентилятор, кожух вентилятора

Вентилятор на стороні B закритий кожухом. Ця система спрямовує повітряний потік, що утворюється під час обертання вентилятора, через ребра на корпусі. Як правило, вентилятори не залежать від напрямку обертання ротора. Додатковий навіс запобігає падінню (дрібних) деталей через захисну сітку вентилятора при вертикальній монтажній позиції.

Підшипники

Підшипники на сторонах A і B торцевих щитів механічно з’єднують обертові частини з нерухомими частинами. Зазвичай використовуються радіальні кулькові підшипники. Циліндричні роликові підшипники використовуються рідко. Розмір підшипника залежить від зусиль і швидкостей, які відповідний підшипник повинен сприймати. Різні типи систем ущільнення забезпечують збереження необхідних змащувальних властивостей у підшипнику та запобіганню витікання оливи та/або мастила.

Симетрична трифазна система обмоток статора підключається до системи живлення трифазного струму з відповідною напругою і частотою. У кожній з трьох фаз обмотки протікають синусоїдальні струми однакової амплітуди. Кожен зі струмів зміщений один від одного на 120°. Оскільки фази обмотки також просторово зміщені на 120°, статор створює магнітне поле, яке обертається з частотою прикладеної напруги.

Це обертове магнітне поле - або просто обертове поле - індукує електричну напругу в обмотці ротора або роторних стержнях. Оскільки обмотка замкнена кільцями, через неї течуть струми короткого замикання. Виникаючи разом з полем, що обертається, ці сили створюють на радіусі ротора крутний момент, який розганяє ротор в напрямку обертового поля до частоти обертання. Зі збільшенням швидкості обертання ротора частота створюваної напруги в роторі знижується, оскільки різниця між швидкостями обертання поля та ротора скорочується.

В результаті індуковані напруги знижуються і зменшують струми в обоймі ротора, а значить, зменшуються сили і крутний момент. Якби ротор досяг тієї ж швидкості, з якою обертається поле, вони стали б обертатися синхронно, і напруга не індукувалася - отже двигун не зміг би розвивати обертовий момент. Однак момент навантаження та моменти тертя в підшипниках призводять до різниці між швидкістю ротора та швидкістю обертового поля, і це призводить до рівноваги між моментом прискорення та моментом навантаження. Двигун працює асинхронно.

Величина цієї різниці збільшується або зменшується залежно від навантаження двигуна, але ніколи не дорівнює нулю, оскільки в підшипниках завжди є тертя, навіть при роботі без навантаження. Якщо крутний момент навантаження перевищує максимальний момент прискорення, який може створити двигун, двигун «зупиняється» у неприпустимому робочому стані, що може призвести до теплового пошкодження.

Цей необхідний для роботи відносний рух між частотою обертання поля та механічною частотою обертання позначається як ковзання "s" і вказується у відсотках від частоти обертання поля. У двигунів малої потужності ковзання може становити від 10 до 15 відсотків, потужніші асинхронні двигуни мають ковзання близько 2-5 відсотків.

Двигун змінного струму отримує електричну енергію від системи живлення і перетворює її в механічну енергію, тобто в швидкість і крутний момент. Якби двигун працював без втрат, вихідна механічна потужність P_out відповідала б вхідній електричній потужності P_in.

Однак втрати також відбуваються в двигунах змінного струму, що неминуче при перетворенні енергії: втрати в міді P_Cu і втрати в стержнях P_Z виникають при протіканні струму через провідник. Втрати P_Fe в залізі є результатом перемагнічування багатошарового сердечника з частотою лінії. Втрати на тертя P_Rb виникають від тертя в підшипниках, а втрати повітря виникають від використання повітря для охолодження. Втрати на мідь, стрижень, залізо та на тертя викликають нагрівання двигуна. Ефективність машини визначається як співвідношення між вихідною і вхідною потужністю.

Через законодавчі норми останніми роками все більше уваги приділяється використанню двигунів з більш високим рівнем ККД. Класи енергоефективності визначені у відповідних нормативних угодах. Виробники взяли ці класи в свої технічні дані. З метою скорочення основних втрат в електродвигуні це означає такі умови для його конструкції:

• Збільшене використання міді в обмотці двигуна ( P_Cu)
• Кращий листовий матеріал (P_Fe)
• Оптимізована геометрія вентилятора (P_Rb)
• Енергетично оптимізований підшипник (P_Rb)

Якщо уявити графічно залежність крутного моменту і струму від частоти обертання, вийде швидкісно-моментна характеристика асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором. До досягнення стабільної робочої точки двигун проходить цю криву після кожного увімкнення. Характер кривих залежить від кількості полюсів, конструкції та матеріалу обмотки ротора. Знання цих кривих особливо важливе у разі приводів, які працюють із постійними моментами навантаження (наприклад, підйомні пристрої).

Якщо протикрутний момент веденої машини вищий за момент підтягування, швидкість ротора «застряє в падінні». Двигун більше не досягає своєї номінальної робочої точки (тобто стабільної, термічно безпечної робочої точки). Двигун навіть зупиняється, якщо зустрічний момент перевищує пусковий. Якщо працюючий привод перевантажений (наприклад, перевантажена стрічка конвеєра), його швидкість падає зі збільшенням навантаження. Якщо протикрутний момент перевищує перекидальний момент, двигун «глохне», а швидкість сповільнюється до швидкості підтягування або навіть до нуля. Всі ці сценарії призводять до надзвичайно високих струмів у роторі та статорі, що означає, що обидва дуже швидко нагріваються. Цей ефект може призвести до непоправного теплового пошкодження двигуна – або «перегорання» – якщо немає відповідних захисних пристроїв.

Кількість теплоти, що виділяється електричним провідником зі струмом, залежить від опору провідника і від сили струму, що протікає. Часті включення та розгін за наявності моменту навантаження створюють дуже високе теплове навантаження на асинхронний двигун із короткозамкненим ротором. Допустиме нагрівання двигуна залежить від температури охолоджуючого середовища (наприклад, повітря) навколо нього та термостійкості матеріалу ізоляції обмотки.

Максимально допустимий перегрів двигунів регламентується через поділ на класи нагрівостійкості (раніше „класи ізоляції“) (IEC 60034).

Двигун у своєму початковому класі нагрівостійкості повинен витримувати тривалу роботу з перегріванням, зумовленим номінальною потужністю, не отримуючи при цьому жодних пошкоджень. Наприклад, при температурі середовища, що охолоджує, до 40 °C максимально допустимий перегрів за класом нагрівостійкості 180(H)³ становить 125 °C.

• Найпростіший режим роботи передбачає застосування постійного крутного моменту навантаження. Через певний час двигун досягає свого термічного стабільного стану в результаті тривалого навантаження в робочій точці. Ця операція називається безперервною роботою S1.
• При короткочасному режимі роботи S2 двигун працює при постійному навантаженні протягом певного періоду часу (tB). За цей час двигун не досягає свого теплового стабільного стану. Після цього настає час холостого ходу, який повинен бути достатнім, щоб дозволити двигуну повернутися до температури оточуючого середовища.
• При переривчастому режимі S3 двигун працює при постійному навантаженні протягом певного періоду часу (tB). У цьому випадку запуск не повинен впливати на нагрів двигуна. Після цього слід певний час простою (тСт). Відносний коефіцієнт циклічної тривалості (cdf) задається в цьому режимі роботи. У стандарті IEC 60034-1 IEC 60034-1 вказується частка часу роботи в часі циклу (= час роботи + час простою) у 10 хвилинному циклі.

Приклад: Робочий режим S3/40% застосовується, якщо двигун чотири хвилини працює і шість хвилин вимкнений.

Дозволена частота перемикань означає, як часто двигун можна вмикати протягом години без термічного перевантаження. Це залежить від наступного:

• Момент інерції маси, які потрібно прискорити
• Статичного навантаження
• Типу гальмування
• Тривалості розбігу
• Температури навколишнього середовища
• Вибору іншого типу гальмування

Дозволена частота запуску двигуна може бути збільшена наступними заходами:

• Підвищенням теплового класу
• Вибором більшого за розміром двигуна
• Установкою вентилятора примусового охолодження
• Зміною коефіцієнта редуктора і, відповідно, коефіцієнта інерції
• Обиранням іншого типа гальмування

Двигуни змінного струму можуть працювати на різних швидкостях шляхом перемикання обмоток або частин обмоток. Різна кількість полюсів виникає в результаті вставлення кількох обмоток у пази статора або зміни напряму потоку струму в окремих частинах обмотки. У разі окремих обмоток потужність для кожного числа полюсів становить менше половини потужності одношвидкісного двигуна того ж розміру.

Мотор-редуктори змінного струму зі зміною полюсів використовуються, наприклад, як приводи пересування. Швидкість руху висока під час роботи з малою кількістю полюсів. Низькошвидкісна обмотка перемикається в положення для позиціонування. Через інерцію двигун спочатку продовжує обертатися з високою швидкістю під час перемикання. Під час цієї фази двигун змінного струму працює як генератор і сповільнюється. Кінетична енергія перетворюється в електричну і повертається в систему живлення. Великий крок крутного моменту, викликаний перемиканням, є недоліком. Однак для зменшення цього можна вжити відповідних заходів.

Сучасні розробки недорогих інверторних технологій сприяють технологічній заміні використання двигунів зі зміною полюсів одношвидкісними двигунами, керованими перетворювачами частоти в багатьох сферах застосування.

Однофазний двигун є хорошим варіантом у ваших застосуваннях, там де

• не потрібен високий пусковий момент,
• двигуни підключені до однофазної системи живлення змінного струму,
• використовується відносно низька потужність (<= 2,2 кВт).

Типові приклади застосування включають вентилятори, насоси і компресори. Тут є дві принципові відмінності дизайну:

З одного боку, це класичний асинхронний двигун змінного струму підключений тільки до однієї фази і нульового провідника. Третє підключення здійснюється через зсув фази за допомогою конденсатора. Оскільки конденсатор може генерувати лише зміщення фази на 90°, а не на 120°, цей тип однофазного двигуна зазвичай розрахований лише на дві третини потужності звичайного двигуна змінного струму.

Другий спосіб побудови однофазного двигуна передбачає технічні налаштування обмотки. Замість трифазної обмотки реалізовано лише дві фази, одна як основна фаза, а друга як допоміжна. Котушки, просторово зміщені на 90°, також живляться струмом від конденсатора з тимчасовим зміщенням на 90°, який створює обертове поле. Неоднакове співвідношення струмів головної та допоміжної обмоток також зазвичай забезпечують лише дві третини потужності двигуна змінного струму того ж розміру. Типові двигуни для однофазної роботи включають конденсаторні двигуни, двигуни з екранованими полюсами і пускові двигуни, які не містять конденсатори.

Серія SEW‑EURODRIVE включає обидва типи однофазних двигунів – серії DRK... Обидві оснащені вбудованим робочим конденсатором. Оскільки цей конденсатор розміщений безпосередньо в клемній коробці, уникаються перешкоди контурів. З пусковим конденсатором для запуску доступно від 45 до 50 відсотків номінального крутного моменту.

Для клієнтів, яким потрібен більш високий пусковий момент до 150 % від номінального крутного моменту, SEW-EURODRIVE може надати необхідні для цієї мети значення ємності пускових конденсаторів, які можна придбати у спеціалізованих дилерів із великим запасом.

Моментні двигуни - це двигуни змінного струму спеціальної конструкції з короткозамкнутими роторами. За конструкцією вони розраховані таким чином, що їх споживаний струм є достатньо високим, щоб гарантувати, що вони не завдають собі термічної шкоди під час нульової швидкості. Ця функція корисна, наприклад, під час відкривання дверей та переведення стрілок або пресового обладнання, коли положення було досягнуто, і його необхідно безпечно підтримувати за допомогою електродвигуна.

Іншим поширеним режимом роботи є режим гальмування протиструмом, коли зовнішнє навантаження здатне повертати ротор проти напрямку обертання обертового поля. Обертове поле «уповільнює» швидкість і забирає регенеративну енергію з системи, яка подається в систему живлення – подібно до ротаційного гальмування без роботи механічного гальмування.

SEW‑EURODRIVE пропонує DRM../DR2M.. разом із 12-полюсними моментними двигунами, які термічно розроблені для тривалого використання з номінальним крутним моментом у стані холостого ходу. Моментні двигуни SEW‑EURODRIVE підходять для різних вимог та швидкостей і доступні з трьома номінальними моментами, залежно від режиму роботи.

Якщо ви використовуєте електродвигуни в місцях, де є ризик вибуху (відповідно до Директиви 2014/34/EU (ATEX)), для приводів необхідно вжити спеціальних запобіжних заходів. SEW‑EURODRIVE пропонує ряд різноманітних конструкцій з урахуванням цього в залежності від області та регіону використання..

SEW‑EURODRIVE пропонує лінійку LSPM двигунів для застосувань, які керуються безпосередньо від системи живлення, а також вимагають синхронної швидкості або мають цю характеристику без датчика на простому пеертворювачі. LSPM — це абревіатура від «Line Start Permanent Magnet». Двигун LSPM - це асинхронний двигун змінного струму з додатковими постійними магнітами в роторі. Він працює асинхронно, синхронізується з робочою частотою і з цього моменту працює в синхронному режимі без синхронізації з частотою мережі. Технологія двигуна, яка відкриває нові, гнучкі можливості застосування в техніці приводу, напр. передача вантажів без падіння швидкості.

Ці компактні гібридні двигуни не зазнають втрат ротора під час роботи і характеризуються високою ефективністю. Досягаються класи енергозбереження до IE4.

Розмір двигуна DR..J з технологією LSPM на два ступені менший у порівнянні з серійним двигуном з таким же класом потужності та енергоефективності. З іншого боку, двигуни однакового розміру досягають класу ефективності вдвічі краще, ніж асинхронні двигуни.