Электродвигатели асинхронные трехфазные двухскоростные
Электродвигатели асинхронные трехфазные двухскоростные: принцип действия, конструкции, управление и применение
Асинхронные трехфазные двухскоростные электродвигатели представляют собой специализированный класс электрических машин, предназначенных для работы на двух различных синхронных скоростях вращения. Их ключевое преимущество заключается в возможности ступенчатого изменения частоты вращения вала без применения внешних частотных преобразователей, что обеспечивает надежность, простоту системы управления и экономическую эффективность для ряда технологических процессов.
Принцип действия и способы получения двух скоростей
Скорость вращения магнитного поля статора (синхронная скорость) асинхронного двигателя определяется по формуле: n = (60
- f) / p, где f – частота питающей сети (Гц), p – число пар полюсов. Таким образом, для получения двух различных скоростей необходимо иметь возможность изменять число пар полюсов p. Существует два основных метода реализации этого принципа в двухскоростных двигателях.
- Переключение «треугольник – двойная звезда» (Δ/YY): Применяется, когда требуется, чтобы мощность двигателя оставалась примерно постоянной на обеих скоростях. Низкая скорость соответствует соединению «треугольник», высокая – «двойная звезда».
- Переключение «звезда – двойная звезда» (Y/YY): Используется, когда требуется постоянный вращающий момент на валу. Низкая скорость соответствует соединению «звезда», высокая – «двойная звезда». При этом мощность на высокой скорости примерно вдвое выше, чем на низкой.
- Вентиляционные установки: Основная сфера. Переключение с высокой скорости (максимальная производительность) на низкую (режим вентиляции или ночной режим) позволяет значительно экономить электроэнергию.
- Насосные агрегаты: Регулирование производительности насосных станций, снижение гидравлических ударов.
- Подъемно-транспортное оборудование: Краны, лебедки, где требуются две скорости перемещения – рабочая и посадочная.
- Станкостроение: Приводы главного движения и подач, требующие ступенчатого изменения скорости.
- Центрифуги и смесители: Разделение режимов разгона/торможения и рабочего цикла.
- Более низкая капитальная стоимость системы (двигатель + простой шкаф управления).
- Высокая надежность и устойчивость к неблагоприятным условиям (вибрация, температура, влажность).
- Высокий КПД на каждой из рабочих скоростей, отсутствие гармонических искажений от ПЧ.
- Простота ввода в эксплуатацию и обслуживания.
- Ступенчатое, а не плавное регулирование скорости.
- Ограниченное количество скоростей (обычно две).
- Наличие бросков тока и момента при переключении.
- Как правило, невозможность переключения «на ходу» без специальных схем.
- Перегрев: Неправильная коммутация, работа на одной скорости при нагрузке, рассчитанной на другую, неисправность системы вентиляции.
- Выход из строя обмотки: Попытка переключения на ходу, межвитковое замыкание из-за перенапряжений.
- Повышенный шум и вибрация: Механический дисбаланс, износ подшипников, неправильная центровка.
- Не включается одна из скоростей: Неисправность соответствующего контактора в шкафу управления, обрыв в цепи управления.
1. Двигатели с двумя независимыми обмотками на статоре (Separate Winding)
В статоре размещены две полностью изолированные друг от друга трехфазные обмотки, каждая из которых рассчитана на свое число полюсов (например, 2p=4 и 2p=8). В любой момент времени работает только одна из обмоток, вторая отключена. Такая конструкция обеспечивает максимальную гибкость, так как обмотки могут быть выполнены на разные мощности и даже схемы соединения (звезда/треугольник). Однако она приводит к увеличению габаритов, массы и стоимости двигателя из-за заполнения пазов двумя обмотками.
2. Двигатели с одной обмоткой, переключаемой по схеме Даландера (Dahlander)
Это наиболее распространенная и экономичная конструкция. В пазах статора уложена одна трехфазная обмотка, выводы которой скоммутированы особым образом. Переключением соединений катушечных групп (с помощью контакторов) можно изменять число полюсов, обычно в соотношении 1:2 (например, 2/4, 4/8 полюса). Существует два основных варианта переключения по Даландеру:
Конструктивные особенности и характеристики
Двухскоростные двигатели, особенно по схеме Даландера, имеют ряд специфических особенностей. Конструкция ротора – всегда короткозамкнутая (типа «беличья клетка»), так как она автоматически адаптируется к числу полюсов статора. Система охлаждения должна быть рассчитана на работу на обеих скоростях, что часто требует использования независимого вентилятора (система охлаждения IC 416). На корпусе двигателя размещена клеммная коробка с увеличенным числом выводов (обычно 6, 9 или 12), требующая точного соблюдения схемы соединения согласно паспортной табличке.
Основные соотношения параметров для схемы Даландера представлены в таблице:
| Схема переключения | Соотношение скоростей (nвыс/nниз) | Соотношение мощностей (Pвыс/Pниз) | Соотношение моментов (Mвыс/Mниз) | Типовое применение |
|---|---|---|---|---|
| Треугольник – Двойная звезда (Δ/YY) | ~2:1 | ~1:1 | ~1:2 | Станки, транспортеры, где мощность постоянна. |
| Звезда – Двойная звезда (Y/YY) | ~2:1 | ~2:1 | ~1:1 | Вентиляторы, насосы, где момент пропорционален квадрату скорости. |
Системы управления и коммутации
Управление двухскоростным двигателем осуществляется через специализированный пускорегулирующий аппарат, содержащий как минимум два линейных контактора. Их взаимная блокировка (механическая и электрическая) обязательна для предотвращения одновременного включения обмоток на разные числа полюсов. Для двигателей по схеме Даландера используется три контактора: один для коммутации общей точки, и два – для переключения на высокую и низкую скорость. Переключение скорости должно производиться только после полной остановки двигателя или, в специальных исполнениях с динамическим торможением, на пониженной скорости во избежание огромных бросков тока и механических нагрузок.
Области применения
Преимущества и недостатки по сравнению с частотным приводом
Преимущества двухскоростных двигателей:
Недостатки:
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Можно ли переключать скорость двигателя Даландера «на ходу»?
Нет, стандартные двигатели не предназначены для переключения под нагрузкой при вращении. Это приведет к короткому замыканию в обмотке статора и выходу двигателя из строя. Переключение должно производиться только после полной остановки вала (контроль по реле времени или датчику скорости) либо с применением сложных схем динамического торможения.
Как определить схему соединения обмоток по клеммной колодке?
Схема всегда указана на шильде двигателя и в его паспорте. Типовое обозначение: «Δ/YY 400/690V» или «Y/YY 690/400V». Напряжение указывает на необходимое линейное напряжение для каждой схемы. В клеммную коробку выведены 6 или 9 концов обмотки (U1, V1, W1, U2, V2, W2, а иногда и W2′, U2′, V2′). Коммутация выполняется строго по заводской схеме.
Чем отличается двухскоростной двигатель от двигателя с частотным преобразователем?
Двухскоростной двигатель – это аппаратное изменение конструкции магнитного поля. Частотный преобразователь (ПЧ) – это внешнее устройство, плавно изменяющее частоту и напряжение питания стандартного двигателя. ПЧ обеспечивает широкий диапазон плавного регулирования, но дороже, сложнее и вносит гармоники в сеть.
Как выбрать между схемами Δ/YY и Y/YY?
Выбор определяется характером нагрузки механизма. Для вентиляторов и насосов, где момент сопротивления квадратично зависит от скорости (M ~ n²), применяется схема Y/YY, обеспечивающая примерно постоянный момент. Для механизмов с постоянным моментом нагрузки (транспортеры, мешалки) выбирается схема Δ/YY, обеспечивающая примерно постоянную мощность.
Каковы особенности монтажа и пусконаладки?
Крайне важно проверить правильность коммутации в клеммной коробке и в шкафу управления перед первым пуском. Обязательно проверить работу блокировок между контакторами. Испытания проводят на холостом ходу, проверяя направление вращения и потребляемый ток на каждой скорости. Ток на высокой скорости (для Y/YY) должен быть примерно в два раза выше, чем на низкой.