2.2. Асинхронные двигатели трехфазного переменного тока
Асинхронные двигатели, которые преобразуют электрическую энергию в механическую, являются наиболее распространенными. Они широко применятся в электроприводах большинства механизмов. Это объясняется простотой их конструкции, надежностью и высоким коэффициентом полезного действия.
Асинхронные двигатели выпускаются едиными сериями. В 70-х годах XX в. была разработана и внедрена единая серия 4А асинхронных двигателей. Она и сейчас используется во многих странах СНГ и Европы. Серия включает двигатели мощностью 0,06 - 400 кВт. Серия 4А имеет 25 модификаций: с короткозамкнутым ротором (4А), с фазным ротором (4АК), с повышенным пусковым моментом (4АР), с повышенным скольжением (4АС), многоскоростые (4АМ), специализированные, малошумные (А...Н), лифтовые (4А...НЛБ), сельскохозяйственные (4А...СХ) и др. Каждая модификация имеет ряд исполнений. Так, серия 4А включает около 30 000 исполнений.
Рис. 2.1. Основные установочные размеры электрических машин на лапах и их обозначение по PC и МЭК-72 (в скобках)
Определяющим размером в серии является стандартная высота оси вращения Н (рис. 2.1), которая для серии 4А составляет 50 - 355 мм. Для каждой высоты вращения изготовляются машины, которые отличаются длиной станины: S — короткая (от англ. short); М — средняя (medium); L — длинная (long).
Асинхронные двигатели рассчитаны на частоту электрического тока источника питания 50 Гц, напряжение 220, 380, 660 В, синхронную частоту вращения 500, 600, 750, 1000, 1500 и 3000 об/мин.
Расчетный срок службы двигателя 20 лет.
Асинхронные двигатели единой серии 4А напряжением свыше 1000 В (высоковольтные) имеют мощность более 400 кВт.
Асинхронные двигатели по конструкции бывают двух основных типов: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором (их также называют двигателями с контактными кольцами). Статоры этих двигателей одинаковые.
Двигатель с короткозамкнутым ротором состоит из следующих основных узлов: статора, ротора, переднего и заднего подшипниковых щитов, вентилятора, коробки выводов.
Сердечник статора, представляющий собой полый цилиндр, набирается из отдельных листов, которые штампуют из электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Перед сборкой листы изолируют путем оксидирования или лакирования, иногда используют сталь с изоляционным покрытием. На внутренней поверхности статора выштамповывают пазы, в которые укладывают обмотку.
Сердечник статора закрепляется в корпус. Сердечник ротора также собирают из листов электротехнической стали. В короткозамкнутых роторах применяют полузакрытые или закрытые пазы овальной, прямоугольной или фигурной формы (рис. 2.2). Сердечник ротора напрессовывается на вал ротора и закрепляется шпонкой, накаткой или с помощью переходной втулки.
Рис. 2.2. Формы пазов роторов асинхронных электродвигателей: а - г — глубокие; д - з — фигурные
Обмотка ротора выполняется в виде беличьей клетки, она является короткозамкнутой и никаких выводов не имеет. Клетка состоит из медных или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко с торцов двумя кольцами (рис. 2.3). Стержни обмотки вставляют в пазы сердечника ротора без изоляции. В двигателях до 100 кВт обмотка ротора выполняется заливкой пазов расплавленным алюминием. Одновременно заливаются и замыкающие кольца с вентиляционными крыльями, которые необходимы для лучшего охлаждения двигателя. В замыкающих кольцах с обеих сторон сердечника ротора расположены пазы для крепления балансировочных грузов.
В подшипниковых щитах имеются центральные отверстия для размещения роликового (со стороны выводного конца вала) и шарикового (с другой стороны) подшипников. В двигателях малой мощности устанавливают два шариковых подшипника.
На станине сделано отверстие с резьбой, в которое закручивают болт для соединения шины заземления. На конце вала находится шпонка для крепления полу муфты.
Рис. 2.3. Короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя с алюминиевой литой клеткой:
1 — вал; 2 — торцевые замыкающие кольца; 3 — вентиляционные лопатки; 4 — стержень; 5 — сердечник
Охлаждение двигателя осуществляется вентилятором, установленным снаружи на конце вала, и вентиляционными лопатками (крыльями), отбрасывающими воздух на лобовые части обмотки статора. Поток воздуха направляется кожухом вдоль внешней поверхности станины с ребрами. Кожух крепится к щиту двигателя винтами и имеет в торцевой части отверстия, через которые засасывается воздух.
Коробка выводов находится сверху двигателя и может быть повернута в положение, удобное для соединения с питающим кабелем через сальник.
В верхней части станины закручен рым-болт, предназначенный для подъема и монтажа двигателя.
Станину крепят к фундаменту с помощью лап, которые имеют отверстия под крепежные болты. Лапы отлиты как одно целое со станиной.
По степени защиты и способу охлаждения асинхронные двигатели с короткозамкнутым роторам выпускаются в трех исполнениях: IP23, IP44. IP54. В машинах IP23 охлаждение осуществляется лопатками, отлитыми вместе с короткозамыкающими кольцами ротора, а в машинах IP44, IP54 — с помощью вентилятора.
Рис. 2.4. Схема переключения обмоток двигателя
На внутренней поверхности крышки коробки выводов находится схема переключения обмоток статора для соответствующего линейного напряжения электрической сети (рис. 2.4). Если двигатель рассчитан на напряжение сети 220/380 В, то при линейном напряжении сети 220 В клеммные перемычки должны располагаться вертикально, т.е. для соединения "треугольником" (Л). При линейном напряжении сети 380 В три клеммные перемычки должны располагаться горизонтально, это значит для соединения "звездой" (Y) (рис. 2.4). Питающие провода в этих случаях должны присоединяться к клеммам Cl, С2, СЗ выводного устройства.
Для изменения направления вращения ротора электродвигателя необходимо поменять местами два любых токоподводящих проводника.
Обозначение типа электродвигателя, например 4A90L6Y3, расшифровывается следующим образом:
4 — порядковый номер серии; А — асинхронный; 90 — высота оси вращения, мм; L — длина корпуса; 6 — количество полюсов; У — климатическое исполнение; 3 — категория размещения.
Двигатели основного исполнения серии 4А предназначены для работы в районах с умеренным климатом и категорией размещения 3. Вероятность безотказной работы не менее 0,9 за 10 тыс. ч наработки. Класс нагревостойкости изоляции двигателей с высотой оси вращения 50-132 мм обозначается В, а с высотой оси вращения 160-355 мм —F.
Станины двигателей с высотой оси вращения 50 - 63 мм изготавливаются из алюминиевого сплава. Двигатели с высотой оси вращения 71 - 160 мм имеют станины из алюминиевого сплава или чугуна. Станины двигателей с высотой оси вращения 180 - 250 выпускаются чугунные, а 280 - 155 мм — как чугунные, так и стальные сварные.
Коэффициент полезного действия (КПД) при номинальной нагрузке составляет 60 - 94,5 %, а коэффициент мощности cos if — 0,7 - 0,9, кратность пускового тока — 3,5 - 7, кратность пускового момента — 1 -2,2, кратность максимального момента — 1,7 - 3. Приведем главные модификации асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором серии 4А.
1. Двигатели с повышенным пусковым моментом (4АР) предназначены для привода механизмов с тяжелыми условиями пуска (компрессоры, поршневые насосы, транспортеры и др.). Двигатели имеют степень защиты IP44, изготавливаются в диапазоне высот оси вращения 160 - 250 мм на синхронные частоты вращения 1500, 1000, 750 об/мин. По конструкции отличаются от двигателей основного исполнения только формой паза ротора, а в ряде случаев обмоткой статора.
2. Двигатели с повышенным скольжением (4АС) используются для привода механизмов с пульсирующей нагрузкой (компрессоры, прессы) при относительно большой массе, а также механизмов, которые работают в повторно-кратковременном (S3) и перемежающемся (S6) режимах. Двигатели имеют степень защиты IP44, изготавливаются в диапазоне высот оси вращения 71 - 250 мм на синхронные частоты вращения 3000, 1500, 1000, 750 об/мин.
Номинальные мощности двигателей относятся к повторно-кратковременному режиму с продолжительностью включения (ПВ), равной 40%.
Ротор двигателей с высотами оси вращения более 100 мм заливается сплавом повышенного сопротивления. Начиная с высоты оси вращения 112 мм, двигатели 4АС имеют меньшее сечение стержней роторной клетки по сравнению с основным исполнением.
3. Многоскоростные двигатели предназначены для привода механизмов, требующих ступенчатого регулирования частоты вращения, имеют степень защиты IP44.
Многоскоростные двигатели серии 4А отличаются от двигателей основного исполнения обмоткой статора, а в ряде случаев формой паза ротора и длиной сердечников.
Двухскоростные двигатели с соотношением частот вращения 1:2 имеют обмотку статора с переключением числа полюсов по схеме Даландера, а трехскоростные — две обмотки, в одной из которых число полюсов переключается по этой схеме.
В об значении многоскоростных двигателей приводятся все числа полюсов, на которые переключаются обмотки. Например, четырехскоростной двигатель с полюсами 12/8/6/4 обозначается 4А200М12/8/6/4УЗ.
4. Двигатели повышенной точности по установочным размерам применяются в станкостроительной промышленности. Изготовлены с допусками повышенной точности по следующим параметрам: высота оси вращения, непараллельность оси вращения вала относительно опорной плоскости лап, радиальные биения концов вала относительно оси вращения, биения опорных торцов крепежных фланцев.
В двигателях применяется пластмассовый вентилятор.
Для этих двигателей используют обозначение основного исполнения соответствующего типоразмера двигателя с добавлением после числа полюсов буквы П, например: 4А10082ПУЗ.
5. Двигатели с встроенной температурной защитой имеют терморезисторы, которые вместе с блоками управления температурной защиты обеспечивают защиту двигателя от перегрева во всех режимах работы, а также позволяют использовать его перегрузочную способность при понижении температуры окружающей среды и ограничивать ее при повышении.
Двигатели изготавливаются в основном исполнении с некоторыми модификациями, например с повышенным скольжением, сельскохозяйственного назначения. Для двигателей со встроенной температурной защитой применяется обозначение соответствующего двигателя основного исполнения или его модификации с добавлением после числа полюсов буквы Б, например: 4А10082БУЗ.
Блок управления, который располагается вне двигателя, реагирует на изменения параметров терморезисторов: при достижении температуры, опасной для обмотки, он подает сигнал.
В качестве блока управления применяется аппарат защиты АЗП, а в качестве термочувствительных датчиков используются полупроводниковые терморезисторы с положительным температурным коэффициентом типа СТ14-2-145 (145 — это температура реагирования защиты). Терморезисторы встроены в каждую фазу обмотки между витками выходящей из паза лобовой части катушки (в средней части ее поперечного сечения) на расстоянии около 15 мм от торца сердечника статора (рис. 2.5). Терморезисторы К расположены один относительно другого под углом около 120° и соединены последовательно с выводом концов цепи в коробку выводов, которая имеет два штуцера.
Схема подключения аппаратуры показана на рис. 2.6.
Рис. 2.5. Установка терморезисторов
Рис. 2.6. Подключение АЗП с нулевой защитой: АЗП — аппарат защиты; П — магнитный пускатель; КнС — кнопка "Стоп"; КнП — кнопка "Пуск"
6. Двигатели сельскохозяйственного исполнения предназначены для привода сельскохозяйственных машин и механизмов, которые работают в помещении, под навесом и на открытом воздухе, а также в условиях повышенной влажности при температуре окружающей среды от -40 до +40 °С.
Станины изготовлены из чугуна, частота вращения двигателей 3000, 1500 и 1000 об/мин.
Двигатели могут работать продолжительное время при номинальной нагрузке и отклонении напряжения от - 7,5 до +10 % номинального, а также при пониженном напряжении (до 80 % номинального) и снижении мощности до 15 % номинальной.
Двигатели допускают кратковременную работу с сохранением номинального момента при напряжении до 80 % номинального значения на протяжении 10 мин. После этого необходим перерыв продолжительностью до 3 ч.
Двигатели обозначаются так же, как двигатели основного исполнения соответствующего типоразмера с заменой УЗ на СУ1, например 4A100S2Cyi.
Двигатели малошумного исполнения используются для привода специальных станков. Узлы и детали, за исключением кожуха и вентилятора, аналогичны деталям двигателя основного исполнения. Кожух вентилятора выполнен литьем из алюминиевого сплава, а вентилятор — из пластмассы. Кожух крепится к щиту с помощью амортизатора.
Для малошумных двигателей применяют обозначение основного исполнения соответствующего типоразмера двигателя с добавлением после числа полюсов букв: Н — для двигателей с нормальной точностью по установочным размерам; НП — для двигателей с повышенной точностью по установочным размерам, например: 4А10082НУЗ и 4А10082НПУЗ.
Двигатели, предназначенные для тропиков, имеют в обозначении букву Т, например: 4A100S2T1, а двигатели для холодного климата — ХЛ: 4А10082ХЛ1.
Двигатели с фазным ротором
Двигатели с фазным ротором относятся к модификациям серии 4А. Обмотка статора выполнена так же, как и в двигателях с короткозамкнутым роторам. Ротор имеет трехфазную обмотку с тем же числом полюсов. Обмотка ротора выполняется по типу трехфазной обмотки статора и изолируется в пазах от сердечника. Пазы делают закрытыми или чаще полузакрытыми. Обмотки бывают катушечные и стержневые. Катушечные однослойные обмотки изготавливаются путем протягивания проводников через пазы и используются только в двигателях малой мощности с закрытыми пазами. Для роторов двигателей средней и большой мощности широко применяются двухслойные стержневые волновые и реже петлевые обмотки. Обмотки ротора обычно соединяются в звезду. Три свободных конца обмотки припаиваются к трем контактным кольцам, которые крепятся на валу. Кольца изолированы между собой и от вала. На них накладываются медно-графитовые щетки, которые с помощью держателей закреплены на подшипниковом щите. К щеткам присоединяется пусковой реостат. При работе двигателя щетки скользят по контактным кольцам и соединяют вращающуюся обмотку ротора с неподвижным реостатом.
Пусковой реостат применяют для увеличения пускового момента и уменьшения пускового тока. Пускорегулировочный реостат позволяет регулировать также и скорость.
В некоторых двигателях щетки с целью уменьшения изнашивания по окончании пуска поднимаются специальным механизмом, а контактные кольца с помощью контактов замыкаются накоротко.
Двигатели с фазным роторам обладают степенью защиты IP44 (4АК) и IP23 (4АНК) и изготавливаются в следующем диапазоне высот оси вращения: 160 - 335, 160 - 250.
При высоте оси вращения 160 - 200 мм роторы двигателей имеют всыпную двухслойную петлевую обмотку из круглого эмалированного провода, при 225 - 355 мм — двухслойную волновую стержневую обмотку ротора. Класс нагревостойкости изоляции ротора — F.
В двигателях 4АК со степенью защиты IP44 узел контактных колец расположен под оболочкой двигателя, а в двигателях 4АНК со степенью защиты IP23 — вне оболочки и защищен кожухом.
В обозначении двигатели с фазным ротором имеют дополнительную букву К после условного обозначения степени защиты, например: 4АНК280М4УЗ. Концы обмоток фазного ротора обозначаются: Р1 (первая фаза), Р2 (вторая фаза), 0 (нулевая точка). Маркировка выводов производится на щитке или чаще на конце обмоток.
По ГОСТ 26772 выводы фаз обмотки ротора маркируют буквами К, L, М. В 1981 - 1985 гг. была разработана международная серия АИ асинхронных двигателей, которая охватывает диапазон мощностей от 0,025 до 315 кВт при 1500 об/мин и высоте оси вращения 45 - 355 мм. Затем эта серия была усовершенствована и получила обозначение 2АИ (Интерэлектро). В серии предусмотрено основное исполнение, а также электрические модификации и специализированные исполнения по условиям окружающей среды, точности установочных размеров с дополнительными устройствами, узкоспециализированные.
Двигатели со степенью защиты IP54 или IP44 являются основным исполнением для всей серии. На отрезке высот оси вращения 200 мм и более взято исполнение со степенью защиты IP23.
Двигатели мощностью 0,025 - 0,37 кВт изготавливаются на напряжение 220, 380 В; 0,55 - 11кВт — на 220, 380 и 660 В при соединении фаз "звездой" и "треугольником" с тремя выводными концами.
Двигатели мощностью свыше 11кВт выполняются на напряжение 380/660 В с шестью выводными концами. Основное исполнение предусмотрено для частоты 50 Гц, для поставок на экспорт возможно изготовление на частоту 60 Гц.
Номинальным режимом работы двигателей серии АИ является режим S1, кроме того, асинхронные двигатели должны допускать работу и в режимах S2 - S8.
Расчетный срок службы таких двигателей составляет не менее 20 000 ч при вероятности безотказной работы не менее 0,9.
Для обозначения серии АИ взята структура, в которой можно выделить три вида обозначений: базовое, основное, полное.
Базовое обозначение определяет серию, мощность, частоту вращения, например: АИР100М4 (серия АИ, увязка по варианту Р, высота оси вращения 100 мм, длина корпуса М, число полюсов 4).
Основное обозначение — это соединения базового исполнения двигателя с видом защиты и охлаждения, с электрической и конструктивной модификациями и исполнением по условиям окружающей среды. Например: АИРБС100М4НПТ2 (АИР100М4 — базовое обозначение, Б — закрытое исполнение с естественным охлаждением без обдува, С — с повышенным скольжением, Н — малошумные, П — с повышенной точностью установочных размеров, Т — для тропического климата, 2 — категория размещения).
Полное обозначение — соединение основного обозначения с дополнительными конструктивными и электрическими характеристиками. Например: АИРБС100М4НПТ2, 220/380 В, 60, IM2181, КЗ-11-3, F100 (АИРБС100М4НПТ2 — основное обозначение, 220/380 В — напряжение, 60 — частота сети, IM2181 — исполнение по способу монтажа и по концу вала, КЗ-11-3 — исполнение выводного устройства и число штуцеров, F100 — исполнение фланцевого щита).
Буквы могут быть как русские, так и латинские.
Машины серии АИ изготавливаются в разных странах. По сравнению с машинами серии 4А они имеют повышенную надежность и перегрузочную способность, более широкий диапазон регулирования, лучшие массогабаритные и энергетические показатели и виброакустические характеристики.
Кроме общепромышленных серий 4А и АИ, имеется ряд серий асинхронных двигателей, предназначенных для особых условий работы.
Двигатели серии 4МТ (вместо серии МТ) предназначены для привода краново-металлургических машин и механизмов. Эта серия унифицирована с серией 4А и охватывает двигатели мощностью до 200 кВт. Она включает как двигатели с короткозамкнутым ротором (4МТК), так и двигатели с фазным ротором (4МТ). Двигатели серии 4МТ предназначены для повторно-кратковременного режима работы, когда на заданном временном интервале (цикле) двигатель часть времени работает, а часть времени отключен. Двигатели серии АР мощностью 0,3 - 10 кВт и частотой вращения 150 - 1500об/мин используются для индивидуального привода роликов рольганга.
Серия ПЭД — погружные маслонаполненные двигатели для привода центробежных насосов при откачивании жидкости из нефтяных скважин.
Серия ВА02 — для работы во взрывоопасной среде.
Серия АТД (500 - 800 кВт, 3000 об/мин) — для привода быстроходных стационарных насосов.
Серия МАПЗ (2,5 - 60 кВт) — для привода насосов артезианских скважин. Двигатель опускается в воду вместе с насосом. Охлаждение осуществляется водой, в которой он работает.
1. Какие серии асинхронных машин существуют?
2. Какие основные модификации имеет единая серия асинхронных двигателей 4А?
3. Какие исполнения по степени защиты имеют асинхронные двигатели?
4. Как обозначается тип асинхронного двигателя? Что означают буквы и цифры, которые входят в обозначение типа асинхронного двигателя?
5. Как устроена асинхронная машина?
6. Чем отличается асинхронный двигатель с фазным ротором от асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором?
7. Где используются асинхронные двигатели с повышенным пусковым моментом?
8. Для каких механизмов предназначены асинхронные двигатели с повышенным скольжением?
9. Как изготавливается короткозамкнутая обмотка ротора асинхронного двигателя?
10. Из какого материала и как изготавливают сердечники статора и ротора асинхронного двигателя?