Двигатели переменного тока, асинхронные двигатели

Группа асинхронных машин включает электрические машины, принцип действия которых основан на вращающемся магнитном поле в зазоре между статором и ротором. Важнейшей и наиболее часто используемой рабочей машиной этой группы является асинхронный двигатель переменного тока с короткозамкнутым ротором. Он имеет следующие характерные особенности:

• простая и прочная конструкция;

• высокая эксплуатационная надежность;

• простота обслуживания;

• низкая цена.

В электрической приводной технике используют, как правило, следующие электродвигатели:

• асинхронные двигатели переменного тока (с короткозамкнутым ротором, с фазным ротором, моментные асинхронные двигатели);

• асинхронные однофазные двигатели переменного тока;

• асинхронные или синхронные серводвигатели;

• двигатели постоянного тока.

Частота вращения привода лучше, проще и экономичнее регулируется с помощью двигателей переменного тока с преобразователем частоты, поэтому двигатели постоянного тока и двигатели переменного тока с контактными кольцами постепенно отходят на второй план. Другие типы асинхронного двигателя переменного тока играют в приводной технике лишь незначительную роль. Поэтому более подробного описания здесь не приводится.

Если скомбинировать электродвигатель, например асинхронный, с редуктором, получается так называемый мотор-редуктор. Каким бы ни был электрический принцип действия двигателя, его механическая конструкция очень сильно зависит от способа монтажа на редуктор. SEW-EURODRIVE использует для этого специально адаптированные двигатели.

Ротор

В пазах пакета ротора находятся залитые под давлением или вставленные стержни обмотки (например, из алюминия и/или меди). С обоих концов они замкнуты накоротко кольцами из того же материала. Стержни с замыкающими кольцами напоминают клетку. Отсюда и второе общепринятое наименование этих двигателей: „асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором типа беличьей клетки“.

Статор

Обмотка вложена в полузакрытые пазы стального шихтованного сердечника и залита синтетической смолой. Количество секций и шаг обмотки варьируются в зависимости от нужного числа полюсов (= скоростей вращения). Вместе с корпусом двигателя шихтованный сердечник образует так называемый статор.

Подшипниковые щиты

Подшипниковые щиты из стали, чугуна или алюминиевого литья под давлением закрывают внутреннее пространство двигателя спереди и сзади. От конструктивного исполнения на стыке со статором зависит степень защиты двигателя.

Вал ротора

Пакет пластин ротора насаживается на стальной вал. Оба конца вала проходят сквозь передний и задний подшипниковые щиты. Спереди это конец выходного вала (в случае мотор-редуктора в форме вала для шестерни); на задний конец устанавливаются крыльчатка для самоохлаждения и/или дополнительные системы, такие как механический тормоз, датчик и т. п.

Корпус двигателя

Корпуса двигателей малой и средней мощности могут изготавливаться из алюминиевого литья под давлением. Но кроме того, для всех классов мощности корпуса изготавливаются также из чугуна. На корпус установлена клеммная коробка, в которой концы обмотки статора подсоединены к клеммной колодке для подключения кабеля питания. Охлаждающие ребра увеличивают поверхность корпуса и тем самым отдачу потерянного тепла окружающему пространству.

Крыльчатка, кожух крыльчатки

Крыльчатка на заднем конце вала закрывается кожухом. Он направляет воздушный поток от вращающейся крыльчатки вдоль ребер корпуса независимо от направления вращения ротора. При вертикальной монтажной позиции защитная крышка (опция) предотвращает падение мелких предметов сквозь решетку кожуха крыльчатки.

Подшипники

Подшипники в переднем и заднем подшипниковых щитах механически соединяют вращающиеся детали с неподвижными. Чаще всего применяются радиальные шарикоподшипники, реже цилиндрические роликоподшипники. Типоразмер подшипника зависит от воспринимаемых им усилий и частоты вращения. Различные системы уплотнений обеспечивают стабильность смазочных свойств в подшипнике и не дают вытекать маслам и/или смазкам.

Симметричная трехфазная обмотка статора подключена к трехфазной сети переменного тока с соответствующими напряжением и частотой. В каждой из трех фаз обмотки протекают синусоидальные токи одинаковой амплитуды, которые смещены во времени друг относительно друга на 120°. За счет того, что полюса обмотки тоже смещены в пространстве на 120°, статор создает магнитное поле, которое вращается с частотой подаваемого напряжения.

Это вращающееся магнитное поле – или просто вращающееся поле – индуцирует в обмотке или в стержнях ротора электрическое напряжение. Поскольку обмотка замкнута кольцами, через нее текут токи короткого замыкания. Возникая вместе с вращающимся полем, эти силы создают на радиусе ротора вращающий момент, который разгоняет ротор в направлении вращающегося поля до частоты вращения. С увеличением скорости вращения ротора частота создаваемого напряжения в роторе снижается, так как разность между скоростями вращения поля и ротора сокращается.

В результате индуцированные напряжения снижаются и уменьшают токи в беличьей клетке, а значит, уменьшаются силы и вращающий момент. Если бы ротор достиг той же скорости, с которой вращается поле, они стали бы вращаться синхронно, и напряжение не индуцировалось бы – следовательно двигатель не смог бы развивать вращающий момент. Однако момент нагрузки и моменты трения в подшипниках обеспечивают разность между скоростями вращения ротора и поля и за счет этого результирующее равновесие между ускоряющим моментом и моментом нагрузки. Двигатель работает асинхронно.

В зависимости от нагрузки на двигатель эта разность больше или меньше, но никогда не равна нулю, поскольку даже при работе без нагрузки всегда есть трение. Если момент нагрузки больше создаваемого двигателем максимального ускоряющего момента, то двигатель „опрокидывается“ в недопустимый режим работы, который может привести к поломке из-за перегрева.

Это необходимое для работы относительное движение между частотой вращения поля и механической частотой вращения обозначается как скольжение s и указывается в процентах от частоты вращения поля. У двигателей малой мощности скольжение может составлять от 10 до 15 процентов, более мощные асинхронные двигатели имеют скольжение около 2–5 процентов.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором потребляет электрическую мощность из электросети и преобразует ее в механическую мощность – то есть в частоту вращения и вращающий момент.

Если бы двигатель работал без потерь, отдаваемая механическая мощность Pout была бы равна потребляемой электрической мощности Pin.

Но как и при всяком преобразовании энергии, в асинхронном двигателе с короткозамкнутым ротором тоже неизбежно возникают потери: потери в меди PCu и потери в стержнях PZ возникают из-за нагрева, которому подвергается любой проводник с током. Потери в железе PFe возникают из-за нагрева при перемагничивании пакета пластин с частотой электросети. Потери на трение PRb возникают из-за трения в подшипниках; а потери на вентиляцию – из-за использования воздуха для охлаждения. Отношение отдаваемой мощности к потребляемой называется коэффициентом полезного действия (КПД) машины.

Согласно требованиям законодательства в последние годы особое внимание уделяется применению двигателей с более высоким КПД. Для этого соответствующими нормативными соглашениями определены категории эффективности, которые указываются изготовителями в технических данных. В целях сокращения основных потерь в электродвигателе это означает следующие условия для его конструкции:

• повышение содержания меди в обмотке двигателя (PCu);

• повышение качества материала пластин (PFe);

• оптимизация геометрии крыльчатки (PRb);

• энергетически оптимальные подшипники (PRb).

Если представить графически зависимость вращающего момента и тока от частоты вращения, получится механическая характеристика асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. До достижения стабильной рабочей точки двигатель проходит эту кривую после каждого включения. Характер кривых зависит от числа полюсов, конструкции и материала обмотки ротора. Знание этих кривых особенно важно в случае приводов, которые работают с постоянными моментами нагрузки (например, подъемные устройства).

Если момент нагрузки рабочей машины больше, чем момент в седловой точке, частота вращения ротора „застрянет в седле“. Двигатель уже не достигнет своей номинальной рабочей точки, т. е. стабильной, термически безопасной рабочей точки. А если момент нагрузки больше, чем даже пусковой момент, вал двигателя останется неподвижным. Если перегружается работающий привод (например, слишком много груза на ленточном конвейере), частота вращения снижается с увеличением нагрузки. Когда момент нагрузки превысит опрокидывающий момент, двигатель „опрокинется“, а частота вращения снизится до значения в седловой точке или даже до нуля. Все сценарии приводят к слишком большим токам в роторе и статоре, так что оба они очень быстро нагреваются. Если нет подходящих защитных устройств, это может привести к термическому разрушению двигателя – он „сгорает“.

Количество теплоты, выделяемое электрическим проводником с током, зависит от сопротивления проводника и от силы протекающего тока. Частые включение и разгон при наличии момента нагрузки создают очень высокую тепловую нагрузку на асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Допустимый нагрев двигателя зависит от температуры охлаждающей среды (например, воздуха) вокруг него и термостойкости материала изоляции обмотки.

Максимально допустимый перегрев двигателей регламентируется через разделение на классы нагревостойкости (ранее „классы изоляции“) (IEC 60034).

Двигатель в своем изначальном классе нагревостойкости должен выдерживать длительную работу с перегревом, обусловленным номинальной мощностью, не получая при этом никаких повреждений. Например, при температуре охлаждающей среды до 40 °C максимально допустимый перегрев по классу нагревостойкости 180(H)³ составляет 125 °C.

• Самый простой режим – работа с постоянным моментом нагрузки. Благодаря постоянной нагрузке в номинальной точке двигатель достигает установившегося теплового состояния через определенное время. Этот режим называют продолжительным режимом S1.
• В кратковременном режиме S2 двигатель в течение определенного периода времени (tB) работает с постоянной нагрузкой. За этот период времени двигатель не успевает достичь установившегося теплового состояния. Затем следует время простоя, которое должно быть выбрано настолько долгим, чтобы двигатель успевал остыть до температуры охлаждающей среды.
• В повторно-кратковременном режиме S3 двигатель в течение определенного времени (tB) работает с постоянной нагрузкой. При этом пуск не должен влиять на нагрев двигателя. Затем следует определенное время простоя (tSt). При этом режиме работы указывается относительная продолжительность включения (ПВ), которая согласно IEC 60034-1 примерно указывает отношение времени работы ко времени цикла (= время работы + время простоя), равному 10 минутам.

Пример: Режим работы S3/40% имеет место, когда двигатель периодически 4 минуты включен и 6 минут выключен.

Допустимая частота включений указывает, сколько раз в час можно включать двигатель без появления тепловой перегрузки. Она зависит от следующих факторов:

• разгоняемые моменты инерции;
• длительность разгона;
• температура окружающей среды;
• продолжительность включения.

Допустимую частоту включений двигателя можно увеличить следующими мерами:

• повышение класса нагревостойкости;
• выбор двигателя на один типоразмер больше;
• установка вентилятора принудительного охлаждения;
• изменение передаточного числа редуктора, а значит, и относительного момента инерции.
• выбор другого типа тормоза

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором за счет переключения пар полюсов могут работать с разной частотой вращения. Размещая в пазы статора несколько обмоток или изменяя направление тока в отдельных секциях обмотки, получают различное число полюсов. В случае раздельных обмоток мощность на каждое число полюсов составляет менее половины мощности односкоростного двигателя того же типоразмера.

Асинхронные мотор-редукторы с переключением числа полюсов применяются в качестве приводов транспортных устройств. При работе с малым числом полюсов скорость движения высокая. Для позиционирования переключаются на многополюсную обмотку с малой частотой вращения. После переключения двигатель по инерции некоторое время сохраняет свою высокую частоту вращения. В это время двигатель переменного тока работает как генератор и затормаживается. Кинетическая энергия преобразуется в электрическую и возвращается в сеть. Недостатком является большой скачок вращающего момента при переключении, который, тем не менее, удается уменьшить соответствующими коммутационными мерами.

Современное развитие недорогой преобразовательной техники благоприятствует замене двигателей с переключением числа полюсов на односкоростные частотно-регулируемые двигатели для многих применений.

Однофазный двигатель хорошо подходит для таких вариантов применения, где не нужен большой пусковой момент, имеется подключение к однофазной сети переменного тока и используется небольшая мощность (<= 2,2 кВт). Типичные примеры применения: привод вентиляторов, насосов и компрессоров. Здесь возможны два основных конструктивных различия:

В первом случае классический асинхронный трехфазный двигатель подключается только к фазе и нулевому проводу. Третья фаза подстраивается через сдвиг фаз с помощью конденсатора. Поскольку конденсатор может создать сдвиг фаз не 120°, а только 90°, однофазный двигатель такого типа, как правило, имеет номинальную мощность всего в две трети от мощности сопоставимого трехфазного двигателя.

Второй способ построения однофазного двигателя заключается в конструктивном изменении обмотки. Вместо трехфазной обмотки реализуются только две фазы, причем разные – основная и вспомогательная. В этом случае секции обмотки смещены друг от друга в пространстве на 90°, а с помощью конденсатора ток на них подается еще и со смещением на 90° по времени, благодаря чему возникает вращающееся поле. Неодинаковые токовые характеристики основной и вспомогательной обмоток, как правило, тоже позволяют развивать лишь две трети от мощности трехфазного двигателя того же типоразмера. Типичные однофазные двигатели: конденсаторный двигатель, двигатель с расщепленной фазой, а также двигатель без самозапуска, который обходится без конденсатора.

SEW-EURODRIVE имеет в ассортименте оба конструктивных варианта однофазных двигателей – двигатели DRK... Оба выпускаются со встроенным рабочим конденсатором. Поскольку он размещен непосредственно в клеммной коробке, габаритные размеры не меняются. С одним рабочим конденсатором пусковой момент составляет примерно 45–50 % от номинального.

Для заказчиков, которым нужен более высокий пусковой момент до 150% номинального вращающего момента, SEW-EURODRIVE может поставить разработанные для этой цели пусковые конденсаторы от надежных поставщиков.

Моментные асинхронные двигатели – это специальное исполнение двигателей переменного тока с короткозамкнутым ротором. Номинальные параметры этих двигателей рассчитываются таким образом, чтобы даже при частоте вращения 0 потребляемый ток был как можно больше, но не доводил до разрушения от перегрева.

Это целесообразно, например, для приводов открывания дверей, перевода стрелок или прессовых инструментов, от которых требуется достижение и надежное удержание положения с помощью электродвигателя.

Еще один часто используемый режим работы – так называемый режим торможения противотоком: Внешняя нагрузка способна проворачивать ротор против направления вращения поля. Вращающееся поле „затормаживает“ частоту вращения и отбирает у системы генераторную энергию, которая возвращается в электросеть – почти ротационное торможение без механической работы трения тормоза.

SEW-EURODRIVE предлагает 12-полюсные моментные асинхронные двигатели DRM../DR2M.. , которые выдерживают длительный перегрев и рассчитаны на применение с номинальным вращающим моментом в режиме останова. Моментные асинхронные двигатели SEW-EUODRIVE подходят для различных требований и скоростей и в зависимости от режима работы могут иметь до трех уровней номинального вращающего момента.

Если электродвигатели применяются во взрывоопасных зонах (согласно Директиве 2014/34/EU; ATEX), для приводов нужно принимать определенные меры защиты. Для этого SEW-EURODRIVE предлагает различные варианты исполнения в зависимости от сферы и региона применения.

Для приводных систем, которые работают прямо от сети и должны дополнительно иметь синхронную частоту вращения, SEW-EURODRIVE предлагает так называемые двигатели LSPM. LSPM означает Line Start Permanent Magnet. Двигатель LSPM – это асинхронный двигатель переменного тока с дополнительными постоянными магнитами. Он запускается асинхронно, затем синхронизируется до частоты питающего напряжения и далее работает в синхронном режиме. Это технология электродвигателей, которая открывает новые, гибкие возможности применения в приводной технике.

Эти компактные гибридные двигатели при работе не имеют потерь в роторе обладают впечатляюще высоким КПД.

Класс энергосбережения достигается до IE4.

Типоразмер двигателя DR..J с технологией LSPM на две ступени меньше, чем у серийного двигателя той же мощности и с таким же КПД. Двигатели одинакового размера достигают класса энергоэффективности в два раза выше, чем асинхронные двигатели.