Електрифікація деревообробної промисловості - Електричні двигуни, що використовуються в деревообробній промисловості

Електричні двигуни, що використовуються в деревообробній промисловості (ДОП)
Розглянемо типи електродвигунів, що застосовуються для приводу механізмів деревообробної і лісової промисловості. Для електроприводу деревообробних верстатів промисловість випускає трифазні асинхрогші двигуни (АД) з довгим ротором. Ці двигуни використовують для електроприводу інструментів, що потребують велику швидкість обертання. Вони мають малий маховий момент (GD2) і, як наслідок, малий динамічний момент, що з’являється під час пуску, зміни навантаження та інших перехідних режимах.
Зменшення махового моменту таких двигунів досягається за рахунок зменшення його діаметру. Але для того, щоб потужність, яка споживається залишалась постійною роблять довший ротор і довшу активну частину статора. Для таких двигунів потужність:
P = kD2.l.n,                                       (1.1)

де D - діаметр статора (внутрішній), мм; l - активна довжина статора, мм; п - швидкість ротора, об/хв; к - коефіцієнт пропорційності.
З цієї формули бачимо, що підвищення номінальної швидкості при незмінній потужності потребує зменшення ваги двигуна, яка визначається добутком D2l. Одночасно з цим зменшується і маховий момент ротора, який пропорційний добутку четвертій ступені внутрішнього діаметра статора на його довжину D4l. Електродвигуни цієї серії мають підвищену жорсткість вала і підсилені підшипники. Це дає змогу консульно кріпити до валу двигуна фрези та інший інструмент.
Електродвигуни серії від МД-0 до МД-3 працюють при частоті змінного струму f=50 Гц, напрузі живлення U=220; 380; 500В і мають швидкість п=3000 об/хв. Електродвигуни серії від МД-102 до МД-107 працюють при:  f=100 Гц; U=330 і 570 В; п=6000 об/хв. Ці електродвигуни можна вмикати в мережу з частотою 50 Гц на напругу 220 і 380 В, але це призведе до зниження їх потужності. Електродвигуни цієї серії є закритого типу, кратність пускового і максимального моментів складає відповідно= 3, а кратність пускового струму не більше.
Всі електродвигуни розраховані для безпосереднього увімкнення на повну напругу.
Разом з вказаним вище електродвигунами в ДОП розповсюджені асинхронні двигуни єдиної серії потужністю від 600 Вт до 100 кВт. Ця серія має сім габаритів, починаючи з третього і закінчуючи десятим. Асинхронні двигуни потужністю 600 Вт відокремлені в спеціальну серію малих електродвигунів. Вона має три габарити: нульовий, перший і другий. 
Електродвигуни потужністю понад 100 кВт є продовженням єдиної серії. Ця серія має наступні модифікації:

1. трифазні асинхронні двигуни загального застосування з короткозамкненим ротором і нормальними електричними характеристиками;
2. трифазні асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором і підвищеним пусковим моментом;
3. трифазні асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором і підвищеним ковзанням;
4. трифазні асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором багато-швидкісні;
5. трифазні асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором підвищеної частоти;
6. трифазні асинхронні двигуни з фазовою обмоткою ротора;
7. трифазні асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором вбудовані.

Електродвигуни цих модифікацій виконують захищеними або закритими обдуваємими.
Прийняті такі літерні позначення серії: А - асинхронний двигун з короткозамкненим ротором, захищений, з чугуним корпусом, АО - закритий, обдуваємий з чугуним корпусом.
Застосовують також електродвигуни серії АЛ і АОЛ. Літерне і цифрові позначення, наприклад, серії АОЛ-42-4(2) розшифровують так: асинхронний двигун єдиної серії з короткозамкненим ротором, закритий, обдуваємий, з алюмінієвим корпусом, четвертого габариту, другої довжини, чотири- або двополюсний. Електродвигуни цієї серії конструктивно прості, дешеві, надійні в роботі і використовуються майже у всіх галузях промисловості. Обертовий момент електродвигунів невеликий, але пусковий струм складає (5-7)Iном, тому їх рекомендується застосовувати лише при неважких умовах пуску. Більшість механізмів, в тому числі і верстатів вмикається в мережу при неробочому ході, тому для них застосовують асинхронні двигуни вказаної серії нормального виконання.
В цехах ДОП також розповсюджені також електродвигуни серії А0П(АП) і АОС(АС) - це асинхронні двигуни з підвищеним пусковим моментом(літера П) і з підвищеним ковзанням (літера С). Електродвигуни серії АОП і АП призначені для приводу механізмів з підвищеними інерційними і статичними навантаженнями під час пуску та стабільним навантаженням при номінальній швидкості. Ці електродвигуни застосовують для приводу стрічкових пил, конвеєрів, дробинок, насосів, невеликих підйомно-транспортних установок та ін.
Електродвигуни серії АОП(АП) випускають від четвертого до дев'ятого габаритів і живляться вони від мережі 220, 380 і 500В змінного струму. Електродвигуни четвертого і п’ятого габаритів - це двигуни малої потужності і можуть вмикатися в мережу 127, 220 В.
Елекродвигуни серії АОС(АС) призначені для механізмів з великими маховими моментами І нерівномірним ударним або пульсуючим навантаженням, а також для приводів механізмів з великою кількістю пусків і реверсів. Такі двигуни застосовуються для приводу молотів, пресів, поршневих компресорів, великих підйомно-транспортних механізмів. їх випускають від третього до дев’ятого габаритів на напруги живлення 220, 380 і 500 В. Потужність електродвигунів цієї серії відповідає певній тривалості увімкттеипя(ТВ). Наприклад, асинхронний електродвигун з підвищеним ковзанням серії АС-61-4 має номінальну потужність Рном=10кВт при тривалості увімкнення рівній

Але при ТВ = 15% вона стає Рном = 12кВт; при ТВ = 25% - Рном=11,5кВт
Вбудовані електродвигуни серії AB (АВК) - це асинхронні електродвигуни з фазовим ротором і контактними кільцями. Літера К вказує на наявність контактних кілець. Вбудовані електродвигуни застосовують для фрезерних і строгальних верстатів.
В цехах ДОП використовують також багатошвидкісні електродвигуни серій А і АО на дві, три і чотири швидкості. Багатошвидкісні електродвигуни використовують для приводу механізмів, що потребують ступеневого регулювання швидкості. До таких механізмів відносяться дереворіжучі і металообробні верстати, лебідки і ін.
Літерне позначення електродвигуна серії АО-72-8/6/4 означає, що це асинхронний електродвигун закритого типу, обдуваємий, у чугунному корпусі, сьомого габариту, другої довжини, тришвидкісний з перемиканням на 8, 6 і 4 пари полюсів.
Для механізмів, що потребують швидкої зупинки, використовують асинхронні трифазні електродвигуни з вбудованим електромагнітним гальмом серії АОЕ-4. Вбудований гальмівний пристрій приводиться в рух однофазним електромагнітом. При відсутності напруги на обмотці статора електродвигун загальмований. Коли напруга подається, то одночасно отримує живлення котушка електромагніта гальмівного пристрою, яка створює в осерді магнітний потік, і втягує якір, що зв’язаний за допомогою важеля з гальмівними колодками барабана. Гальмівні колодки звільняють барабан і дають змогу валу вільно обертатися. Коли двигун вимикається гальмівні колодки під дією пружин притискаються до гальмівного барабана і гальмують вал двигуна.
Електродвигуни серії АОЕ-4 виготовляють на напругу 127, 220, 380 і 500В та частоту 50 Гц. Котушка електромагніта розрахована на ту саму напругу, що І обмотка двигуна. Потужність електродвигунів Р=1-2,8 кВт, швидкість 1000, 1500, 3000 об/хв. Потужність гальма складає 25 Вт. Вільний вибіг електродвигуна АОЕ-4 без навантаження складає 0,2-0,5 с.
В лісовій І деревообробній промисловості широке розповсюдження отримав електропривід з двигунами підвищеної частоти. Такий привід використовують для електрифікованого інструменту, тобто електропил, електросучкорізів, електрошуруповертів і інших інструментів. Застосування цього електроприводу дало змогу зменшити вагу інструменту, збільшити швидкість різання на деревообробному верстаті і полегшити працю робітникам, підвищити продуктивність праці.
Двигуни підвищеної частоти, це асинхронні трифазні двигуни з короткозамкненим ротором для яких потрібна частота 200 і 400 Гц. Відомо, що потужність електродвигуна пропорційна електромагнітному моменту та швидкості Р = кМ-п і при збільшенні швидкості, якщо потужність залишається постійною, різко знижується електромагнітний момент. Так як габарити електродвигуна і його вага залежать від величини електромагнітного моменту, що розвиває двигун, то збільшення частоти повинно здійснитись таким чином, щоб не збільшувати його габарити. Пропонується діапазон зміни частоти від 50 до 400 Гц при одночасно можливій зміні числа пар полюсів, що забезпечить задану швидкість і зниження ваги електродвигуна.
Дослідження доводять, що збільшення частоти від 50 до 200 Гц приводять до того, що вага електродвигуна дуже інтенсивно знижується, а потім при подальшому збільшенні частоти вага двигуна знижується незначно. Встановлено, що в межах зміни частоти 50-400 Гц і потужності двигунів 0,5-3 кВт при однаковій швидкості вага активної частини електродвигунів в значній мірі залежить від швидкості обертання ніж від числа пар полюсів. Наприклад, при синхронній швидкості 12000 об/хв електродвигун з числом пар полюсів р=2 і f=400 Гц буде мати трохи меншу вагу ніж двигун з р=1 і f=200 Гц.
Двигуни підвищеної частоти, що використовуються для електрифікації ручного інструменту повинні мати більш теплостійку ізоляцію обмоток. Для електропил і електросучкорізів використовують електродвигуни підвищеної частоти, що мають технічні і енергетичні характеристики подані в таблиці 1.1.
В цехах ДОП найбільш поширені асинхронні електродвигуни серії МД-100, які живляться від трифазної мережі частотою 100 Гц і конструктивно не відрізняються від електродвигунів, що живляться від мережі частотою 50Гц. Кратність пускового моменту цих двигунів 1,3, а перевантажувальна здатність не менше ніж 3. Технічні і енергетичні дані асинхронних двигунів цієї серії подані в таблиці 1.2
Для електроприводу фрезерних, фрезерно-копіювальних та пазувальних верстатів використовують асинхронні електродвигуни з синхронною швидкістю 12000; 18000; 24000 об/хв, які вмикаються в мережу з частотою 200; 300; 400 Гц відповідно.
Для внутрішнього шліфування отворів використовують верстати із високошвидкісними електрошпипделями серії Е, які обладнані вбудованими асинхронними електродвигунами потужністю від 0,6 до 2 кВт і розраховані на увімкнення в мережу з частотою 300; 400; 600; 800 Гц. Вони мають відповідну синхронну швидкість: 18000; 24000; 36000; 48000 об/хв.

Таблиця 1.1- Технічні і енергетичні дані асинхронних електродвигунів підвищеної частоти (200 Гц)

Вал ротора електродвигуна електрошпинделя серії Е розташований консульно відносно опор. Вихідний кінець вала теж розташований консульно, але з іншого боку опор. Він призначений для закріплення інструменту (шпинделя). Живлення електродвигуна цієї серії здійснюється від генератора високої частоти серії ГИС. Обмотка статора двигуна з’єднана зіркою і вмикається в мережу 220 В змінного струму.

Таблиця 1.2 - Технічні і енергетичні дані електродвигунів підвищеної частоти (100 Гц)

Промисловість випускає шість типів високо швидкісних шпинделів: Е18/2; Е24/2; Е24/1; Е36/1; ЕЗб/0,6; Е48/0,6. Літерні і цифрові позначення розшифровуються, наприклад, для типу Е36/0,6 так: це електрошпиндель зі швидкістю електродвигуна 36000 об/хв, потужністю 0,6 кВт.
Для отримання погрібної частоти струму для живлення електродвигунів механізмів ДОП використовують електромашинні і напівпровідникові перетворювачі частоти.

Електромашинні перетворювачі частоти використовують двох типів: синхронні і асинхронні. Вони призначені для перетворення змінного струму стандартної частоти в змінний струм підвищеної частоти. Найбільш поширеними є синхронні перетворювачі чистоти. Синхронний перетворювач частоти - це агрегат, який складається з синхронного генератора і АД. Ротори синхронного генератора і АД знаходяться на одному валу. Змінний струм підвищеної частоти, що виробляє синхронний генератор отримується тому, що кількість пар полюсів генератора більша за кількість пар полюсів двигуна.

Швидкість вала асинхронного двигуна дорівнює:

Застосування електромашинного перетворювача частоти дозволяє отримати частоту до 100 Гц. Вони мають низький ККД, малонадійні і складні в експлуатації. Тому промисловість обмежує та поступово припиняє випуск цих перетворювачів. Останнім часом почався випуск, в основному, статичних перетворювачів частоти, що базуються на напівпровідникових елементах (тиристорах) і не мають вище наведених недоліків.
Напівпровідникові перетворювачі частоти, що випускає промисловість мають частоту 200 і 400 Гц, напругу 36 і 230 В, потужність в межах 0,4 - 400 кВт і більше.
Принцип перетворення частоти полягає в тому, що спочатку перетворюється змінний струм 50 Гц в постійний, а потім за допомогою інверторів, що складаються з тиристорів, перетворюється в змінний струм підвищеної частоти. Основними блоками такого перетворювача є керований випрямляч (КВ) і автономний інвертор (АІ). Обидва блоки зв’язані між собою ланцюгом постійного струму. На рис. 1.1 подана спрощена схема перетворення змігшого струму частотою 50 Гц у змінний струм підвищеної частоти.

Рисунок 1.1 - Спрощена схема перетворення змінного струму 50 Гц у змінний струм підвищеної частоти