Электродвигатели 695 об/мин

Электродвигатели с синхронной частотой вращения 750 об/мин и асинхронной 695 об/мин: конструкция, применение и технические аспекты

Электродвигатели с синхронной частотой вращения 750 об/мин (а фактической, асинхронной, в районе 695-730 об/мин) занимают особую нишу в промышленном приводе. Данная скорость вращения достигается при питании от сети 50 Гц и является одной из стандартных для асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Ключевой параметр – количество пар полюсов. Для достижения указанных оборотов двигатель должен иметь 4 пары полюсов (8 полюсов). Синхронная скорость для такого двигателя рассчитывается по формуле: n = 60f / p, где f=50 Гц – частота сети, p=4 – число пар полюсов. Таким образом, n = 6050 / 4 = 750 об/мин. Реальная же скорость (асинхронная) всегда ниже синхронной на величину скольжения, которое для двигателей нормального скольжения составляет 2-5%. Поэтому рабочая скорость находится в диапазоне 712-735 об/мин, а значение 695 об/мин часто указывается как номинальное для двигателей определенных серий и мощностей, соответствующих скольжению около 7.3%.

Конструктивные особенности 8-полюсных асинхронных двигателей

Двигатели на 750 об/мин (8 полюсов) существенно отличаются от своих высокооборотных аналогов (2- и 4-полюсных). Основные отличия заключаются в геометрии и распределении обмоток.

• Статор. Сердечник статора набирается из изолированных листов электротехнической стали. Для 8-полюсного исполнения при том же наружном диаметре сердечник, как правило, длиннее, чем у 2- или 4-полюсного двигателя той же мощности. Это связано с необходимостью разместить большее количество катушечных групп (8 групп для однослойной обмотки). Пазы статора распределены так, чтобы создать вращающееся магнитное поле с 8 полюсами.
• Обмотка. Обмотка статора выполняется с шагом, охватывающим меньшее количество пазов (укороченный шаг), что является стандартной практикой для подавления высших гармоник. Из-за большего количества полюсов фазные зоны занимают меньшую часть окружности статора. Сечение провода обмотки часто выбирается больше, так как для развития высокого момента при низкой скорости требуется больший ток при том же уровне магнитного потока.
• Ротор. Короткозамкнутый ротор (типа «беличья клетка») для 8-полюсных двигателей имеет характерную особенность: отношение длины к диаметру (L/D) обычно больше, чем у высокооборотных двигателей. Сама «беличья клетка» может быть выполнена из алюминиевого сплава методом литья под давлением или из медных стержней, залитых в пазы и замкнутых на торцевые кольца. Для двигателей с повышенным пусковым моментом применяются роторы с двойной клеткой или глубокопазные.
• Габариты и масса. При одинаковой мощности 8-полюсный двигатель будет иметь большие габариты, массу и момент инерции ротора по сравнению с 4-полюсным. Это связано с необходимостью развить больший вращающий момент (M = P / ω), где угловая скорость ω значительно ниже.

Основные технические характеристики и параметры

Номинальные параметры двигателей серии АИР (российский стандарт) и аналогичных серий IE2, IE3 (международный стандарт) на 750 об/мин.

Таблица 1. Примерный ряд мощностей и параметров асинхронных двигателей 750 об/мин (50 Гц, 380 В)

Мощность, кВт	Номинальный ток, А (прибл.)	КПД, % (класс IE3)	Коэффициент мощности, cos φ	Пусковой ток / Ном. ток (Iп/Iн)	Номинальный момент, Нм	Масса, кг (прибл.)
5.5	13.5	90.5	0.79	6.5	70	85
11	25.5	92.5	0.81	7.0	140	150
22	48	93.8	0.84	7.2	280	260
45	94	94.8	0.86	6.9	573	450
75	152	95.4	0.87	6.8	955	720
110	220	95.8	0.88	6.5	1401	1050

Сферы применения двигателей 695-750 об/мин

Низкая частота вращения и высокий момент определяют основные области применения данных электродвигателей. Они используются в приводах, где требуется значительное усилие и относительно невысокая скорость перемещения или вращения, а также там, где прямая стыковка с низкооборотным оборудованием предпочтительнее использования редуктора.

• Насосное оборудование. Поршневые и плунжерные насосы, шнековые насосы, некоторые типы центробежных насосов высокого давления. Низкая скорость способствует снижению кавитации и износа.
• Вентиляторы и дымососы. Радиальные вентиляторы высокого давления, дутьевые вентиляторы и дымососы котельных установок. Часто используются с частотными преобразователями для регулирования производительности.
• Компрессорное оборудование. Поршневые и винтовые компрессоры, где скорость вращения вала напрямую связана с производительностью.
• Конвейеры и транспортеры. Ленточные конвейеры с большой длиной и нагрузкой, скребковые транспортеры, элеваторы. Высокий пусковой момент позволяет тронуть с места груженую ленту.
• Мешалки и смесители. Приводы мешалок для вязких сред в химической, пищевой и целлюлозно-бумажной промышленности.
• Крановое и подъемное оборудование. Механизмы передвижения тележек и подъема грузов, где важна точность позиционирования и работа в повторно-кратковременном режиме.
• Дробильное и измельчительное оборудование. Щековые, конусные дробилки, мельницы. Требуют высокого пускового момента для раскрутки маховиков и разрушения материала.

Расчет и подбор двигателя 750 об/мин

При выборе двигателя для конкретного применения необходимо выполнить ряд расчетов.

1. Определение требуемой мощности. Мощность рассчитывается исходя из технологических параметров механизма: для насоса – по расходу и напору; для вентилятора – по производительности и давлению; для конвейера – по производительности, длине и коэффициенту сопротивления движению. Важно учитывать возможные перегрузки в переходных режимах (пуск, остановка).
2. Проверка по пусковому моменту. Для механизмов с тяжелым пуском (дробилки, мешалки, подъемники) необходимо убедиться, что кратность пускового момента двигателя (Мп/Мн) превышает момент сопротивления механизма в момент трогания с учетом снижения напряжения в сети. При необходимости выбирается двигатель с повышенным пусковым моментом (например, с ротором двойной клетки).
3. Проверка по тепловому режиму. Для продолжительного режима работы (S1) номинальная мощность двигателя должна быть равна или немного превышать расчетную мощность механизма. Для повторно-кратковременных режимов (S3, S4, S5) необходим расчет эквивалентной мощности с учетом графиков нагрузки, моментов инерции и количества включений в час.
4. Согласование с сетью. Необходимо проверить возможность прямого пуска по условиям падения напряжения в сети. Большой пусковой ток (в 6-7 раз выше номинального) может привести к недопустимому просаду напряжения, влияющему на другое оборудование. В таких случаях применяют пускатели со звезды на треугольник, частотные преобразователи или устройства плавного пуска.

Способы управления и регулирования скорости

Базовый способ управления – прямой пуск от сети через контактор (магнитный пускатель). Однако для регулирования скорости и улучшения пусковых характеристик применяются более сложные методы.

• Частотный преобразователь (ЧП, инвертор). Наиболее современный и эффективный метод. Позволяет плавно регулировать скорость в широком диапазоне (примерно от 5-10% до 100% и выше номинальной), осуществлять плавный пуск и торможение. Для двигателя 750 об/мин (50 Гц) снижение частоты до 25 Гц даст скорость около 375 об/мин с сохранением перегрузочной способности (при правильной настройке закона V/f или использовании векторного управления).
• Устройство плавного пуска (УПП). Ограничивает пусковой ток и момент за счет плавного повышения напряжения на статоре. Не обеспечивает регулирования скорости в рабочем режиме, только в процессе разгона и торможения.
• Переключение обмоток со звезды на треугольник. Классический способ снижения пускового тока в 3 раза. Применим только для двигателей, номинально рассчитанных на работу в соединении «треугольник» при сетевом напряжении 380 В. Пусковой момент также снижается в 3 раза, что неприемлемо для механизмов с тяжелым пуском.
• Каскадные схемы. Для двигателей с фазным ротором (серии АКЗ, МТКН) возможно регулирование скорости путем введения сопротивлений в цепь ротора или использования машино-вентильного каскада. Такие схемы сегодня применяются реже из-за сложности и низкого КПД.

Особенности монтажа, эксплуатации и обслуживания

Монтаж 8-полюсных двигателей, особенно большой мощности, требует учета их значительной массы и вибрационных характеристик.

• Установка и центровка. Двигатель должен устанавливаться на жесткое, ровное основание. Соосность валов двигателя и рабочей машины (насоса, редуктора) должна быть отрегулирована с высокой точностью с помощью лазерного или индикаторного центровочного устройства. Неправильная центровка приводит к биениям, перегреву подшипников и быстрому выходу из строя.
• Подшипниковые узлы. В двигателях мощностью до 200-315 кВт обычно используются подшипники качения (шариковые или роликовые). Более мощные двигатели могут иметь подшипники скольжения. Необходимо контролировать состояние смазки, соблюдать регламент ее замены, следить за температурой и уровнем вибрации.
• Контроль изоляции. Периодически (не реже 1 раза в год) необходимо измерять сопротивление изоляции обмоток статора мегомметром на напряжение 1000-2500 В. Для двигателей на напряжение 380 В сопротивление изоляции должно быть не менее 0.5 МОм, но на практике рекомендуется значение не ниже 1 МОм. Тенденция к снижению сопротивления указывает на увлажнение или старение изоляции.
• Вентиляция и охлаждение. Большинство двигателей серии АИР имеют самовентиляцию (крыльчатка на валу). Важно обеспечить свободный приток и отток охлаждающего воздуха, регулярно очищать ребра корпуса и вентиляционные каналы от пыли и грязи.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем принципиально отличается 8-полюсный двигатель (750 об/мин) от 4-полюсного (1500 об/мин) той же мощности?

Основные отличия: геометрия (8-полюсный длиннее и тяжелее), больший номинальный момент, меньшая рабочая и синхронная скорость, больший пусковой момент (как правило), более высокий cos φ на номинальной нагрузке. 8-полюсный двигатель имеет большее количество катушек в обмотке статора меньшего сечения.

Почему в паспорте указана скорость 695 об/мин, а не 750?

750 об/мин – это синхронная скорость магнитного поля. Реальная скорость ротора всегда меньше из-за скольжения, необходимого для создания вращающего момента. Указание 695 об/мин означает, что номинальное скольжение данного конкретного двигателя составляет примерно (750-695)/750

• 100% = 7.3%. Это характерно для двигателей некоторых серий и мощностей, особенно более старых типов или специального исполнения. Современные двигатели общего назначения обычно имеют номинальную скорость в диапазоне 720-740 об/мин (скольжение 1.3-4%).

Можно ли получить точную скорость 695 об/мин без использования редуктора или частотного преобразователя?

Нет, скорость асинхронного двигателя при питании от сети 50 Гц жестко привязана к синхронным значениям (3000, 1500, 1000, 750, 600 об/мин и т.д.). Фактическая скорость будет колебаться вблизи одной из этих точек в зависимости от нагрузки. Для получения фиксированной скорости 695 об/мин необходимо использовать либо двигатель с фазным ротором и резисторами в цепи ротора (неэффективно), либо асинхронный двигатель с частотным преобразователем, задав выходную частоту ~46.3 Гц, либо двигатель постоянного тока с системой управления.

Какой класс изоляции используется в современных двигателях 750 об/мин?

Современные двигатели серий АИР, IE2, IE3, как правило, имеют класс нагревостойкости изоляции обмоток F (допустимая температура 155°C) с запасом, работая по классу B (130°C) или H (180°C) для специальных исполнений. Это повышает надежность и ресурс двигателя.

Каковы основные причины выхода из строя таких двигателей?

• Перегрузка по току: длительная работа с превышением номинальной мощности, приводящая к перегреву обмоток и деградации изоляции.
• Механические проблемы: износ подшипников из-за плохой смазки, неправильной центровки, вибраций.
• Пробои изоляции: из-за увлажнения, загрязнения, перенапряжений в сети (в том числе от ЧП), старения.
• Несимметрия и падение напряжения в сети: приводят к перегреву одной из фаз и дисбалансу токов.
• Частые пуски: особенно для двигателей, не рассчитанных на режим S4-S5, вызывают тепловое разрушение обмоток из-за высоких пусковых токов.

Эффективно ли использовать частотный преобразователь с двигателем 750 об/мин для длительной работы на низких оборотах (200-300 об/мин)?

Да, эффективно, но с важными оговорками. При снижении частоты ниже 10-15 Гц самовентиляция двигателя (крыльчатка на валу) становится неэффективной, что может привести к перегреву. Для длительной работы на низких скоростях требуется либо независимая принудительная вентиляция двигателя, либо снижение нагрузочной характеристики (момента) на низких частотах. Современные векторные ЧП могут компенсировать это, но физический отвод тепла остается критическим фактором.