Электродвигатели асинхронные реверсивные

Электродвигатели асинхронные реверсивные: устройство, принцип действия, схемы управления и область применения

Асинхронный реверсивный электродвигатель — это трехфазный или однофазный асинхронный двигатель, конструктивно предназначенный для частого изменения направления вращения вала (ротора) на противоположное. Ключевой особенностью является не специфика конструкции самого двигателя, а организация системы его управления, позволяющая быстро и надежно менять порядок чередования фаз питающего напряжения. Большинство стандартных асинхронных двигателей общепромышленного исполнения способны работать в реверсивном режиме при условии правильного подключения через соответствующие коммутационные аппараты.

Принцип действия и физические основы реверса

Направление вращения магнитного поля статора трехфазного асинхронного двигателя определяется порядком чередования фаз питающего напряжения. При стандартном порядке чередования фаз (A-B-C) поле вращается, например, по часовой стрелке. Если поменять местами любые две фазы, питающие обмотки статора, порядок чередования изменится (например, на A-C-B), что приведет к изменению направления вращения магнитного поля на противоположное. Соответственно, ротор, стремясь следовать за полем, также меняет направление вращения. Этот принцип лежит в основе всех схем реверсивного управления.

Конструктивные особенности реверсивных двигателей

Хотя для реверса может использоваться стандартный двигатель, для эксплуатации в режимах частых реверсов (более 30-40 циклов в час) применяются двигатели с оптимизированной конструкцией:

• Усиленная изоляция обмоток: Повышенные электрические и механические нагрузки при частых пусках и реверсах требуют улучшенной изоляции, часто класса F или H.
• Усиленные подшипниковые узлы: Используются подшипники с повышенным ресурсом (чаще всего SKF или аналогичного класса), так как реверсы создают дополнительные осевые и радиальные нагрузки.
• Вентиляция повышенной эффективности: Для компенсации повышенного тепловыделения при частых пусковых режимах.
• Ротор с повышенным моментом инерции: В некоторых исполнениях для снижения динамических нагрузок.
• Встроенные датчики температуры: PTC-термисторы или термопары для защиты от перегрева.

Схемы управления реверсивными асинхронными двигателями

Управление реверсом осуществляется с помощью коммутационной аппаратуры, основной задачей которой является переключение фаз. Простейшая схема с двумя нереверсивными контакторами (пускателями) является базовой.

Схема реверсивного пуска на двух контакторах с механической и электрической блокировками

Это наиболее распространенная схема для управления трехфазным двигателем. Она включает в себя два магнитных пускателя (KM1 – «Вперед», KM2 – «Назад»), кнопочный пост (SB1 «Стоп», SB2 «Вперед», SB3 «Назад») и защитные устройства (автомат QF, тепловое реле KK).

• Принцип работы: При нажатии SB2 срабатывает пускатель KM1, подключая фазы к двигателю в порядке, например, A-B-C. При необходимости реверса сначала нажимается SB1, двигатель останавливается. Затем нажатие SB3 приводит к срабатыванию KM2, который коммутирует две фазы местами (например, A и C), меняя порядок на A-C-B.
• Электрическая блокировка: Осуществляется через нормально-замкнутые (размыкающие) блок-контакты KM1 и KM2 в цепях управления друг друга. Это предотвращает одновременное включение обоих пускателей, которое привело бы к междуфазному короткому замыканию.
• Механическая блокировка (в реверсивных пускателях): Специальный механизм, физически не позволяющий одновременно втянуть оба сердечника.

Управление с помощью частотного преобразователя (ЧП)

Это наиболее современный и технологичный способ управления реверсивным двигателем. Частотный преобразователь позволяет не только менять направление вращения путем изменения последовательности фаз на выходе, но и плавно регулировать скорость, осуществлять динамическое торможение, программировать сложные циклы «разгон-работа-реверс-торможение».

• Преимущества: Плавность пуска и реверса, снижение пусковых токов, энергоэффективность, возможность точного позиционирования при использовании датчика обратной связи, встроенные защиты.
• Реализация реверса: Обычно осуществляется путем подачи соответствующей команды с кнопочного поста, PLC-контроллера или по заданной программе через цифровые входы ЧП.

Таблица сравнения методов управления реверсом

Параметр	Реверсивный пускатель (контакторная схема)	Частотный преобразователь	Реверсивный рубильник
Стоимость реализации	Низкая	Высокая	Очень низкая
Плавность реверса	Отсутствует, рывковый пуск	Полностью плавный, программируемый	Отсутствует
Пусковые токи	Высокие (5-7 Iн)	Ограниченные (до 1.5 Iн)	Очень высокие
Динамическое торможение	Возможно с дополнительными узлами	Встроенная функция	Невозможно
Сложность схемы	Средняя	Высокая (настройка), низкая (монтаж)	Очень низкая
Типовое применение	Лебедки, конвейеры, вентили, простые механизмы	Насосы, вентиляторы, станки, сложные технологические линии	Ручные тали, простейшие устройства с редкими реверсами

Особенности эксплуатации и защиты

Эксплуатация двигателей в реверсивном режиме сопряжена с повышенными нагрузками, что требует особого внимания к системам защиты.

• Тепловая защита: Обязательно использование тепловых реле или электронных защитных устройств с корректно подобранной характеристикой срабатывания, учитывающей частые пусковые токи.
• Защита от «опрокидывания» (потери мощности): При реверсе под нагрузкой двигатель проходит через режим противовключения с высоким скольжением и большими токами. Необходимы быстродействующие максимально-токовые защиты.
• Механическая защита: Использование тормозных устройств (электромагнитных тормозов) для быстрой остановки вала перед реверсом, особенно в грузоподъемных механизмах.
• Защита от повторного включения: В схемах с контакторами необходима выдержка времени между отключением одного направления и включением другого для полного затухания магнитного поля и остановки ротора.

Области применения реверсивных асинхронных двигателей

• Грузоподъемные механизмы: Мостовые краны, тельферы, лебедки (подъем-опускание).
• Обрабатывающие станки: Токарные, фрезерные, сверлильные станки (подача вперед/назад).
• Конвейерные системы: Реверсивные конвейеры, системы накопления и сортировки.
• Вентиляция и климат: Заслонки и клапаны с реверсивным приводом.
• Насосные агрегаты: В некоторых системах для предотвращения гидроудара или обратной промывки фильтров.
• Широкий спектр промышленного оборудования: Двери, ворота, рольставни, смесители, тестомесы и др.

Расчет и выбор реверсивного электродвигателя

При выборе двигателя для реверсивного режима, помимо стандартных параметров (мощность, напряжение, частота вращения, монтажное исполнение), необходимо учитывать:

• Класс режима работы по ГОСТ Р МЭК 60034-1-2014 (S1-S10): Для частых реверсов характерны режимы S4 (цикл с пуском/торможением) или S5 (цикл с реверсом). В паспорте указывается допустимое число включений в час.
• Момент инерции нагрузки (J_нагр): Чем он выше, тем больше время разгона/торможения и тепловые потери в обмотках ротора при реверсе.
• Динамический момент (M_дин): Рассчитывается исходя из требуемого времени реверса (t_р), момента инерции двигателя (J_дв) и нагрузки, а также момента сопротивления (M_с). Упрощенная формула: M_дин = (J_дв + J_нагр) (Δn / (9.55 t_р)) + M_с, где Δn – изменение скорости (об/мин).
• Мощность, рассеиваемая при торможении: Особенно важна при работе от ЧП. Может потребоваться внешний тормозной резистор.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем отличается реверсивный двигатель от обычного асинхронного?

Конструктивно, в большинстве случаев, ничем. «Реверсивным» делает двигатель схема его управления, позволяющая менять порядок фаз. Специальные «реверсивные двигатели» — это, как правило, общепромышленные двигатели, отобранные и сертифицированные для работы в тяжелых режимах (S4, S5) с частыми пусками и реверсами.

Можно ли осуществить реверс однофазного асинхронного двигателя?

Да, для однофазных двигателей с пусковой обмоткой реверс осуществляется путем переключения полярности (начала и конца) именно пусковой обмотки. Это делается с помощью специального реверсивного пускателя или переключателя. Для однофазных двигателей с рабочим конденсатором обычно переключается фазировка конденсаторной обмотки.

Почему при реверсе «на ходу» (без паузы) может сработать защита?

Реверс без предварительной остановки эквивалентен включению двигателя на противовключение. Ротор вращается в одну сторону, а магнитное поле статора — в противоположную. Скольжение становится больше 1, что вызывает огромный броск тока (в 1.5-2 раза выше пускового) и сильный тормозной момент. Это аварийный режим, от которого защищают тепловые и максимально-токовые реле.

Какова минимальная пауза между выключением одного направления и включением другого?

Пауза должна быть не менее времени полной остановки двигателя по инерции. На практике, для надежного гашения дуги в контакторах и рассеивания магнитного поля, в схемы управления часто встраивают реле времени с выдержкой 0.3-1 секунда. При использовании частотного преобразователя этот процесс программируется и синхронизируется с алгоритмом торможения.

Что такое тормозной электродвигатель и нужен ли он для реверса?

Тормозной электродвигатель имеет встроенный электромагнитный тормоз, который при отключении питания механически блокирует вал. Он не является обязательным для реверса, но крайне рекомендуется в грузоподъемных механизмах и оборудовании, где требуется точная и быстрая остановка перед сменой направления, либо для удержания нагрузки в статическом положении.

Как подобрать частотный преобразователь для реверсивного режима?

Мощность ЧП должна соответствовать или быть на одну ступень выше мощности двигателя (например, ЧП на 11 кВт для двигателя 7.5-11 кВт). Ключевой параметр — номинальный длительный выходной ток ЧП. Он должен быть не меньше тока двигателя. Для реверсивного режима с частыми пусками/торможениями рекомендуется выбирать ток ЧП с запасом 15-20%. Обязательно учитывайте необходимость тормозного резистора, если время реверса мало, а инерция нагрузки велика.