Электродвигатели крановые двухскоростные

Электродвигатели крановые двухскоростные: конструкция, принцип действия и применение

Крановые двухскоростные электродвигатели представляют собой специализированный класс машин, предназначенных для привода механизмов подъема и передвижения мостовых, козловых, консольных и прочих типов кранов. Их ключевая особенность — возможность работы на двух различных скоростях вращения вала при питании от сети стандартной промышленной частоты (50 Гц). Это обеспечивает два режима работы механизма: основной (рабочий) и пониженный (монтажный или точного позиционирования), что критически важно для безопасного и эффективного выполнения крановых операций.

Принцип действия и способы получения двух скоростей

Двухскоростной режим достигается за счет изменения числа пар полюсов статорной обмотки. Синхронная скорость асинхронного двигателя определяется формулой: n = 60f / p, где f — частота сети, p — число пар полюсов. Изменяя конфигурацию обмотки, можно переключать значение p, например, с p=2 (1500 об/мин) на p=4 (750 об/мин). Существует три основных конструктивных решения для реализации этого принципа.

1. Двигатели с двумя независимыми обмотками на статоре

В пазы статора уложены две полностью изолированные друг от друга обмотки с разным числом пар полюсов. Каждая обмотка рассчитана на полную мощность двигателя. Преимущество: высокий КПД на обеих скоростях, возможность выполнения обмоток на разные номинальные скорости (например, 1500/750 об/мин или 1500/1000 об/мин). Недостаток: увеличенные габариты и масса, более высокая стоимость из-за большого расхода меди и изоляционных материалов.

2. Двигатели с одной обмоткой, переключаемой по схеме Даландера

Используется одна обмотка, которая путем переключения катушечных групп может формировать разное число пар полюсов (обычно в соотношении 1:2, например, 2/4 пары). Для скорости, соответствующей меньшему числу полюсов (высокой скорости), обмотки соединяются в «треугольник» или «двойную звезду». Для низкой скорости соединение меняется на «звезду». Преимущество: меньшие габариты и стоимость по сравнению с двухобмоточной конструкцией. Недостаток: соотношение мощностей на скоростях примерно равно 1:3 (мощность на низкой скорости существенно падает), более сложная коммутация.

3. Двигатели с системой частотного регулирования (ЧРП)

Хотя классические двухскоростные двигатели — это двигатели с переключением полюсов, в современной практике двухскоростной режим часто обеспечивается применением частотного преобразователя с обычным крановым двигателем. Это позволяет получить плавный разгон/торможение и любые требуемые скорости в широком диапазоне. Однако для ответственных крановых применений часто используют гибрид: двухскоростной двигатель с независимыми обмотками, управляемый через ЧРП, что дает как дискретные скорости для длительной работы, так и плавное регулирование между ними.

Конструктивные особенности крановых двухскоростных двигателей

Крановые электродвигатели, в том числе двухскоростные, отличаются от общепромышленных серий рядом особенностей, обусловленных спецификой работы на кране.

• Повышенная механическая прочность: Корпус, станина, вал и подшипниковые щиты рассчитаны на восприятие значительных ударных и вибрационных нагрузок. Крепление — фланцевое или на лапах повышенной прочности.
• Крановый режим работы: Двигатели предназначены для работы в повторно-кратковременном режиме S3 или S4 с повышенной частотой включений (до 600-700 в час). ПВ (продолжительность включения) обычно составляет 40%, 60% или 100% для специальных исполнений.
• Изоляция класса F или H: Обмотки выполняются с теплостойкой изоляцией, допускающей нагрев до 155°C (класс F) или 180°C (класс H), что обеспечивает запас по перегрузочной способности и долговечность в тяжелых условиях.
• Защита от окружающей среды: Стандартное исполнение — IP54 (защита от брызг и пыли), по заказу возможно IP55 или IP56. Исполнение по климатическому фактору — У2, У3, Т2, Т3 для работы на открытом воздухе.
• Тормоз: Большинство крановых двухскоростных двигателей комплектуется встроенным колодочным электромагнитным тормозом постоянного или переменного тока (например, серии ТКП). Тормоз обеспечивает фиксацию механизма в отключенном состоянии.
• Коллектор для датчиков: На заднем щите часто устанавливается токосъемный коллектор для подключения датчика температуры (терморезистора PTC или PT100) и тахогенератора для систем точного контроля и защиты.

Схемы управления и подключения

Управление двухскоростным двигателем требует специальной схемы коммутации обмоток. Для двигателей с двумя независимыми обмотками используется два трехполюсных контактора: один для включения обмотки высокой скорости (ВС), второй — для обмотки низкой скорости (НС). Механическая и электрическая блокировки предотвращают их одновременное включение. Для двигателей по схеме Даландера требуется более сложная схема с тремя или четырьмя контакторами, переключающими обмотку со «звезды» на «двойную звезду». Обязательным элементом любой схемы является плавное или ступенчатое введение резисторов в цепь ротора (для двигателей с фазным ротором) или статора (для асинхронных двигателей с КЗ ротором в некоторых схемах) для снижения пусковых токов и обеспечения плавного разгона.

Основные технические характеристики и параметры выбора

При выборе двухскоростного кранового электродвигателя необходимо анализировать следующие параметры:

• Мощность на валу (P_Н, кВт): Указывается для каждой скорости отдельно. Для схемы Даландера мощность на низкой скорости составляет примерно 1/3 от мощности на высокой.
• Скорость вращения (n, об/мин): Номинальные скорости для каждой из пар полюсов. Типовые пары: 750/1500 об/мин (4/2 полюса), 1000/1500 об/мин (6/4 полюса), 750/1000/1500 об/мин для трехскоростных.
• Момент на валу (M, Н·м): Критичен для механизмов подъема. Должен соответствовать статическому моменту сопротивления с учетом запаса.
• Напряжение и частота сети: Стандартно ~380В, 50 Гц. Возможны исполнения на 660В или иные напряжения.
• Степень защиты (IP) и климатическое исполнение: Определяются условиями эксплуатации (цех, улица, агрессивная среда).
• Исполнение ротора: Крановые двухскоростные двигатели чаще выпускаются с фазным ротором (с контактными кольцами), что позволяет осуществлять глубокое и плавное регулирование момента и скорости за счет введения резисторов в цепь ротора. Реже — с короткозамкнутым ротором специального профиля.
• Габаритные и присоединительные размеры: Должны соответствовать посадочным местам на редукторе или механизме.

Таблица: Сравнение характеристик двухскоростных двигателей с разными типами обмоток

Параметр	С двумя независимыми обмотками	По схеме Даландера (1 обмотка)	С ЧРП и стандартным крановым двигателем
Соотношение скоростей	Любое (напр., 1500/750, 1500/1000)	Строго 2:1 (напр., 1500/750, 1000/500)	Любое в диапазоне регулирования
Соотношение мощностей	Любое, обычно близкое (напр., 22/18 кВт)	Около 3:1 (напр., 22/7 кВт)	Постоянная (при постоянном моменте) или переменная
КПД на обеих скоростях	Высокий и практически одинаковый	Высокий на ВС, снижен на НС	Снижается на низких скоростях из-за потерь в ЧРП
Габариты и масса	Максимальные	Меньше, чем у двухобмоточного	Определяются двигателем, + блок ЧРП
Стоимость	Высокая	Средняя	Высокая (двигатель + преобразователь)
Гибкость регулирования	Дискретное переключение	Дискретное переключение	Плавное регулирование между скоростями
Сложность управления	Средняя (2 контактора)	Высокая (3-4 контактора)	Высокая (электронная система)

Области применения и типовые механизмы

Двухскоростные крановые электродвигатели применяются практически во всех типах грузоподъемных машин циклического действия.

• Механизмы подъема мостовых и козловых кранов: Высокая скорость — для основного перемещения груза, низкая скорость — для точного позиционирования, монтажа, выполнения ответственных операций, работы с опасными грузами.
• Механизмы передвижения тележек и кранов: Высокая скорость — для холостого пробега, низкая — для работы с грузом, точной установки над объектом.
• Консольные, шлюзовые, магнитные краны: Требуют особо точного управления вблизи препятствий.
• Подъемно-транспортное оборудование в металлургии: (завалочные машины, литейные краны) — работа в условиях высоких температур и ударных нагрузок.

Эксплуатация, обслуживание и типовые неисправности

Регламентное обслуживание включает регулярную проверку состояния подшипников (замена смазки), очистку от пыли и загрязнений, контроль состояния щеточного аппарата и контактных колец (для двигателей с фазным ротором), проверку воздушного зазора, диагностику изоляции обмоток (измерение сопротивления мегомметром). Тормоз требует периодической регулировки и проверки износа фрикционных накладок.

Типовые неисправности:

• Перегрев обмоток из-за частых пусков, перегрузок, нарушения вентиляции или межвитковых замыканий.
• Износ или разрушение подшипников, приводящее к увеличению зазора, вибрации и затиранию ротора о статор.
• Подгорание контактных колец и износ щеток у двигателей с фазным ротором.
• Несрабатывание или неполное отпускание тормоза из-за износа, загрязнения или неисправности электромагнита.
• Нарушение схемы коммутации, приводящее к одновременной подаче напряжения на обе обмотки или неправильному переключению полюсов.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

В чем основное преимущество двухскоростного двигателя перед применением двух односкоростных?

Основное преимущество — компактность и интеграция в одном корпусе. Использование одного двухскоростного двигателя упрощает кинематическую схему механизма (не требуется дополнительный редуктор или муфта для переключения), снижает общую массу и занимаемую площадь на тележке или мосту крана. Упрощается и система управления, так как управление ведется одним агрегатом.

Можно ли переключать скорости «на ходу», под нагрузкой?

Категорически не рекомендуется. Переключение с высокой скорости на низкую (или наоборот) должно производиться только после полной остановки двигателя. Переключение под нагрузкой приводит к возникновению огромных динамических токов и моментов, которые могут повредить механическую часть привода, порвать обмотки статора или вызвать аварию в силовой цепи. Все схемы управления должны иметь соответствующую блокировку.

Как правильно выбрать соотношение мощностей для двухскоростного двигателя механизма подъема?

Для механизмов подъема мощность на низкой скорости (режим точного позиционирования) выбирается, исходя из статической мощности, необходимой для удержания номинального груза. Обычно это 30-50% от мощности на высокой скорости. Однако для специфических задач (например, монтаж тяжелого оборудования) может потребоваться мощность на низкой скорости, близкая к мощности на высокой. В этом случае выбирают двухобмоточный двигатель, а не двигатель по схеме Даландера.

Что надежнее: двигатель с двумя обмотками или по схеме Даландера?

С точки зрения надежности электрической изоляции, двигатель по схеме Даландера потенциально надежнее, так как имеет одну обмотку, а значит, меньше точек возможного пробоя. Однако его коммутационная аппаратура сложнее. Двигатель с двумя независимыми обмотками имеет более простую схему управления, но при отказе одной обмотки теряет одну скорость полностью. На практике оба типа при правильной эксплуатации демонстрируют высокую надежность. Ключевым фактором является качество изготовления и соответствие режиму работы.

Как диагностировать межвитковое замыкание в одной из обмоток двухскоростного двигателя?

Косвенными признаками являются повышенный нагрев двигателя при работе на одной из скоростей, падение мощности и момента, неравномерный шум или вибрация. Для точной диагностики необходимо измерение сопротивления изоляции обмоток (мегомметром) и активного сопротивления фаз (омметром высокой точности). Значительное расхождение сопротивлений фаз одной обмотки (более 5%) указывает на наличие виткового замыкания. Наиболее точный метод — проведение испытания повышенным напряжением промышленной частоты для каждой обмотки отдельно согласно нормам ПТЭЭП.

Совместимы ли старые советские двухскоростные двигатели (серии MTК, DMT) с современными частотными преобразователями?

Да, совместимы, но с существенными оговорками. Изоляция старых двигателей часто не рассчитана на высокочастотные перенапряжения, генерируемые ШИМ-преобразователями. Это может привести к ускоренному старению изоляции и пробою. Перед подключением к ЧРП рекомендуется выполнить диагностику состояния изоляции (испытание импульсным напряжением). Для безопасной работы рекомендуется между ЧРП и двигателем устанавливать выходной синус-фильтр или дроссель, использовать преобразователи с функцией снижения du/dt, либо выполнить повторную пропитку обмоток современными лаками с повышенной электрической прочностью.