Электродвигатели переменного тока комбинированные
Электродвигатели переменного тока комбинированные: принцип действия, конструкция и сферы применения
Комбинированные электродвигатели переменного тока представляют собой специальный класс электрических машин, в которых объединены принципы работы двух различных типов двигателей в одном корпусе. Как правило, это сочетание асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором и коллекторного двигателя последовательного или параллельного возбуждения (в контексте работы на переменном токе часто называемого «универсальным коллекторным двигателем», УКД). Основная цель такого комбинирования – получение рабочих характеристик, недостижимых для каждого из двигателей в отдельности, в первую очередь, высокого пускового момента и регулируемой скорости вращения при питании от сети переменного тока стандартной частоты.
Принцип действия и основные схемы комбинирования
Принцип действия комбинированного двигателя основан на сложении электромагнитных моментов, создаваемых двумя независимыми машинами, механически объединенными на одном валу или через редуктор. Управление может осуществляться как раздельно, так и совместно. Существует несколько классических схем включения обмоток комбинированных двигателей.
Конструктивные особенности
Конструктивно комбинированные двигатели выполняются в двух основных вариантах:
- Двухмашинный агрегат: Два отдельных двигателя (асинхронный и коллекторный) соединены последовательно на одном валу и помещены в общий корпус или смонтированы на общей плите. Такая конструкция упрощает производство и ремонт, но увеличивает габариты и массу.
- Одномашинная конструкция с двумя системами обмоток: В пазах общего статора размещены две независимые обмотки: одна для создания вращающегося магнитного поля (асинхронный принцип), другая – для подключения к коллекторному узлу. Ротор является общим и содержит короткозамкнутую обмотку (беличью клетку) и коллектор с якорной обмоткой. Эта конструкция более компактна, но сложна в изготовлении и ремонте.
- Высокий пусковой момент при прямом включении в сеть.
- Возможность плавного регулирования скорости вращения в широких пределах относительно простыми средствами (реостаты, автотрансформаторы).
- Устойчивость к перегрузкам в переходных режимах.
- Работа от однофазной или трехфазной сети переменного тока без сложных преобразователей.
- Сложность конструкции и, как следствие, повышенная стоимость изготовления.
- Наличие изнашиваемого коллекторно-щеточного узла, требующего регулярного обслуживания.
- Искрение на коллекторе, что ограничивает применение во взрывоопасных средах.
- Пониженный КПД по сравнению с чисто асинхронными двигателями из-за дополнительных потерь в коллекторной части.
- Повышенный уровень акустического шума и радиопомех.
- Подъемно-транспортное оборудование: некоторые типы крановых электроприводов, тельферы, лебедки, где требуются высокий пусковой момент и регулировка скорости.
- Привод тяжелого технологического оборудования: прессы, дробилки, мельницы, где возможны частые пуски под нагрузкой.
- Специализированный электроинструмент и промышленное оборудование: мощные дрели, перфораторы, шлифмашины, где используется однофазная сеть.
- Устаревшие, но еще находящиеся в эксплуатации системы: приводы прокатных станов, шахтные подъемники, где модернизация на современный частотно-регулируемый асинхронный привод экономически нецелесообразна.
Ключевыми узлами, требующими особого внимания, являются коллекторно-щеточный узел, подверженный износу и искрению, и система вентиляции, так как комбинированные двигатели часто работают в тяжелых пусковых и регулировочных режимах с повышенными тепловыми потерями.
Рабочие и механические характеристики
Характеристики комбинированного двигателя являются суперпозицией характеристик его составляющих. Пусковая характеристика определяется в основном коллекторной частью, что обеспечивает высокий начальный момент. В установившемся режиме доминирующий вклад вносит асинхронная часть, обеспечивая стабильность работы и жесткость характеристики.
Путем изменения соотношения напряжений, подаваемых на разные обмотки, можно существенно менять форму механической характеристики n = f(M). Это позволяет получать как мягкие характеристики (для приложений с большими пусковыми моментами и допустимым просадкой скорости), так и жесткие (для стабильной работы под нагрузкой).
| Параметр | Асинхронный ДАЗ (короткозамкнутый) | Универсальный коллекторный двигатель (УКД) | Комбинированный двигатель |
|---|---|---|---|
| Пусковой момент (от номинального) | 0.7 – 2.0 | 3.0 – 4.0 и выше | 2.5 – 3.5 (регулируемо) |
| Регулирование скорости | Сложное, требует ЧРП | Плавное, в широком диапазоне | Плавное, в широком диапазоне |
| КПД в номинальном режиме | Высокий (75-95%) | Средний (60-70%) | Ниже асинхронного (65-80%) |
| Надежность и обслуживание | Очень высокие | Низкие (износ щеток, коллектора) | Средние (зависит от коллекторной части) |
| Стоимость системы управления | Высокая (для регулируемого привода) | Низкая | Средняя |
Преимущества и недостатки
Преимущества комбинированных двигателей:
Недостатки комбинированных двигателей:
Сферы применения
В настоящее время применение комбинированных двигателей сужено до специфических областей, где их уникальные характеристики критически важны, а недостатки приемлемы. Основные сферы:
Тенденции и современные аналоги
С развитием силовой полупроводниковой техники и микропроцессорного управления комбинированные двигатели активно вытесняются асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором, управляемыми современными частотными преобразователями (ЧРП). ЧРП позволяют получить высокий пусковой момент и широкий диапазон плавного регулирования скорости, лишены коллекторно-щеточного узла и обладают высоким КПД. Однако, для маломощных однофазных применений или в условиях, где необходима максимальная простота и надежность системы управления при работе от сети напрямую, комбинированные двигатели сохраняют свою нишу.
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
В чем ключевое отличие комбинированного двигателя от конденсаторного асинхронного двигателя?
Конденсаторный двигатель — это разновидность однофазного асинхронного двигателя, где для создания пускового или рабочего вращающего поля используется фазосдвигающий конденсатор. Он не имеет коллектора и регулирование его скорости сложно. Комбинированный двигатель всегда содержит коллекторную машину, что принципиально отличает его конструкцию и позволяет легко регулировать скорость.
Можно ли реверсировать комбинированный двигатель и как это сделать?
Да, реверс возможен. Способ зависит от схемы. В схемах с последовательным включением обмоток (например, В.С. Кулебакина) реверс осуществляется переключением полярности напряжения на одной из обмоток (обычно коллекторной). В схемах с раздельным питанием может потребоваться перекоммутация обеих обмоток. Необходимо строго следовать заводской инструкции, чтобы не нарушить направление результирующего момента.
Как обслуживать коллекторно-щеточный узел комбинированного двигателя?
Обслуживание включает: регулярную очистку коллектора от графитовой пыли и нагара, проверку и при необходимости проточку коллектора для устранения биения и бороздообразования, замену изношенных щеток на щетки того же марки и размера, регулировку давления пружин щеткодержателей. Периодичность ТО регламентируется производителем и зависит от режима работы.
Почему комбинированные двигатели шумят сильнее, чем асинхронные?
Повышенный шум обусловлен двумя основными факторами: аэродинамическим шумом от вентилятора (так как двигатель часто имеет принудительное охлаждение) и электромагнитным шумом, особенно от коллекторной части. Искрение щеток, вибрация пластин коллектора и коммутационные процессы создают широкий спектр акустических помех.
Экономически оправдано ли сегодня применение нового комбинированного двигателя вместо частотного привода с асинхронным двигателем?
В абсолютном большинстве новых проектов – нет. Частотный привод предлагает более высокую энергоэффективность, точность управления, широкий функционал (защиты, диагностика) и не требует дорогостоящего обслуживания коллекторного узла. Применение нового комбинированного двигателя может быть оправдано только в специфических условиях: необходимость работы от однофазной сети с высокими пусковыми требованиями, взрывобезопасное исполнение (в безыскровом варианте), или в случаях полной невозможности использования полупроводниковой техники.
Каков типичный срок службы комбинированного двигателя?
Срок службы сильно зависит от режима эксплуатации и качества обслуживания коллекторно-щеточного узла. Межремонтный период для тяжелых условий (краны, прессы) может составлять 3-5 лет, для более легких – 7-10 лет. Ресурс щеток – от нескольких сотен до нескольких тысяч часов работы. Общий срок службы двигателя до капитального ремонта (перемотки, замены коллектора) при надлежащем уходе может превышать 15-20 лет.