Электродвигатели с короткозамкнутым ротором 1350 об/мин

Электродвигатели с короткозамкнутым ротором на 1350 об/мин: конструкция, принцип работы и сферы применения

Электродвигатели с короткозамкнутым ротором (АДКЗ) асинхронного типа, имеющие синхронную частоту вращения 1500 об/мин и номинальную (при номинальной нагрузке) около 1350 об/мин, являются одним из наиболее распространенных и востребованных типов электрических машин в промышленности и энергетике. Данная скорость вращения достигается при питании от сети стандартной промышленной частоты 50 Гц для двигателей с числом пар полюсов p=2. Их популярность обусловлена простотой конструкции, высокой надежностью, низкой стоимостью и простотой эксплуатации.

Конструктивные особенности

Двигатель на 1350 об/мин состоит из двух основных частей: неподвижного статора и вращающегося ротора.

• Статор: Сердечник статора набирается из изолированных листов электротехнической стали для уменьшения потерь на вихревые токи. В пазы сердечника уложена трехфазная обмотка, которая при подключении к сети создает вращающееся магнитное поле. Конфигурация обмотки определяет число пар полюсов, которое для скорости ~1350 об/мин равно двум (2p=4).
• Ротор (короткозамкнутый): Сердечник ротора также шихтованный. В его пазы залита или запрессована обмотка в виде «беличьей клетки» – система неизолированных проводников (стержней), замкнутых накоротко с двух сторон торцевыми кольцами. Материалом для клетки обычно служит алюминиевый сплав или, для двигателей повышенной мощности и надежности, медь.
• Корпус, вентиляция, подшипниковые щиты: Корпус, чаще всего чугунный или алюминиевый, обеспечивает механическую прочность и отвод тепла. Для двигателей серий АИР, IM B3 исполнения, охлаждение общепромышленное (IC 411) – внешний вентилятор на валу обдувает ребристую поверхность корпуса. Подшипниковые щиты содержат подшипники качения (шариковые или роликовые), на которых вращается вал.

Принцип работы и скольжение

При подаче трехфазного напряжения на обмотку статора возникает вращающееся магнитное поле с синхронной частотой n1 = 60*f / p, где f – частота сети (50 Гц), p – число пар полюсов. Для p=2, n1 = 1500 об/мин. Это поле, пересекая проводники ротора, наводит в них ЭДС, что приводит к появлению тока в замкнутой «беличьей клетке». Взаимодействие тока в роторе с магнитным полем статора создает электромагнитный момент, приводящий ротор во вращение.

Ключевым параметром является скольжение (s) – относительная разность между скоростями поля и ротора: s = (n1 — n2) / n1, где n2 – фактическая скорость ротора. Номинальная скорость 1350 об/мин соответствует номинальному скольжению sн = (1500 — 1350) / 1500 = 0.1 или 10%. Скольжение изменяется в зависимости от нагрузки: при ее увеличении s растет, а скорость n2 падает. Рабочая характеристика двигателя находится в зоне устойчивой работы, обычно до критического скольжения (sкр ≈ 20-30%).

Основные технические характеристики и параметры

Двигатели данного типа классифицируются по ряду ключевых параметров, которые определяют область их применения.

Таблица 1. Основные технические характеристики АДКЗ на 1350 об/мин (на примере серии АИР)

Мощность, кВт	Ном. ток, А (~380В)	КПД, η, %	Коэф. мощности, cos φ	Пусковой ток / Iном	Пусковой момент / Мном	Макс. момент / Мном
0.75	1.8	75.0	0.82	5.5	2.2	2.4
5.5	11.2	87.5	0.86	7.0	2.2	2.4
15.0	29.5	90.5	0.88	7.0	2.2	2.4
45.0	83.5	92.5	0.89	7.0	1.2	2.4
110.0	198	94.0	0.90	6.6	1.1	2.4

Способы пуска и управления

Прямой пуск, реостатный пуск, пуск переключением «звезда-треугольник», использование частотных преобразователей.

• Прямой пуск: Непосредственное подключение двигателя к сети полным напряжением. Простейший способ, но вызывает броски пускового тока (в 5-7 раз выше номинального), что может негативно влиять на сеть. Применяется для двигателей средней и малой мощности, где это позволяет мощность питающей сети.
• Пуск переключением «звезда-треугольник»: Применим только для двигателей, обмотки статора которых рассчитаны на работу при номинальном напряжении в схеме «треугольник». В начальный момент обмотки включаются «звездой», что снижает фазное напряжение и пусковой ток в 3 раза. После разгона происходит переключение в «треугольник». Недостаток – пусковой момент также снижается в 3 раза, что неприемлемо для механизмов с тяжелым пуском.
• Частотный преобразователь (ЧП, инвертор): Наиболее современный и технологичный способ. Позволяет плавно запускать двигатель, регулируя частоту и амплитуду питающего напряжения. Пусковой ток ограничивается номинальным значением, момент остается высоким. ЧП обеспечивает также точное регулирование скорости в широком диапазоне, что для двигателей 1350 об/мин открывает возможности для использования в системах с переменной нагрузкой (насосы, вентиляторы) с целью экономии энергии.

Области применения

Двигатели на 1350 об/мин универсальны и применяются для привода механизмов, не требующих точного поддержания скорости и регулирования в широких пределах.

• Насосное оборудование: Центробежные насосы систем водоснабжения, отопления, канализации, пожаротушения.
• Вентиляционное оборудование: Радиальные и осевые вентиляторы, дымососы, тягодутьевые машины.
• Компрессорное оборудование: Поршневые и винтовые компрессоры.
• Конвейеры и транспортеры: Ленточные, цепные, скребковые конвейеры с постоянной скоростью движения.
• Станки и промышленное оборудование: Приводы токарных, фрезерных, сверлильных станков, деревообрабатывающих машин, дробилок, смесителей.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Простота и надежность конструкции, отсутствие скользящих электрических контактов (щеток).
• Низкая стоимость изготовления и обслуживания.
• Высокая перегрузочная способность по моменту.
• Жесткая механическая характеристика – небольшее изменение скорости при изменении нагрузки.
• Возможность работы в тяжелых условиях (пыль, влага) при соответствующем исполнении (IP54, IP55).

Недостатки:

• Большие пусковые токи (5-7 кратные от номинала).
• Сложность плавного регулирования скорости в широком диапазоне без использования дорогостоящего частотного преобразователя.
• Относительно низкий коэффициент мощности (cos φ), особенно на холостом ходу и при недогрузке, что требует компенсации реактивной мощности с помощью конденсаторных установок.
• Чувствительность к колебаниям напряжения в питающей сети.

Выбор и монтаж

При выборе двигателя на 1350 об/мин необходимо учитывать:

• Мощность: Номинальная мощность двигателя должна быть не менее мощности на валу приводимого механизма с учетом возможных перегрузок. Недостаточная мощность ведет к перегреву и выходу из строя, завышенная – к снижению КПД и cos φ.
• Напряжение и частота сети: Стандартно 380/400 В, 50 Гц. Существуют исполнения на 660 В и другие напряжения.
• Способ монтажа (исполнение IM): Наиболее распространено IM 1081 (лапы, фланец отсутствует) и IM 2081 (лапы с фланцем).
• Класс изоляции и нагревостойкости: Обычно класс F (до 155°C) с запасом, работающий по классу B (до 130°C).
• Степень защиты IP: IP54 – защита от пыли и брызг; IP55 – защита от струй воды; IP23 – защита от капель для закрытых помещений.
• Климатическое исполнение и категория размещения: У1 для умеренного климата на открытом воздухе, У3 для закрытых помещений.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Почему фактическая скорость двигателя (1350 об/мин) меньше синхронной (1500 об/мин)?

Это фундаментальный принцип работы асинхронного двигателя. Вращение возможно только при наличии скольжения (s), то есть отставания ротора от вращающегося магнитного поля статора. Именно это отставание приводит к пересечению проводников ротора магнитным полем, наведению ЭДС и протеканию тока, создающего момент. При синхронной скорости (s=0) ток в роторе был бы равен нулю, и момент не создавался.

Как изменятся параметры двигателя при питании от сети 60 Гц?

При подключении к сети 60 Гц синхронная скорость увеличится до n1 = 60*60 / 2 = 1800 об/мин. Номинальная скорость составит примерно 1620-1740 об/мин (при s=3-10%). Мощность двигателя теоретически может остаться той же, но необходимо учитывать рост потерь на вентиляцию и возможность работы магнитной системы в насыщении. Напряжение должно быть скорректировано пропорционально частоте (V/f=const) для сохранения перегрузочной способности. Без согласования с производителем такая эксплуатация не рекомендуется.

Чем опасна длительная работа двигателя при пониженном напряжении сети?

При пониженном напряжении для сохранения выходной мощности двигатель вынужден потреблять больший ток (поскольку мощность P = √3UIcosφη). Рост тока выше номинального приводит к перегреву обмоток сверх расчетного, ускорению старения изоляции и сокращению срока службы. Кроме того, снижается пусковой и максимальный момент (квадратично зависящий от напряжения), что может привести к остановке двигателя под нагрузкой.

Как правильно выбрать схему пуска для конкретного применения?

Выбор зависит от мощности двигателя, требований к пусковому моменту и ограничений питающей сети по пусковым токам.

• Для механизмов с легким пуском (насосы, вентиляторы) и при достаточной мощности сети – прямой пуск.
• Для тех же механизмов, но при необходимости снижения пускового тока – «звезда-треугольник» или мягкий пускатель.
• Для механизмов с тяжелым пуском (мельницы, дробилки, конвейеры под завалом) – прямой пуск (если позволяет сеть) или частотный преобразователь.
• Для систем, требующих регулирования скорости или точного поддержания расхода/давления – исключительно частотный преобразователь.

Каковы основные причины выхода из строя АДКЗ и методы диагностики?

Основные причины:

• Перегрев: Из-за перегрузки, ухудшения охлаждения (загрязнение ребер), повышенной температуры окружающей среды, несимметрии фаз.
• Механические неисправности: Износ подшипников, нарушение центровки, дисбаланс.
• Повреждение изоляции: Старение от перегрева, увлажнение, вибрационные воздействия, перенапряжения.
• Обрыв или дефект стержней «беличьей клетки»: Проявляется в снижении скорости, гуле, пульсации тока. Диагностируется анализом вибросигнала или токов статора.

Методы диагностики: измерение сопротивления изоляции мегомметром, проверка сопротивления обмоток постоянному току (разброс не более ±2%), анализ вибрации, термография, анализ формы тока статора для выявления дефектов ротора.

Как осуществляется компенсация реактивной мощности для таких двигателей?

Поскольку АДКЗ потребляют реактивную мощность для создания магнитного поля, на крупных объектах с множеством двигателей cos φ сети падает. Для его повышения до нормативных значений (0.95-1.0) применяют батареи статических конденсаторов (БСК), подключаемые параллельно нагрузке. Они генерируют опережающий реактивный ток, компенсируя отстающий ток двигателей. Установка БСК может быть централизованной (на шинах РУ) или групповой (для отдельных мощных двигателей).

Заключение

Асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором на 1350 об/мин представляют собой основу электропривода постоянной скорости в промышленности и коммунальном хозяйстве. Их конструкция, отработанная десятилетиями, обеспечивает бесперебойную работу в тяжелых условиях. Понимание принципов работы, характеристик, способов пуска и защиты является обязательным для инженерно-технического персонала, ответственного за эксплуатацию электрооборудования. Современные тенденции направлены на интеграцию этих двигателей с частотными преобразователями, что значительно расширяет их функциональность и энергоэффективность, сохраняя при этом все преимущества простой и надежной конструкции «беличьей клетки».