Электродвигатели двухскоростные для станков

Электродвигатели двухскоростные для станков: принципы работы, конструктивные особенности и сферы применения

Двухскоростные асинхронные электродвигатели представляют собой специализированный класс приводного оборудования, предназначенный для обеспечения двух различных частот вращения ротора при питании от сети стандартной промышленной частоты (50 Гц). Их ключевое преимущество заключается в возможности изменения скорости без применения частотных преобразователей или механических коробок передач, что обеспечивает простоту, надежность и экономичность системы привода станков.

Принцип действия и основные схемы переключения скоростей

Принцип работы двухскоростных двигателей основан на изменении числа полюсов магнитного поля статора. Скорость вращения магнитного поля (синхронная скорость) определяется по формуле: n = (60

• f) / p, где f – частота сети, p – число пар полюсов. Изменяя конфигурацию обмотки статора, можно изменять число пар полюсов, а следовательно, и синхронную скорость.

Существует три основных конструктивных и схемных решения для реализации двухскоростного режима:

• Двигатели с одной обмоткой (схема Даландера). Наиболее распространенный тип. Одна обмотка статора переключается между двумя конфигурациями: «треугольник/двойная звезда» (∆/YY) для соотношения скоростей 1:2 (например, 1500/3000 об/мин) или «звезда/двойная звезда» (Y/YY). При соединении в «треугольник» или «звезду» (меньшая скорость) ток проходит через всю обмотку, создавая большее число полюсов. При переключении на «двойную звезду» обмотка разделяется на две параллельные ветви, число полюсов уменьшается вдвое, а скорость возрастает. Момент на валу в схеме Даландера при постоянной мощности (∆/YY) остается примерно постоянным, а при постоянном моменте (Y/YY) мощность пропорциональна скорости.
• Двигатели с двумя независимыми обмотками. В пазы статора уложены две полностью изолированные обмотки с разным числом полюсов. Каждая обмотка рассчитана на свою скорость и может иметь разную мощность. Это решение позволяет получить любое соотношение скоростей (например, 750/1500 об/мин, 1000/1500 об/мин), но приводит к увеличению габаритов, массы и стоимости двигателя по сравнению со схемой Даландера.
• Двигатели с комбинированной обмоткой (2 обмотки, одна с переключением). Компромиссный вариант, сочетающий возможности двух предыдущих. Одна из обмоток может переключаться по схеме Даландера, а вторая является независимой. Это позволяет получить три или четыре скорости вращения.

Конструктивные особенности и системы управления

Конструктивно двухскоростные двигатели схожи со стандартными асинхронными двигателями, но имеют более сложную схему выводов обмоток. На клеммную колодку выводится, как правило, 6, 9 или 12 выводов в зависимости от типа. Управление переключением осуществляется с помощью специализированного контакторного блока или реверсивного пускателя с блокировками, который обеспечивает правильную коммутацию фаз и защиту от одновременного включения обоих режимов.

Важным аспектом является способ торможения при переключении со высокой скорости на низкую. Резкое снижение синхронной скорости приводит к переходу двигателя в генераторный режим с рекуперацией энергии в сеть (режим индукционного торможения). Это создает значительный тормозной момент, что полезно для сокращения времени перехода, но требует соответствующей нагрузки контакторов и механической прочности привода.

Сравнительные характеристики схем переключения

Параметр	Схема Даландера (∆/YY)	Схема Даландера (Y/YY)	Две независимые обмотки
Соотношение скоростей	1:2 (напр., 750/1500, 1500/3000 об/мин)	1:2 (напр., 500/1000, 1000/2000 об/мин)	Любое (напр., 750/1000, 1000/1500 об/мин)
Зависимость момент/мощность	Приблизительно постоянный момент (M≈const), мощность пропорциональна скорости	Постоянная мощность (P≈const), момент обратно пропорционален скорости	Определяется независимым расчетом каждой обмотки
Габариты и стоимость	Минимальные (одна обмотка)	Минимальные (одна обмотка)	Увеличены (две полные обмотки)
КПД и cos φ	Выше на высокой скорости (YY)	Выше на высокой скорости (YY)	Оптимизированы отдельно для каждой скорости
Типовое применение на станках	Приводы главного движения (шпиндели), требующие постоянного момента: токарные, расточные, сверлильные (для подач)	Приводы, требующие постоянной мощности: вентиляторы, центробежные насосы, шлифовальные круги	Специальные станки, где требуется гибкое соотношение скоростей без ЧП

Области применения в станкостроении

Двухскоростные двигатели находят широкое применение в металлообрабатывающем и деревообрабатывающем оборудовании, где требуется ступенчатое изменение скорости рабочего органа.

• Токарные и фрезерные станки: Привод шпинделя. Низкая скорость используется для черновой обработки с большим моментом резания, высокая – для чистовой обработки и работы с мелким инструментом.
• Сверлильные станки: Привод шпинделя и механизма подачи. Позволяет подбирать оптимальную скорость сверления для разных материалов и диаметров сверл.
• Шлифовальные станки: Привод шлифовального круга. Часто используется схема с постоянной мощностью (Y/YY) для поддержания постоянной линейной скорости круга при его износе (диаметре).
• Станки с ЧПУ (вспомогательные приводы): Привод гидростанций, систем охлаждения, насосов СОЖ. Две скорости позволяют экономить энергию, снижая производительность вспомогательных систем в режиме ожидания.
• Деревообрабатывающие станки (рейсмусовые, фуговальные): Регулировка скорости подачи заготовки в зависимости от породы дерева и глубины резания.

Преимущества и недостатки по сравнению с другими системами регулирования

Преимущества:

• Простота и высокая надежность конструкции двигателя.
• Отсутствие скользящих контактов (в отличие от двигателей с фазным ротором).
• Высокий КПД на обеих скоростях, так как потери в роторе малы.
• Относительно низкая стоимость системы управления по сравнению с частотным преобразователем.
• Жесткая механическая характеристика на каждой скорости, как у обычного асинхронного двигателя.

Недостатки:

• Ступенчатое регулирование (только 2 скорости).
• Скачок тока при переключении, особенно с низкой на высокую скорость.
• Наличие сложной переключающей аппаратуры (контакторы, реле).
• Невозможность плавного пуска и регулирования в пределах скорости.
• Ограниченный набор стандартных соотношений скоростей.

Критерии выбора и особенности монтажа

При выборе двухскоростного двигателя для станка необходимо учитывать:

• Соотношение скоростей и мощностей: Определяется технологическим процессом. Важно анализировать диаграммы нагрузок: требуется ли постоянный момент или постоянная мощность.
• Режим работы (S1, S3, S6): Длительный, повторно-кратковременный или непрерывный периодический. Это влияет на тепловой расчет.
• Способ монтажа (IM 1001, IM 1002, IM 3001 и др.): Фланцевый или на лапах, с одним или двумя концами вала.
• Класс изоляции и климатическое исполнение: Обычно не ниже F, исполнение IP54/55 для защиты от стружки, пыли и СОЖ.
• Схему управления: Необходимо правильно подобрать контакторы по току (ток на низкой скорости, как правило, выше) и обеспечить механическую и электрическую блокировку.

Монтаж требует особого внимания к коммутации. Неправильное соединение выводов обмотки приводит к короткому замыканию или нарушению направления вращения. Перед первым пуском обязательна проверка сопротивления изоляции и правильности схемы переключения на «холостом» ходу.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем двухскоростной двигатель принципиально отличается от двигателя с частотным преобразователем (ЧП)?

Двухскоростной двигатель изменяет скорость ступенчато (2 фиксированные скорости) за счет переключения обмоток статора. Частотный преобразователь плавно регулирует скорость в широком диапазоне, изменяя частоту и амплитуду питающего напряжения. ЧП обеспечивает более гибкое управление, плавный пуск и энергосбережение, но система «ЧП+двигатель» значительно дороже и сложнее. Двухскоростной привод выбирают для задач, где достаточно двух фиксированных скоростей и критична надежность/простота.

Можно ли переделать обычный трехфазный двигатель в двухскоростной по схеме Даландера?

Нет, это невозможно в условиях ремонтной мастерской. Обмотка статора двухскоростного двигателя изначально проектируется и укладывается с расчетом на конкретные схемы соединений (∆/YY или Y/YY). Она имеет специальные секционирование, шаг и количество катушек. Попытка пересоединения выводов обычного двигателя не даст корректного магнитного поля и приведет к резкому снижению момента, перегреву и выходу из строя.

Как правильно подобрать контакторы для управления двигателем Даландера?

Необходимо три контактора: один для включения на низкой скорости (соединение в ∆ или Y) и два для включения на высокой скорости (соединение в YY). Номинальный ток контактора для низкой скорости выбирается по фазному току двигателя в этом режиме (указан на шильдике). Контакторы для высокой скорости выбираются по току в режиме YY, который примерно в 1.15 раза меньше тока в режиме ∆ при одинаковой мощности. Обязательна взаимная механическая и электрическая блокировка между всеми тремя контакторами.

Почему при переключении со высокой скорости на низкую происходит интенсивное торможение? Не вредно ли это для механической части станка?

Торможение обусловлено переходом двигателя в генераторный режим. Когда число полюсов увеличивается (скорость поля резко падает), ротор, вращаясь по инерции быстрее нового поля, отдает энергию в сеть. Это создает эффективный тормозной момент. Для большинства станков этот режим допустим и даже полезен для сокращения времени переналадки. Однако для механизмов с большой маховой массой или хрупкими передачами ударные динамические нагрузки могут быть нежелательны. В таких случаях рассматривают применение двигателей с независимыми обмотками или частотных преобразователей с плавным переходом.

Каковы основные причины выхода из строя двухскоростных двигателей и как их избежать?

• Перегрев обмотки на низкой скорости: Частая ошибка – длительная работа на низкой скорости при нагрузке, рассчитанной на высокую. На низкой скорости двигатель имеет меньшую эффективность охлаждения (скорость встроенного вентилятора ниже) и больший ток. Необходимо соблюдать режимы работы, указанные в каталожных данных.
• Межвитковое замыкание из-за коммутационных перенапряжений: Частые переключения под нагрузкой вызывают броски напряжения в обмотке. Рекомендуется использовать контакторы с варисторными RC-цепями для подавления перенапряжений.
• Неправильная коммутация: Ошибки в схеме подключения приводят к короткому замыканию или разносу двигателя. Требуется тщательная проверка схемы перед пуском.
• Загрязнение и попадание СОЖ: Необходимо регулярно обслуживать двигатель, очищать корпус и проверять состояние уплотнений.

Существуют ли двухскоростные двигатели для однофазной сети 220В?

Да, существуют, но они менее распространены и, как правило, имеют небольшую мощность (до 2-3 кВт). Чаще всего это конденсаторные двигатели с двумя независимыми обмотками или со сложной схемой переключения с дополнительными рабочими и пусковыми конденсаторами. Их применение в станках ограничено маломощным настольным оборудованием.

Как определить тип двигателя (схему соединений) по шильдику и количеству выводов?

На шильдике указываются оба значения скорости и соответствующие им мощности, токи, иногда – схема соединения (напр., ∆/YY, 1500/3000 об/мин). Количество выводов на клеммной колодке – косвенный признак:

• 6 выводов – возможен двигатель с одной обмоткой, переключаемой по простой схеме (не Даландер) или двигатель Даландера, где переключение осуществляется внутри коробки.
• 9 выводов – классический двигатель Даландера.
• 12 выводов – двигатель с двумя независимыми обмотками (по 6 выводов на каждую).

Окончательно схему определяют по маркировке выводов (U1, V1, W1, U2, V2, W2, U3, V3, W3 и т.д.) и сверяют с паспортной схемой.