И. Станкевич
Обычно о том, какие электродвигатели стоят на том или ином оборудовании, его владельцы особенно не задумываются, но только до тех пор, пока они не выходят из строя.
А уже первые «болезни» этих «скромных тружеников» вызывают коллапс необъятных потоков грузов.
На склады России поступает много иностранного подъемно-транспортного оборудования, и читателям будет интересно узнать, какие существуют типы и исполнения электродвигателей, работающих в этих машинах и механизмах.
Электродвигатели – непременная составляющая подъемно-транспортного и автоматизированного оборудования: конвейеров, автоматизированных складов, штабелеров, упаковочных автоматов и иной складской техники.
Обычно эти агрегаты подбирают для своего оборудования сами изготовители, но все чаще бывает так, что покупатели и владельцы машин сами могут выбирать электрические силовые агрегаты для нужд своего предприятия в зависимости, например, от специфики условий работы отдельных его участков.
В некоторых случаях компании комплектуют электродвигателями одного типа технику на всех своих складах и предприятиях, чтобы за счет унификации процедур и запчастей сократить расходы на техобслуживание. Иногда электродвигатели выбирают по соображениям невысокой стоимости.
В складском и подъемно-транспортном оборудовании наиболее широко применяют электродвигатели пяти типов:
- электродвигатели постоянного тока с возбуждением от постоянного магнита;
- асинхронные электродвигатели переменного тока. Их применяют в оборудовании непрерывного цикла, например, в обычных конвейерах;
- серводвигатели (сервомоторы). Они работают в машинах, которые должны совершать точные движения, перемещать и позиционировать грузы на строго определенные места: в штабелерах, автоматических складских системах;
- линейные асинхронные двигатели. Используются в оборудовании, для которого важна прежде всего высокая скорость работы, например, в сортировочных машинах;
- мотор-ролики (или мотор-барабаны), т. е. ведущие герметичные ролики, внутри которых заключены небольшие электродвигатели и редукторы. Используются для привода конвейеров, работающих периодически. Раньше складское подъемно-транспортное оборудование оснащали электродвигателями постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов. В настоящее время машины и автоматы комплектуют асинхронными электродвигателями переменного тока, применение которых постоянно расширяется.
В чем преимущества асинхронных электродвигателей?
Асинхронные двигатели переменного тока проще и дешевле электродвигателей других типов, поэтому в настоящее время их применяют все чаще. При выборе асинхронного двигателя следует учитывать два фактора – к.п.д. преобразования энергии и тип исполнения агрегата.
К.п.д. В ряде стран законодательством установлена минимальная величина к.п.д.
для электродвигателей приводов, однако многие производители изготавливают электродвигатели по более жестким стандартам Национальной ассоциации производителей электрооборудования США (NEMA).
Если, выбирая электродвигатель, вы видите, что он соответствует стандарту NEMA Premium, то это гарантирует его высокий к.п.д., надежность и экономичность.
У электродвигателей обычного качества к.п.д. равен 75…85%, у агрегатов высшего качества – 85…95%. Как считают специалисты, агрегаты с высоким к.п.д.
стоят намного дороже обычных, но если электродвигатель будет работать непрерывно, он окупится быстро.
Кроме того, благодаря экономии энергии улучшается экологическая обстановка, на которую все больше обращают внимание в цивилизованных государствах.
Тип исполнения – важная характеристика при выборе электродвигателя. Существует пять основных исполнений асинхронных электродвигателей:
• ODP (Open drip proof) – «каплезащищенный электродвигатель открытого исполнения». Этот тип электродвигателей наиболее широко используют в промышленности. Они не оборудованы вентилятором и имеют проемы в корпусе, через которые внутрь может проникнуть грязь и влага, поэтому использовать такие электродвигатели рекомендуется только в закрытых помещениях;
• TEFC (Totally Enclosed Fan Cooled) – «закрытого типа с вентиляторным охлаждением». Эти двигатели оборудованы вентилятором, создающим поток воздуха через их корпус. Вентилятор герметизирован, и инородные частицы и жидкости не могут проникнуть в электродвигатель извне. Электродвигатели в исполнении TEFC часто применяют в конвейерах;
• TENV (Totally Enclosed Non-Ventilated Motor) – «закрытого типа без охлаждения». Эти электродвигатели также используются в подъемно-транспортном оборудовании складов, если есть внешний источник, создающий воздушный поток для охлаждения двигателя;
• TEBC (Totally Enclosed Blower-Cooled Motor) – «охлаждаемый обдувом». Эти двигатели комплектуют собственным вентилятором, но расположенным и управляемым снаружи.
Электродвигатели типа TEBC обычно применяют в оборудовании высокой мощности: в подъемных кранах, лебедках и т. п.
или в оборудовании, работающем с переменной скоростью, где электродвигатель иногда может работать с частотой вращения, близкой к нулю;
• EPFC (Explosion Proof Fan Cooled Motor) – «во взрывозащищенном исполнении с вентиляторным охлаждением». Используются в условиях высокого содержания в воздухе горючих и взрывоопасных элементов, например, паров бензина, других нефтепродуктов, аммиака, угольной пыли и проч.
Возможности применения любого асинхронного электродвигателя расширяются благодаря использованию электропривода с частотным регулированием (VFD). Асинхронные электродвигатели традиционной конструкции работают с постоянной частотой.
Электропривод с частотным регулированием позволяет менять скорость двигателя и всей машины.
В складском подъемно-транспортном оборудовании электроприводы с частотным регулированием позволяют максимально увеличивать скорость в «пиковые» периоды работы и снижать в другое время, благодаря чему экономится энергия и средства.
Серводвигатели
Эти двигатели занимают свою особую нишу – они работают в оборудовании, где требуется точное регулирование положения и скорости движений. Эти устройства специально разработаны как электродвигатели с якорем малого диаметра, но развивающие высокий крутящий момент. Чем меньше якорь, тем меньше инерция и, следовательно, электродвигатель быстрее разгоняется, и машина работает быстрее.
Серводвигатели оснащают также системами управления по обратной связи: по сигналам тахометра, датчиков линейных перемещений и аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Благодаря управлению по сигналам от этих приборов увеличивается точность движений и регулирования скорости машин.
Серводвигатели применяют в оборудовании и системах, где требуется высокая точность движений: в роботизированном оборудовании, штабелерах и подобных складских машинах.
Электродвигатели этого типа применяют также в оборудовании и системах, где необходима большая точность синхронизации – в машинах, выполняющих установку (позиционирование) грузов на стеллажах автоматизированных складов.
Линейные асинхронные электродвигатели
Линейные асинхронные электродвигатели – новинка в отрасли складского подъемно-транспортного оборудования. Они позволяют значительно увеличить скорость движений машин при замечательной их повторяемости и точности.
Линейный асинхронный двигатель генерирует магнитное поле, которое перемещает ползун (пластину) в двигателе.
Обычно ползун прикрепляется к объекту, который должен передвигаться магнитным полем: например, в сортировочных машинах ползун электродвигателя соединен с подвижным лотком распределителя.
В такой конструкции нет деталей, которые бы изнашивались. Линейные асинхронные электродвигатели обеспечивают точность движений до 0,0335 мм на 1 м перемещения, т. е. позволяют выполнять прецизионные работы. Насколько уникальна такая способность устройств, иллюстрирует тот факт, что толщина человеческого волоса составляет около 0,09 мм, т. е.
в три раза больше! Скорость работы линейных асинхронных электродвигателей очень высокая – до 5 м/с, а следовательно, длительность рабочих циклов у них небольшая и производительность на высочайшем уровне.
Скорость перемещения ползуна на разных отрезках в течение одного цикла можно менять, а можно задавать пошаговое перемещение – это очень полезное качество для некоторых автоматических машин.
Мотор-ролики
Линейные асинхронные электродвигатели – не единственная инновация в области электрических силовых агрегатов. В последнее время в конвейерах все шире стали применять мотор-ролики (MDR – Motor Driven Roller).
Еще два года назад на выставке оборудования по транспортировке материалов и логистике ProMat в Чикаго лишь несколько фирм представили конвейеры с приводом от мотор-роликов, зато в экспозиции в январе 2007 г.
в ассортименте почти каждой фирмы, предлагающей конвейеры, были модели с мотор-роликами.
В Соединенных Штатах конвейеры с приводом от мотор-роликов впервые использовала почтовая служба. Конструкция их проста. Внутри ведущего ролика устанавливается миниатюрный электродвигатель постоянного тока, работающий от напряжения 24 В, и редуктор. В обычных конвейерах один мотор-ролик приходится на 9 обычных роликов.
По словам специалистов, если конвейер перемещает грузы непрерывным потоком, привод от наружных электродвигателей более экономичен. Конвейеры с мотор-роликами рентабельны и используются в основном в тех случаях, когда надо накапливать поступающие грузы на конвейере, а затем перемещать их дальше либо когда требуется разделять поток грузов на группы и перемещать грузы группами.
У мотор-роликов целый «букет» преимуществ. Уровень шума от конвейеров, оснащенных мотор-роликами, значительно ниже, чем от обычных конвейеров. Они позволяют экономить энергию: не только благодаря более высокому к.п.д.
мотор-роликов, но и потому, что конвейер работает только тогда, когда надо. Еще одно преимущество – более высокий уровень систем управления мотор-роликами.
В настоящее время выпускаются конвейеры с мотор-роликами, развивающие скорость до 90 м/мин, а если поток грузов уменьшился, можно снизить скорость до 30 м/мин, уменьшив таким образом износ деталей конвейера и энергопотребление.
Наконец, мотор-ролик практически не нуждается в техобслуживании. Поскольку он работает лишь тогда, когда надо, его ресурс продляется на годы. Когда электродвигатель выйдет из строя, мотор-ролик заменяют другим практически без остановки конвейера.
Трехфазный асинхронный двигатель
Дмитрий Левкин
Трехфазный асинхронный электродвигатель, как и любой электродвигатель, состоит из двух основных частей — статора и ротора. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть. Ротор размещается внутри статора. Между ротором и статором имеется небольшое расстояние, называемое воздушным зазором, обычно 0,5-2 мм.
Статор состоит из корпуса и сердечника с обмоткой. Сердечник статора собирается из тонколистовой технической стали толщиной обычно 0,5 мм, покрытой изоляционным лаком. Шихтованная конструкция сердечника способствует значительному снижению вихревых токов, возникающих в процессе перемагничивания сердечника вращающимся магнитным полем. Обмотки статора располагаются в пазах сердечника.
Ротор состоит из сердечника с короткозамкнутой обмоткой и вала. Сердечник ротора тоже имеет шихтованную конструкцию. При этом листы ротора не покрыты лаком, так как ток имеет небольшую частоту и оксидной пленки достаточно для ограничения вихревых токов.
Принцип работы. Вращающееся магнитное поле
Принцип действия трехфазного асинхронного электродвигателя основан на способности трехфазной обмотки при включении ее в сеть трехфазного тока создавать вращающееся магнитное поле.
Вращающееся магнитное поле — это основная концепция электрических двигателей и генераторов.
Вращающееся магнитное поле асинхронного электродвигателя
Частота вращения этого поля, или синхронная частота вращения прямо пропорциональна частоте переменного тока f1 и обратно пропорциональна числу пар полюсов р трехфазной обмотки.
- где n1 – частота вращения магнитного поля статора, об/мин,
- f1 – частота переменного тока, Гц,
- p – число пар полюсов
Концепция вращающегося магнитного поля
Чтобы понять феномен вращающегося магнитного поля лучше, рассмотрим упрощенную трехфазную обмотку с тремя витками. Ток текущий по проводнику создает магнитное поле вокруг него. На рисунке ниже показано поле создаваемое трехфазным переменным током в конкретный момент времени
Составляющие переменного тока будут изменяться со временем, в результате чего будет изменяться создаваемое ими магнитное поле. При этом результирующее магнитное поле трехфазной обмотки будет принимать разную ориентацию, сохраняя при этом одинаковую амплитуду.
Магнитное поле создаваемое трехфазным током в разный момент времени 
Ток протекающий в витках электродвигателя (сдвиг 60°) Вращающееся магнитное поле
Теперь разместим замкнутый проводник внутри вращающегося магнитного поля. По закону электромагнитной индукции изменяющееся магнитное поле приведет к возникновению электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике.
В свою очередь ЭДС вызовет ток в проводнике.
Таким образом, в магнитном поле будет находиться замкнутый проводник с током, на который согласно закону Ампера будет действовать сила, в результате чего контур начнет вращаться.
Влияние вращающегося магнитного поля на замкнутый проводник с током
Короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя
По этому принципу также работает асинхронный электродвигатель. Вместо рамки с током внутри асинхронного двигателя находится короткозамкнутый ротор по конструкции напоминающий беличье колесо. Короткозамкнутый ротор состоит из стержней накоротко замкнутых с торцов кольцами.
Короткозамкнутый ротор «беличья клетка» наиболее широко используемый в асинхронных электродвигателях (показан без вала и сердечника)
Трехфазный переменный ток, проходя по обмоткам статора, создает вращающееся магнитное поле. Таким образом, также как было описано ранее, в стержнях ротора будет индуцироваться ток, в результате чего ротор начнет вращаться.
На рисунке ниже Вы можете заметить различие между индуцируемыми токами в стержнях. Это происходит из-за того что величина изменения магнитного поля отличается в разных парах стержней, из-за их разного расположения относительно поля.
Изменение тока в стержнях будет изменяться со временем.
Вы также можете заметить, что стержни ротора наклонены относительно оси вращения. Это делается для того чтобы уменьшить высшие гармоники ЭДС и избавиться от пульсации момента. Если стержни были бы направлены вдоль оси вращения, то в них возникало бы пульсирующее магнитное поле из-за того, что магнитное сопротивление обмотки значительно выше магнитного сопротивления зубцов статора.
Скольжение асинхронного двигателя. Скорость вращения ротора
Отличительный признак асинхронного двигателя состоит в том, что частота вращения ротора n2 меньше синхронной частоты вращения магнитного поля статора n1.
Объясняется это тем, что ЭДС в стержнях обмотки ротора индуцируется только при неравенстве частот вращения n2
Асинхронные и синхронные двигатели
Чтобы производственные механизмы работали с максимальной эффективностью, необходимо правильно подобрать электрический двигатель, который будет применяться в качестве привода. В этой статье мы рассмотрим, чем отличаются асинхронные и синхронные двигатели с точки зрения конструктивных особенностей, функциональности и экономичности.
Асинхронные и синхронные двигатели: устройство
Электрические двигатели представляют собой агрегаты для преобразования электроэнергии в энергию механическую. Основу конструкции двигателя (как синхронного, так и асинхронного типа) составляют следующие элементы:
- неподвижный (статор);
- вращающийся (ротор).
Статоры электродвигателей обеих категорий имеют схожий принцип устройства. В специальные пазы (осевые прорези) уложены токонесущие проводки из меди или алюминия. Функцией статора является создание вращающегося магнитного поля. Ротор (с обмоткой возбуждения) закреплен на валу двигателя и вращается под воздействием возникающей электродвижущей силы.
В чем ключевое отличие синхронного двигателя от асинхронного
Главное отличие синхронного от асинхронного двигателя заключается в устройстве ротора.
Роторы синхронных двигателей представляют собой постоянные или электрические магниты. Постоянное магнитное поле, создаваемое ими, взаимодействует с вращающимся магнитным полем статора.
В случае с асинхронным двигателем (который также называют индукционным) в пазы ротора вставляются короткозамкнутые металлические пластины. Кроме короткозамкнутой разновидности, применяются также фазные роторы, снабженные контактными кольцами, которые после разбега замыкаются накоротко.
В результате соотношение частоты оборотов двигателя, находящегося под нагрузкой, с частотой вращения, которая присуща магнитному полю статора, для разных типов двигателя следующее:
- равное для агрегатов синхронного типа;
- неравное для асинхронных двигателей (наблюдается постоянное отставание от скорости вращения магнитного поля статора, равное величине скольжения).
На основе понимания того, чем отличается асинхронный двигатель от синхронного, можно сформулировать главные преимущества и недостатки этих двигателей.
Сравнение разных типов двигателей
Двигатели синхронной разновидности сложнее в использовании, поскольку они:
- в отличие от асинхронных моделей нуждаются в дополнительном источнике постоянного тока;
- подвержены более быстрому износу деталей (по причине использования контактных колец со щетками);
- требуют применения вспомогательных механизмов для запуска (индукционный двигатель имеет собственный пусковой момент).
Для асинхронных моделей характерны:
- простота конструкции;
- надежность в эксплуатации.
При этом синхронные двигатели обладают более широкими возможностями с точки зрения коэффициента мощности, а также менее чувствительны к перепадам напряжения, но стоимость таких агрегатов выше, что делает их использование менее выгодным.
Двигатели переменного тока, асинхронные двигатели
Наша модульная система для двигателей переменного тока позволяет создавать миллионы комбинаций привода.
И это по всему миру: ведь наши двигатели переменного тока отвечают требованиям всех категорий эффективности вплоть до IE4 и покрывают диапазон мощности от 0,09 до 225 кВт.
Из широкого спектра тормозов, датчиков, штекерных разъемов, вентиляторов, специальных защитных и лакокрасочных покрытий модульная система позволяет выбрать любую конфигурацию привода.
Двигатель переменного тока
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.
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.
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 (