Электродвигатели с короткозамкнутым ротором SIEMENS

Электродвигатели с короткозамкнутым ротором SIEMENS: конструкция, серии, применение и технические аспекты

Электродвигатели с короткозамкнутым ротором (АДКЗ) составляют основу современного промышленного электропривода благодаря своей надежности, простоте конструкции и низким эксплуатационным затратам. Компания SIEMENS, как один из мировых лидеров в области электротехники, предлагает одну из самых широких и технологически совершенных линеек таких двигателей, соответствующих международным стандартам и специфическим требованиям различных отраслей. Данная статья представляет собой детальный технический обзор асинхронных двигателей SIEMENS с короткозамкнутым ротором.

Конструктивные особенности и принцип действия

Двигатели SIEMENS АДКЗ соответствуют классической конструкции, но с применением высококачественных материалов и оптимизированных производственных процессов. Основными компонентами являются:

• Статор: Состоит из корпуса (чугун или алюминий, в зависимости от серии и габарита), сердечника, набранного из изолированных листов электротехнической стали для минимизации потерь на вихревые токи, и трехфазной обмотки. Обмотка выполняется из медного провода с высокотемпературной изоляцией класса F или H, что обеспечивает значительный запас по термостойкости при работе в номинальном режиме (класс B).
• Ротор (короткозамкнутый): Сердечник ротора также набран из листовой стали и имеет пазы, заполненные алюминиевыми или медными стержнями, которые накоротко замкнуты с торцов концевыми кольцами. Эта конструкция, часто называемая «беличьей клеткой», не имеет электрических соединений с внешней цепью, что и определяет высокую надежность узла.
• Подшипниковые щиты и система охлаждения: В зависимости от исполнения, двигатели оснащаются подшипниками качения (шариковыми или роликовыми) с долгосрочной консистентной смазкой или возможностью регламентной замены. Охлаждение — преимущественно наружное, с самовентиляцией (IC 411) или независимой вентиляцией (IC 416) для специальных применений.

Принцип действия основан на создании вращающегося магнитного поля трехфазной обмоткой статора, которое индуцирует токи в стержнях ротора. Взаимодействие магнитного поля статора с токами ротора создает электромагнитный момент, приводящий ротор во вращение с частотой, немного меньшей синхронной (скольжение).

Основные серии двигателей SIEMENS АДКЗ

Номенклатура SIEMENS структурирована по сериям, каждая из которых предназначена для определенных задач и условий эксплуатации.

1. Серия SIMOTICS GP (General Purpose)

Универсальные двигатели для общих промышленных применений: насосы, вентиляторы, компрессоры, конвейеры, станки. Ключевые характеристики:

• Мощность: от 0.09 кВт до 200 кВт (низковольтные, до 1000 В).
• Степень защиты: стандартно IP55, опционально IP56/IP65.
• Класс изоляции: F с запасом по температуре для работы в классе B.
• КПД: Соответствуют стандартам IE2 (Standard Efficiency), IE3 (Premium Efficiency) и IE4 (Super Premium Efficiency) в соответствии с директивой ЕС 640/2009 и ее обновлениями.
• Исполнение: IM B3 (лапы), IM B5 (фланец), IM B35 (лапы + фланец).

2. Серия SIMOTICS SD (Severe Duty)

Двигатели для тяжелых условий эксплуатации и ответственных применений: горнодобывающая, целлюлозно-бумажная, металлургическая промышленность. Отличаются усиленной конструкцией:

• Повышенная стойкость к вибрациям и механическим нагрузкам.
• Специальные покрытия и материалы, устойчивые к коррозии, влаге, химическим агентам.
• Расширенный температурный диапазон.
• Усиленная система подшипников и лапы.

3. Серия SIMOTICS HV (High Voltage)

Высоковольтные двигатели среднего и высокого напряжения (напряжение от 3 кВ до 13.8 кВ и выше, мощность от нескольких сотен кВт до десятков МВт). Используются в энергетике, на насосных и компрессорных станциях, в мельницах и дробилках. Конструкция включает систему изоляции обмотки статора, рассчитанную на высокое напряжение, и часто поставляются в комплекте со шкафами управления и системами защиты.

4. Серия SIMOTICS XP

Взрывозащищенные двигатели, сертифицированные по стандартам ATEX, IECEx для работы во взрывоопасных зонах (газовые и пылевые среды). Имеют маркировку Ex d, Ex e, Ex de, Ex t. Конструктивно предотвращают возможность воспламенения окружающей атмосферы.

Классы энергоэффективности (IE)

Современные двигатели SIEMENS классифицируются согласно международной системе классов энергоэффективности IEC 60034-30-1.

Класс IE	Название	Относительные потери	Применение в сериях SIEMENS
IE1	Standard Efficiency (сняты с производства в ЕС)	Наибольшие	Устаревшие модели, не поставляются в ЕС
IE2	High Efficiency	Средние	SIMOTICS GP, базовый уровень для некоторых мощностей
IE3	Premium Efficiency	Низкие	Основной стандарт для SIMOTICS GP, обязателен в ЕС для большинства мощностей
IE4	Super Premium Efficiency	Очень низкие	Предлагаются в серии SIMOTICS GP как опция, будущий стандарт

Повышение класса эффективности достигается за счет: использования большего количества активных материалов (медь, сталь), оптимизации магнитной цепи и воздушного зазора, применения улучшенных сортов электротехнической стали, снижения паразитных потерь.

Варианты исполнения и модификации

• По способу монтажа (IM): IM B3 (лаповое), IM B5 (фланцевое), IM B35 (комбинированное), IM V1 (вертикальное).
• По степени защиты (IP): IP55 (защита от струй воды и пыли), IP56/IP65 (защита от сильных струй воды и полная защита от пыли), IP23 (каплезащищенное для чистых помещений).
• По классу нагревостойкости изоляции: F (155°C) или H (180°C) с фактической рабочей температурой по классу B (130°C) или F, что увеличивает ресурс.
• По климатическому исполнению: Стандартное (для умеренного климата), тропическое (с защитой от грибка и повышенной влажности), северное (для низких температур).
• С тормозом: Модификации со встроенным электромагнитным тормозом для быстрой остановки и удержания вала.
• С датчиками: Со встроенными датчиками температуры (PTC, PT100), вибрации, энкодерами для обратной связи в системах точного управления.

Управление и пуск

Прямой пуск от сети остается самым распространенным методом для двигателей SIEMENS АДКЗ благодаря высокой перегрузочной способности и надежности. Однако для снижения пусковых токов (в 5-7 раз превышающих номинальный) и динамических нагрузок на механизм применяются:

• Пускатели с системой «звезда-треугольник»: Снижают пусковой ток примерно до 1/3 от прямого пуска, но и пусковой момент также снижается.
• Устройства плавного пуска (Soft Starter): Позволяют плавно наращивать напряжение и ток, обеспечивая безударный разгон и остановку.
• Частотно-регулируемые приводы (ЧРП, преобразователи частоты): Серия SINAMICS от SIEMENS. Это наиболее технологичное решение, позволяющее не только плавно пускать и останавливать двигатель, но и широко регулировать скорость вращения вниз и вверх от номинальной, экономя значительное количество энергии, особенно в насосных и вентиляторных приложениях. Совместная работа двигателей SIMOTICS и преобразователей SINAMICS оптимизирована, включая подавление bearing currents (токов подшипников) и снижение акустического шума.

Техническое обслуживание и диагностика

Двигатели SIEMENS АДКЗ требуют минимального, но регулярного технического обслуживания (ТО). Основные процедуры включают:

• Контроль и, при необходимости, замену смазки в подшипниках качения. Интервалы замены зависят от типа подшипника, скорости вращения, условий работы и могут достигать десятков тысяч часов.
• Контроль вибрации. Превышение допустимых уровней вибрации по ISO 10816 может указывать на дисбаланс, ослабление креплений, износ подшипников или проблемы с соосностью.
• Измерение сопротивления изоляции обмоток мегомметром (испытание напряжением 500 В или 1000 В для низковольтных двигателей). Снижение сопротивления указывает на увлажнение или старение изоляции.
• Контроль температуры с помощью встроенных датчиков или пирометров. Перегрев — признак перегрузки, ухудшения условий охлаждения или внутренних неисправностей.
• Анализ потребляемого тока. Несимметрия по фазам или повышенный ток могут сигнализировать о проблемах в сети, обрыве стержня «беличьей клетки» или механической перегрузке.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Как правильно подобрать двигатель SIEMENS для центробежного насоса?

Необходимо определить: 1) требуемую мощность на валу насоса (по характеристикам насоса); 2) напряжение питающей сети (380В, 690В, 6кВ и т.д.); 3) режим работы (S1 — продолжительный); 4) степень защиты (обычно не ниже IP55 для помещений); 5) климатические условия. Рекомендуется выбирать двигатель с классом энергоэффективности не ниже IE3. Для плавного пуска и регулирования производительности следует рассмотреть комплектацию с ЧРП SINAMICS.

Что означает маркировка, например, «1LE1001-1DA43-4FA4»?

Это тип двигателя (Typ) SIEMENS. Расшифровка: «1LE1» — серия (низковольтный двигатель общего назначения); «001» — размер сердечника; «1DA43» — код исполнения (конструкция, степень защиты, вариант монтажа, материал корпуса); «4» — число полюсов (4 полюса = ~1500 об/мин при 50 Гц); «F» — класс изоляции (F); «A4» — версия для определенного рынка/стандарта. Точную расшифровку следует искать в официальных каталогах SIEMENS или с помощью конфигураторов.

Чем обусловлен высокий пусковой ток АДКЗ и как с ним бороться?

В момент пуска ротор неподвижен, скольжение равно 1. Сопротивление роторной цепи минимально (активное сопротивление стержней), что приводит к току, ограниченному лишь полным сопротивлением рассеяния статора и ротора. Для борьбы применяют: пуск при пониженном напряжении (звезда-треугольник, автотрансформатор), плавный пуск, частотный пуск через ЧРП. Последний метод наиболее эффективен, так как позволяет ограничить ток на уровне номинального или чуть выше.

Можно ли использовать двигатель с классом изоляции F в режиме класса B?

Да, и это является стандартной практикой. Работа двигателя с изоляцией класса F (рассчитанной на 155°C) при температуре, соответствующей классу B (130°C), создает значительный тепловой запас. Это повышает надежность и срок службы изоляции, особенно при работе в условиях повышенной ambient-температуры или при возможных кратковременных перегрузках.

Каковы основные причины выхода из строя двигателей SIEMENS АДКЗ?

Статистика указывает на следующие основные причины: 1) Износ подшипников (более 50% отказов) из-за неправильной смазки, перегрева, вибраций, misalignment. 2) Повреждение обмоток статора из-за пробоя изоляции (перегрев, увлажнение, перенапряжения, частые пуски). 3) Обрыв стержней ротора («беличьей клетки») из-за термомеханических напряжений при тяжелых пусках. 4) Загрязнение и нарушение охлаждения, ведущее к хроническому перегреву.

Какой класс энергоэффективности IE является обязательным к применению?

В соответствии с действующим законодательством ЕС (директива 640/2009 и ее расширение), для большинства низковольных двигателей мощностью от 0.75 кВт до 1000 кВт, продаваемых на рынке, обязателен минимальный класс IE3. Альтернативой является использование двигателя класса IE2 в сочетании с регулируемым частотным приводом (ЧРП). Требования в других регионах (США, Канада, Китай, Австралия) схожи, с незначительными отличиями в диапазонах мощностей и сроках введения.

В чем преимущество двигателей с медной «беличьей клеткой»?

Ротор, залитый медью (а не алюминием), имеет более низкое активное сопротивление стержней. Это приводит к: 1) Снижению потерь в роторе и, как следствие, более высокому КПД (легче достичь классов IE3 и IE4). 2) Увеличению пускового момента при том же пусковом токе. 3) Улучшенному теплоотводу. Такие двигатели применяются в ответственных приложениях с тяжелыми условиями пуска и высокой продолжительностью работы.