Электродвигатели асинхронные S4

Электродвигатели асинхронные с режимом работы S4: принцип действия, расчет и применение

Асинхронные электродвигатели с режимом работы S4 представляют собой специализированный класс машин, предназначенных для циклических нагрузок с частыми пусками и остановками. В соответствии с международным стандартом IEC 60034-1 и его аналогом ГОСТ Р МЭК 60034-1-2014, режим S4 определяется как повторно-кратковременный режим с влиянием пусковых процессов. Его ключевая особенность — последовательность рабочих циклов, каждый из которых включает время пуска, время работы на установившейся скорости с постоянной нагрузкой, время электрического торможения и время паузы. При этом в течение цикла двигатель не успевает достичь теплового равновесия, а нагрев от пусковых токов является значительным фактором.

Детальное определение режима S4 и его составляющие

Цикл работы S4 строго формализован и включает следующие периоды:

• Время пуска (t_s): Период разгона двигателя от нулевой скорости до номинальной. Характеризуется протеканием пусковых токов, в 5-8 раз превышающих номинальный ток I_n, что вызывает интенсивный нагрев обмоток статора и ротора.
• Время работы на установившейся скорости (t_N): Период, в течение которого двигатель работает под постоянной нагрузкой, обычно близкой к номинальной. Двигатель отдает полезную мощность, нагрев продолжается.
• Время торможения (t_f): Период снижения скорости от номинальной до нуля. Чаще всего в режиме S4 применяется динамическое или электродинамическое торможение, которое также генерирует дополнительные потери и нагрев в активных материалах двигателя.
• Время паузы (t_p): Период, когда двигатель отключен от сети и находится в состоянии покоя. В это время происходит частичное охлаждение, но температура не успевает упасть до температуры окружающей среды. Пауза должна быть достаточно короткой, чтобы следующий пуск произошел на остаточном тепле.

Важнейшим параметром режима S4 является продолжительность включения (ПВ или Продолжительность Включения), выражаемая в процентах и рассчитываемая по формуле: ПВ = [(t_s + t_N + t_f) / (t_s + t_N + t_f + t_p)]

• 100%. Стандартные ряды ПВ: 15%, 25%, 40%, 60%. Двигатели для S4 проектируются и выбираются под конкретное значение ПВ и количество включений в час (N_вкл/ч).

Конструктивные особенности и требования к двигателям для режима S4

Асинхронные двигатели, оптимизированные для работы в режиме S4, имеют ряд отличий от двигателей для длительного режима S1.

• Система изоляции обмоток: Применяется изоляция повышенного термокласса (не ниже F, часто H), рассчитанная на длительную работу при повышенных температурах из-за частых пусков.
• Ротор: Предпочтение отдается роторам с короткозамкнутой обмоткой (типа «беличья клетка»), но изготавливаемым из материалов с повышенным электрическим сопротивлением (например, из сплавов алюминия с добавками или латуни). Это позволяет увеличить пусковой момент при снижении пускового тока, что уменьшает тепловую нагрузку в период t_s. Для особо тяжелых условий используются двигатели с массивным ферромагнитным ротором.
• Вентиляция и охлаждение: Часто используются двигатели с независимым охлаждением (обозначение IC 416 по IEC 60034-6), где вентилятор приводится отдельным, постоянно работающим двигателем. Это обеспечивает стабильный отвод тепла во время пауз и торможения, когда собственный вентилятор на валу (IC 411) неэффективен.
• Механическая конструкция: Усиленные подшипниковые узлы, рассчитанные на повышенные циклические радиальные и осевые нагрузки, возникающие при частых пусках и остановах. Повышенная динамическая жесткость вала и корпуса.

Расчет и выбор двигателя для режима S4

Выбор двигателя для S4 — сложная инженерная задача, требующая учета тепловых и динамических процессов. Основные этапы:

1. Определение параметров цикла: Задание времени t_s, t_N, t_f, t_p, нагрузки P_N и момента инерции приводимого механизма J_мех.
2. Приведение нагрузки к ПВ=100% (метод эквивалентных величин): Рассчитывается эквивалентный по тепловому воздействию ток или момент за цикл. Упрощенная формула для эквивалентного момента M_экв:
   M_экв = √[ (M_s² t_s + M_N² t_N + M_f²

3. t_f) / (t_s + t_N + t_f + t_p) ],

где M_s, M_N, M_f — моменты на валу в периоды пуска, установившейся работы и торможения соответственно.

4. Выбор по каталогу: Подбирается двигатель, у которого номинальный момент для заданного ПВ (например, S4-40%) равен или превышает расчетный M_экв. Также проверяется допустимое количество включений в час.

Сравнение характеристик асинхронных двигателей для разных режимов (на примере мощности 11 кВт, 1500 об/мин)

Параметр	Двигатель для S1 (длительный)	Двигатель для S4 (ПВ=40%, 120 вкл/час)	Примечание
Номинальный ток, In, А	22.5	24.8	Для одного и того же полезного момента двигатель S4 имеет больший ток из-за особенностей конструкции ротора.
Пусковой ток, Ia/In	7.2	5.5	Снижен за счет ротора с повышенным сопротивлением.
Пусковой момент, Ma/Mn	2.3	2.8	Повышен для быстрого разгона в условиях частых пусков.
Максимальный момент, Mmax/Mn	3.0	3.2	Запас по перегрузочной способности выше.
Класс изоляции / температура	F (155°C)	H (180°C)	Повышенный термокласс для работы в условиях периодического перегрева.
Способ охлаждения	IC 411 (самовентиляция)	IC 416 (независимое охлаждение)	Обеспечение охлаждения во время пауз.

Типовые области применения двигателей режима S4

Данные двигатели находят применение в механизмах с повторно-кратковременным циклом работы:

• Приводы металлообрабатывающих станков: Токарные, фрезерные, сверлильные станки с автоматическим циклом, где часты циклы «пуск-работа-торможение-пауза».
• Подъемно-транспортное оборудование: Краны-балки, тельферы, лебедки, лифты малой и средней грузоподъемности. Цикл включает подъем, перемещение, опускание груза и ожидание.
• Приводы манипуляторов и промышленных роботов: Для операций точечной сварки, захвата и перемещения деталей.
• Испытательные стенды: Для циклического нагружения испытываемых образцов.
• Приводы механизмов с автоматическим циклом: Поворотные столы, карусельные механизмы, дозаторы.

Управление и схемы торможения

Эффективная работа в режиме S4 невозможна без правильно организованного управления. Для сокращения времени цикла и снижения износа применяются:

• Частотные преобразователи (ЧП): Являются оптимальным решением. Позволяют осуществлять плавный пуск с ограничением тока, работу на переменных скоростях и эффективное торможение (как рекуперативное, так и постоянным током). ЧП позволяет точно программировать цикл S4.
• Устройства плавного пуска (УПП): Обеспечивают снижение пускового тока и плавный разгон, но, как правило, не дают возможности эффективного торможения.
• Схемы динамического торможения: После отключения от сети трехфазного тока на статор подается постоянный ток, создающий неподвижное магнитное поле, в котором ротор быстро тормозится.
• Схемы торможения противовключением: Быстрый, но жесткий метод, при котором две фазы статора меняются местами, что приводит к реверсу магнитного поля и интенсивному торможению с выделением большого количества тепла.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем принципиально отличается режим S4 от режима S3 (повторно-кратковременный без учета пусков)?

Ключевое отличие — учет влияния пусковых и тормозных процессов на тепловой режим двигателя. В режиме S3 считается, что разгон и торможение происходят мгновенно и без дополнительных потерь. В S4 же время и потери в периоды t_s и t_f существенны и напрямую влияют на расчет эквивалентной мощности и выбор двигателя. S4 — более тяжелый и точный с тепловой точки зрения режим.

Можно ли использовать двигатель для S1 в режиме S4?

Только с существенными ограничениями и после тщательного пересчета. Двигатель S1, как правило, не рассчитан на повышенные тепловые нагрузки от частых пусков. Его система охлаждения (IC 411) неэффективна на малых скоростях и в период пауз. Это приведет к перегреву изоляции, резкому снижению срока службы и выходу из строя. Каталожная мощность двигателя S1 должна быть значительно снижена для работы в S4, что экономически и габаритно невыгодно.

Как влияет количество включений в час на выбор двигателя?

Количество включений в час (N_вкл/ч) — критический параметр. С его ростом увеличивается:

1. Среднеквадратичный тепловой ток в обмотках.
2. Износ механических частей (подшипников, торцевых щитов).
3. Эрозия контактов пусковой аппаратуры.

Производители указывают предельное допустимое количество включений в час для каждой модели двигателя в режиме S4. Превышение этого значения недопустимо.

Что важнее при выборе: ПВ или количество включений в час?

Оба параметра равнозначны и должны рассматриваться совместно. Можно иметь цикл с высокой ПВ (60%), но малым количеством включений (30 в час), и цикл с низкой ПВ (15%), но очень частыми пусками (600 в час). Тепловые и механические нагрузки в этих случаях будут разными. Двигатель должен быть выбран по каталогу именно для заданной пары параметров: S4, ПВ=…%, N_вкл=… в час.

Каковы преимущества использования частотного преобразователя с двигателем S4?

Использование ЧП кардинально улучшает работу в режиме S4:

• Снижение пускового тока до 0.5-1.5 I_n, что резко уменьшает тепловую нагрузку на обмотки и сеть.
• Возможность реализации эффективного рекуперативного торможения с возвратом энергии в сеть или торможения постоянным током.
• Точное программирование времен цикла, скоростей, ускорений и замедлений.
• Повышение энергоэффективности за счет оптимизации рабочей точки.

Фактически, связка «ЧП + стандартный двигатель S1» при правильной настройке может успешно заменять специализированный двигатель S4 во многих применениях, обеспечивая более гибкое управление.

Как правильно рассчитать момент инерции для режима S4?

Момент инерции J_прив, приведенный к валу двигателя, является определяющим для времени пуска и торможения. Он рассчитывается как сумма момента инерции ротора двигателя J_дв и момента инерции механизма J_мех, приведенного через квадрат передаточного отношения i: J_прив = J_дв + J_мех / i². Завышенное значение J_прив приведет к увеличению времени t_s и t_f, а значит, к росту потерь и перегреву. Для точного расчета цикла S4 это значение должно быть известно.