Электродвигатели двухскоростные
Электродвигатели двухскоростные: принцип действия, конструкция, схемы управления и области применения
Двухскоростные асинхронные электродвигатели представляют собой специальный класс машин, предназначенных для работы на двух различных фиксированных скоростях вращения. Их ключевое преимущество заключается в возможности переключения скорости без применения внешних устройств плавного регулирования (частотных преобразователей), что обеспечивает надежность и экономичность для ряда технологических процессов. Основной принцип, заложенный в конструкцию таких двигателей, — изменение числа полюсов магнитного поля статора. Поскольку синхронная скорость вращения магнитного поля (nс) прямо пропорциональна частоте питающего тока (f) и обратно пропорциональна числу пар полюсов (p) [nс = 60f / p], изменение конфигурации обмотки статора позволяет получить две дискретные скорости.
Конструктивные исполнения и способы переключения полюсов
Существует два основных конструктивных подхода к созданию двухскоростных двигателей: с двумя независимыми обмотками на статоре и с одной обмоткой, переключаемой по схеме Даландера (Dahlander).
1. Двигатели с двумя независимыми обмотками
В статоре таких двигателей уложены две полностью изолированные друг от друга трехфазные обмотки, каждая из которых рассчитана на свое число полюсов (например, 2p=4 и 2p=8). Каждая обмотка имеет свои выводы, подключаемые к сети через отдельные контакторы. Преимущества данной конструкции:
- Возможность получения любого соотношения скоростей (например, 750/1000 об/мин), так как обмотки независимы.
- Мощность на каждой скорости может быть выбрана произвольно, вплоть до одинаковой номинальной мощности.
- Высокая надежность за счет отсутствия сложных переключений внутри обмотки.
- Большие габариты и масса из-за наличия двух полных обмоток.
- Более высокая стоимость из-за увеличенного расхода меди и изоляционных материалов.
- Сниженный коэффициент мощности (cos φ) по сравнению с однообмоточными двигателями.
- Переключение со звезды на двойную звезду (YY/Y): Применяется, когда требуется, чтобы мощность двигателя оставалась примерно постоянной на обеих скоростях. Высокая скорость соответствует соединению двойная звезда (YY), низкая — звезде (Y).
- Переключение с треугольника на двойную звезду (YY/Δ): Используется, когда необходимо получить постоянный вращающий момент на валу. Высокая скорость — соединение двойная звезда (YY), низкая — треугольник (Δ). При этом мощность на низкой скорости примерно в √3 раз меньше, чем на высокой.
- Режим работы (S1, S2, S3 и т.д.): Двигатели должны быть рассчитаны на работу на обеих скоростях в требуемом режиме.
- Охлаждение: На низкой скорости самовентиляция двигателя менее эффективна, что может потребовать внешнего обдува или выбора двигателя с запасом по мощности.
- Уровень шума и вибрации: Переходные процессы при переключении, а также разные механические резонансные частоты требуют внимания к монтажу и балансировке.
- Согласование с нагрузкой: Правильный выбор схемы Даландера (постоянная мощность или постоянный момент) в соответствии с характеристикой механизма.
- Вентиляция и кондиционирование: Регулировка производительности вентиляторов и насосов (высокая скорость — пиковый режим, низкая — базовый).
- Подъемно-транспортное оборудование: Краны, лебедки, где низкая скорость используется для точного позиционирования груза.
- Металло- и деревообработка: Станки, требующие двух скоростей резания для разных материалов.
- Промышленные центрифуги и смесители: Разделение режимов разгона/торможения и рабочего цикла.
- Конвейерные линии: Переключение скорости в зависимости от технологического цикла.
- Преимущества перед ЧРП: Более низкая капитальная стоимость, высокая надежность (отсутствие сложной электроники), отсутствие генерации высших гармоник в сеть, лучшая стойкость к тяжелым условиям среды (пыль, температура).
- Недостатки: Отсутствие плавности регулирования, только две фиксированные скорости, наличие бросков тока при переключении, невозможность регулирования момента на валу.
Недостатки:
2. Двигатели с одной обмоткой, переключаемой по схеме Даландера
Это наиболее распространенный и экономичный тип двухскоростных двигателей. Одна обмотка статора может быть переключена двумя различными способами, изменяя число пар полюсов, обычно в соотношении 1:2 (например, 2/4, 4/8 полюсов).
Таблица 1. Сравнение схем переключения обмотки по Даландеру
| Схема переключения | Соотношение скоростей (пример) | Соотношение мощностей (Pвыс/Pниз) | Соотношение моментов (Mвыс/Mниз) | Типичное применение |
|---|---|---|---|---|
| YY / Y | 3000/1500 об/мин (2/4 полюса) | ≈ 1 : 1 | ≈ 1 : 2 | Станки, вентиляторы с постоянной мощностью |
| YY / Δ | 3000/1500 об/мин (2/4 полюса) | ≈ 1.7 : 1 (√3:1) | ≈ 1 : 1 | Механизмы с постоянным моментом: транспортеры, подъемники |
Схемы управления и коммутации
Управление двухскоростным двигателем осуществляется через специализированные пусковые панели, содержащие контакторы, реле защиты и управления. Критически важным является обеспечение блокировок, исключающих одновременное включение контакторов, отвечающих за разные скорости и схемы соединения обмоток. Для двигателей Даландера используется три контактора: один для низкой скорости (соединение Δ или Y) и два для высокой скорости (соединение YY). Переключение скоростей должно производиться только после полной остановки двигателя или, в специальных исполнениях, на ходу, но с обязательной паузой для гашения дуги и перекоммутации, что создает значительные переходные процессы и броски тока.
Характеристики и особенности эксплуатации
Механические характеристики двухскоростных двигателей имеют вид двух отдельных кривых, соответствующих разному числу полюсов. Пуск, как правило, осуществляется на низкой скорости (где пусковой момент выше), с последующим переходом на высокую, если это требуется. При выборе двигателя необходимо учитывать:
Таблица 2. Примеры типоразмеров и параметров двухскоростных двигателей (серия АИР)
| Тип двигателя | Мощность, высокая скорость, кВт | Мощность, низкая скорость, кВт | Скорость, об/мин (выс/низ) | Схема соединения | КПД на высокой скорости, % |
|---|---|---|---|---|---|
| АИР 160S4/2 | 15.0 | 7.5 | 3000/1500 | YY/Δ | 90.5 |
| АИР 180M8/4 | 11.0 | 11.0 | 750/1500 | YY/Y | 88.0 |
| АИР 200L12/6 | 9.5 | 7.5 | 500/1000 | YY/Δ | 86.0 |
Области применения двухскоростных электродвигателей
Данные двигатели находят применение в отраслях, где достаточно двух фиксированных режимов работы механизма:
Сравнение с системами частотного регулирования
Двухскоростные двигатели являются альтернативой системам на базе частотных преобразователей (ЧРП).
Выбор в пользу двухскоростного привода оправдан при наличии стабильного технологического процесса, требующего лишь двух режимов, и при жестких ограничениях по бюджету или условиям эксплуатации.
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Можно ли переключать скорости двигателя Даландера на ходу?
Переключение на ходу крайне не рекомендуется для стандартных двигателей. Оно приводит к возникновению больших динамических и электрических перегрузок, бросков тока, превышающих пусковой, и быстрому износу контакторов. Допустимо только при использовании специальных двигателей и схем управления с контролем скольжения и синхронизации, что на практике применяется редко.
Как определить схему соединения обмоток у существующего двигателя?
Необходимо изучить шильдик двигателя и схему соединения в клеммной коробке. На шильдике указываются оба напряжения и скорости, а также, часто, схема (например, «Δ/YY» или «Y/YY»). В клеммной коробке обычно 6 выводов (U1, V1, W1, U2, V2, W2) для двигателей Даландера или 9-12 выводов для двигателей с двумя независимыми обмотками. Точное определение производится по паспорту или путем омметрии.
Что произойдет, если неправильно подключить контакторы при управлении двухскоростным двигателем?
Неправильная коммутация (например, одновременное включение обоих контакторов или ошибочная последовательность) с высокой вероятностью приведет к междуфазному короткому замыканию в обмотке статора, выходу двигателя из строя и срабатыванию защитной аппаратуры.
Почему на низкой скорости двигатель сильнее нагревается?
Основная причина — ухудшение самовентиляции. Вентилятор, расположенный на валу двигателя, работает на низких оборотах, что снижает расход охлаждающего воздуха. Для продолжительной работы на низкой скорости следует выбирать двигатели с независимым вентилятором (система охлаждения IC416) или учитывать снижение мощности по току нагрева.
Можно ли получить три и более скорости с помощью одного двигателя?
Да, существуют многоскоростные двигатели (трех- и четырехскоростные). Они обычно выполняются комбинированно: одна обмотка, переключаемая по Даландеру, плюс одна или две независимые обмотки с другим числом полюсов. Такие двигатели имеют сложную конструкцию, множество выводов и применяются в специальных случаях.
Как выбирается защита для двухскоростного двигателя?
Защита (тепловые реле или настройки цифрового расцепителя) должна быть установлена отдельно для каждого режима скорости, так как рабочие токи отличаются. Используются либо два отдельных реле, подключенных к цепям соответствующих контакторов, либо одно реле с двумя независимыми уставками, переключаемыми синхронно с изменением скорости.