Электродвигатели с короткозамкнутым ротором силовые
Электродвигатели с короткозамкнутым ротором силовые: конструкция, принцип действия, характеристики и применение
Электродвигатели с короткозамкнутым ротором (АДКЗ) представляют собой асинхронные машины, в которых ротор выполнен в виде цилиндрической конструкции с короткозамкнутой обмоткой, не имеющей выводов наружу. Данный тип двигателей является основным приводом в современной промышленности и энергетике благодаря своей исключительной надежности, простоте конструкции, низкой стоимости и минимальным требованиям к обслуживанию. Силовые АДКЗ охватывают диапазон мощностей от долей киловатта до десятков мегаватт при напряжениях от 0.22 кВ до 10 кВ и выше.
Конструкция и основные элементы
Конструктивно силовой АДКЗ состоит из двух основных частей: неподвижного статора и вращающегося ротора, разделенных воздушным зазором.
Статор
Статор представляет собой полый цилиндр, собранный из изолированных друг от друга листов электротехнической стали для снижения потерь на вихревые токи. В пазах статора уложена трехфазная (реже многофазная) обмотка, выполненная из изолированного медного или алюминиевого провода. Обмотка соединяется по схеме «звезда» или «треугольник» и подключается к сети переменного тока. Корпус статора (остов) обеспечивает механическую прочность, отвод тепла и крепление к фундаменту. В зависимости от способа охлаждения, корпус может иметь оребренную поверхность или каналы для циркуляции воздуха или воды.
Ротор
Ротор также набирается из листов электротехнической стали. В его пазы заливается или запрессовывается короткозамкнутая обмотка, известная как «беличье колесо». Она состоит из алюминиевых, реже медных или латунных, стержней, замкнутых накоротко с двух сторон торцевыми кольцами. Часто вместе со стержнями отливаются вентиляционные лопатки для улучшения охлаждения. Существуют роторы с глубокими пазами, двухклеточные и специальные формы для улучшения пусковых характеристик. Вал ротора изготавливается из высокопрочной стали и вращается в подшипниках качения или скольжения.
Принцип действия и скольжение
При подаче трехфазного напряжения на обмотку статора создается вращающееся магнитное поле с синхронной частотой вращения n1 = (60
- f) / p, где f – частота сети, p – число пар полюсов обмотки статора. Это поле, пересекая проводники обмотки ротора, наводит в них ЭДС, что приводит к появлению тока в короткозамкнутой обмотке. Взаимодействие тока ротора с магнитным полем статора создает электромагнитный момент, приводящий ротор во вращение в направлении поля, но с некоторым отставанием. Это отставание характеризуется скольжением s = (n1 — n2) / n1, где n2 – фактическая частота вращения ротора. В номинальном режиме скольжение для силовых АДКЗ обычно составляет 1-3%.
- IC 01 (старое обозначение — исполнение по способу защиты IP20): Охлаждение естественное, без вентилятора. Применяется для маломощных двигателей.
- IC 411 (старое — IP54): Самый распространенный тип. Защищенный двигатель с собственным вентилятором на валу (самовентиляция). Воздух продувается через внутренние каналы двигателя.
- IC 416: Принудительное независимое охлаждение. Вентилятор с отдельным приводом (например, электродвигателем). Используется для машин большой мощности, где необходимо независимое регулирование охлаждения.
- IC 81W: Водяное охлаждение через теплообменник (змеевик) в корпусе. Позволяет значительно увеличить мощность при тех же габаритах, исключает выброс тепла в помещение.
- IC 611: Комбинированное охлаждение. Основное охлаждение — водяной теплообменник, дополнительное — вентилятор на валу.
- Прямой пуск: Непосредственное подключение к сети полного напряжения. Прост, но вызывает просадку напряжения в сети.
- Пуск при пониженном напряжении:
- Переключение обмотки статора со «звезды» на «треугольник» (только для двигателей, рассчитанных на работу в Δ). Пусковой ток и момент снижаются в 3 раза.
- Применение автотрансформаторов или тиристорных пускателей (софт-стартеров). Плавное нарастание напряжения и тока.
- Частотный пуск: Использование частотного преобразователя (ЧП). Наиболее технологичный способ, обеспечивающий плавный разгон с минимальным током и полное регулирование скорости в дальнейшем.
- Насосное оборудование: Циркуляционные, питательные, сетевые, дренажные насосы ТЭЦ и АЭС, водоподготовки.
- Вентиляционное оборудование: Дымососы, дутьевые вентиляторы котельных, главные вентиляторы шахт, системы кондиционирования.
- Компрессорное оборудование: Воздушные, газовые, холодильные компрессоры.
- Конвейеры и транспортеры: Ленточные, скребковые, пластинчатые конвейеры в горнодобывающей и обрабатывающей промышленности.
- Валы и мельницы: Шаровые, стержневые мельницы, дробилки (требуют специальных пусковых устройств из-за высокого момента инерции).
- Вспомогательные механизмы электростанций: Мельничные вентиляторы, питатели пыли, механизмы золоудаления.
- Простота и надежность конструкции, отсутствие скользящих электрических контактов (щеток).
- Относительно низкая стоимость изготовления.
- Высокий КПД и cos φ в номинальном режиме.
- Жесткая механическая характеристика.
- Низкие эксплуатационные расходы, простота обслуживания.
- Возможность работы в агрессивных и взрывоопасных средах (в соответствующем исполнении).
- Высокий пусковой ток (в 5-7 раз выше номинального).
- Ограниченные возможности регулирования скорости без использования ЧП.
- Чувствительность к колебаниям напряжения в сети (мoment пропорционален квадрату напряжения).
- Сравнительно низкий cos φ при недогрузке и на холостом ходу.
- Дополнительный нагрев (до 50% и более при значительной несимметрии).
- Увеличение вибрации и шума.
- Снижение развиваемого момента.
- Ускоренное старение изоляции.
- Тепловой износ изоляции (около 50% отказов): Вызван перегрузкой, частыми пусками, несимметрией напряжения, плохим охлаждением, высокой температурой окружающей среды.
- Повреждения подшипникового узла (около 20% отказов): Неправильная смазка, перегрев, вибрация, несоосность с приводным механизмом.
- Вибрационные повреждения: Ослабление крепления, дисбаланс ротора, повреждение лопаток вентилятора.
- Проникновение влаги и агрессивных сред: При нарушении целостности уплотнений, что приводит к коррозии и снижению сопротивления изоляции.
Системы охлаждения и исполнения (по ГОСТ/МЭК)
Для отвода тепловых потерь в силовых АДКЗ применяются различные системы охлаждения, регламентируемые стандартами (ГОСТ Р МЭК 60034-6, МЭК 60034-6).
Пусковые и рабочие характеристики
Характеристики АДКЗ определяются его конструктивными параметрами и описываются механической характеристикой M = f(s) и зависимостями тока и КПД от нагрузки.
Механическая характеристика
Является жесткой: при изменении нагрузки от холостого хода до номинальной частота вращения изменяется незначительно. Пусковой момент (Mп), максимальный (критический) момент (Mкр) и номинальный момент (Mн) – ключевые параметры.
| Параметр | Обозначение | Типичное значение (относительно номинального) | Примечание |
|---|---|---|---|
| Пусковой момент | Mп / Mн | 0.7 — 2.0 | Зависит от конструкции ротора. Для двигателей с повышенным пусковым моментом (крановых, металлургических) может достигать 2.5-3.0. |
| Максимальный момент | Mкр / Mн | 2.0 — 3.5 | Характеризует перегрузочную способность. |
| Пусковой ток | Iп / Iн | 5.0 — 7.0 | Может быть снижен применением специальных схем пуска. |
| КПД | η | 92% — 98% | Растет с увеличением мощности двигателя. |
| Коэффициент мощности | cos φ | 0.82 — 0.92 | Снижается при недогрузке двигателя. |
Способы пуска
Высокий пусковой ток является основным недостатком АДКЗ. Для его ограничения применяют:
Регулирование частоты вращения
Естественная механическая характеристика АДКЗ жестка, и регулирование скорости традиционными методами (изменение напряжения, сопротивления в цепи ротора) неэффективно. Единственный экономичный и широко применяемый метод – изменение частоты питающего напряжения с помощью частотного преобразователя (ЧП). При поддержании постоянного отношения напряжения к частоте (U/f = const) сохраняется перегрузочная способность двигателя. Современные векторные ЧП позволяют добиться высокого качества регулирования в широком диапазоне.
Классы энергоэффективности (по ГОСТ Р МЭК 60034-30-1, МЭК 60034-30-1)
Стандартизация классов энергоэффективности направлена на снижение эксплуатационных затрат. Класс определяется величиной номинального КПД.
| Класс (старый/новый) | IE1 | IE2 | IE3 | IE4 | IE5 |
|---|---|---|---|---|---|
| Описание | Стандартная эффективность | Повышенная эффективность | Высокая эффективность | Сверхвысокая эффективность | Превосходная эффективность |
| Пример КПД для 75 кВт, 4 полюса | 94.1% | 95.4% | 96.2% | 96.9% | >97.2% |
| Статус | Снят с производства в ЕС/РФ | Минимально допустимый в РФ для многих применений | Рекомендуемый стандарт | Перспективный стандарт | Технологии будущего (синхронные реактивные двигатели и др.) |
Повышение класса достигается использованием большего количества активных материалов (медь, сталь), оптимизацией магнитной цепи, снижением воздушного зазора, применением улучшенных изоляционных материалов и точным производством.
Области применения силовых АДКЗ
Двигатели с короткозамкнутым ротором являются универсальным приводом для механизмов с постоянной или слабо меняющейся скоростью:
Преимущества и недостатки
Преимущества:
Недостатки:
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Чем отличается двигатель с короткозамкнутым ротором от двигателя с фазным ротором (АДФР)?
Ключевое отличие – в конструкции ротора. У АДФР ротор имеет трехфазную обмотку, соединенную звездой, выводы которой подключены к контактным кольцам. Это позволяет вводить в цепь ротора добавочные сопротивления для улучшения пусковых характеристик или регулирования скорости. АДФР сложнее, дороже и менее надежен из-за наличия щеточного аппарата. АДКЗ проще и надежнее, но имеет худшие пусковые характеристики при прямом пуске. В современных условиях АДФР активно вытесняются комбинацией АДКЗ и частотного преобразователя.
Как правильно выбрать класс энергоэффективности IE?
Выбор зависит от режима работы и экономического расчета. Для механизмов с длительным временем работы (насосы, вентиляторы, компрессоры, работающие 24/7) всегда экономически оправдана установка двигателей класса IE3 и выше, несмотря на их более высокую первоначальную стоимость. Разница в цене окупается за 1-3 года за счет экономии электроэнергии. Для редко включаемого или кратковременно работающего оборудования можно рассматривать двигатели IE2. Класс IE1 законодательно запрещен к производству и импорту во многих странах для большинства применений.
Почему при пуске двигателя «просаживается» напряжение в сети?
В момент пуска сопротивление обмотки статора двигателя мало (из-за высокой частоты ЭДС ротора), что приводит к потреблению из сети тока, в 5-7 раз превышающего номинальный. Этот большой ток, протекая по сопротивлению питающих линий и трансформаторов, вызывает на них значительное падение напряжения, что и наблюдается как «просадка». Для снижения этого эффекта применяют схемы пуска с пониженным напряжением или частотные преобразователи.
Как влияет несимметрия напряжения на работу АДКЗ?
Несимметрия напряжений (перекос фаз) крайне негативно сказывается на работе двигателя. Она приводит к появлению обратного вращающегося магнитного поля, которое вызывает:
Допустимая несимметрия напряжений по ГОСТ не должна превышать 1% в продолжительном режиме. При 5% нагрев может увеличиться на 50%.
Что такое «холодный» и «горячий» пуск двигателя?
«Холодный» пуск – пуск двигателя, температура которого равна температуре окружающей среды. Допускается, как правило, 2 последовательных пуска из холодного состояния.
«Горячий» пуск – пуск двигателя, находящегося в нагретом состоянии после предыдущей работы. Из-за повышенного сопротивления обмоток пусковой ток при горячем пуске может быть несколько ниже, но тепловое состояние изоляции уже напряжено. Производители регламентируют допустимое количество горячих пусков в час (например, не более 1-2) для предотвращения термического разрушения изоляции от многократных тепловых ударов.