Обмотка ротора состоит из медных или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко с торцов двумя кольцами (беличья клетка).
Обмотка статора (обмотка возбуждения) питается от сети переменным током – образуется вращающееся магнитное поле,
которое индуцирует в обмотках ротора ток.
На проводники с током обмотки ротора со стороны магнитного поля обмотки возбуждения действуют электромагнитные силы -
образуется вращающий момент, увлекающий ротор за магнитным полем.
Частота вращения ротора не может достигнуть частоты вращения магнитного поля статора (поэтому электродвигатель и
называется асинхронным), в противном случае угловая скорость вращения магнитного поля относительно обмотки ротора
станет равной нулю и магнитное поле перестанет индуцировать в обмотке ротора ЭДС и создавать крутящий момент.
Асинхронный двигатель с фазным ротором
Обмотки ротора выводятся на контактные кольца, вращающиеся вместе с валом машины. С помощью металлографитовых щёток,
скользящих по этим кольцам, в цепь обмотки ротора включается пускорегулирующий реостат. Увеличивая сопротивление реостата
в момент пуска, можно увеличить пусковой момент и снизить пусковой ток.
Синхронные электродвигатели
Обмотка статора (якорная обмотка) питается от сети переменным током – образуется вращающееся магнитное поле.
На роторе находится индукторная обмотка, выведенная на контактные кольца.
При пуске обмотки ротора закорачиваются накоротко или через реостат, и двигатель разгоняется в асинхронном режиме.
После выхода на скорость, близкую к номинальной, индуктор запитывается постоянным током - создаётся постоянное
магнитное поле, которое сцепляется с магнитным полем статора и начинает вращаться с ним синхронно (двигатель входит в
синхронизм).
Режимы работы асинхронного двигателя
Двигательный
Электродвигатель преобразует электрическую энергию, потребляемую из сети, в механическую.
Генераторный
Асинхронный двигатель переходит в генераторный режим, если ротор начинает вращаться быстрее магнитного поля –
на валу появляется тормозной момент. В этом режиме электродвигатель преобразовывает механическую энергию в
электрическую и отдаёт её в сеть.
Электромагнитного тормоза
Асинхронный двигатель переходит в режим электромагнитного тормоза, если ротор и магнитное поле статора вращаются в
разные стороны - на валу появляется тормозной момент, но двигатель при этом продолжает потреблять
электроэнергию из сети - вся потребляемая энергия идёт на нагрев двигателя.
Способы регулирования скорости вращения асинхронного двигателя
Реостатное
В цепь ротора (двигателя с фазным ротором) вводятся добавочные сопротивления - механическая характеристика двигателя
становится мягче (ухудшается устойчивость работы, увеличивается скольжение), скорость снижается, при этом увеличивается
пусковой момент и сохраняется перегрузочная способность.
Недостатки: большие потери на реостате, скорость меняется скачками.
Изменением числа пар полюсов
В многоскоростных двигателях, по-разному коммутируя обмотки статора, можно менять число пар полюсов, а значит и скорость
вращения вала, т.к. скорость вращения магнитного поля пропорциональна числу пар полюсов. При этом способе сохраняется КПД
и жёсткость механических характеристик, но снижается перегрузочная способность (которую можно сохранить, изменяя напряжение).
Недостатки: ступенчатое регулирование, высокая цена, большие габариты.
Частотное
Для этого способа регулирования применяются преобразователи частоты.
Если при изменении частоты сохранять неизменным магнитный поток (а для этого мы должны поддерживать постоянным
соотношение U/f), то мы получаем семейство механических характеристик с одинаковой жёсткостью и перегрузочной способностью.
Преимущества: плавность регулирования, отличные экономические характеристики, возможность увеличивать частоту выше 50 Гц
(частоты сети).
Как выбрать электродвигатель
Обмотка ротора
Короткозамкнутый ротор (беличья клетка)
Фазный ротор: обмотка ротора выведена на контактные кольца, вращающиеся с валом двигателя.
С помощью металлографитовых щёток в цепь ротора включается пуско-регулирующий реостат.
С помощью этого реостата можно уменьшить пусковой ток и регулировать скорость вращения вала двигателя.
Обмотка статора, напряжение питания
Обмотка статора может быть соединена по схеме «звезда» или «треугольник».
Если на шильдике двигателя написано: 220/380, D/Y, то это значит, что двигатель можно включать в сеть с Uл = 220 В по схеме «треугольник»,
а с Uл = 380 В - по схеме «звезда».
Для IEC двигателей стандартное напряжение - 230/400 В, а для отечественных - 220/380 В.
Типоразмер
Типоразмер или габарит (Frame size) - это расстояние в миллиметрах «от пола» до оси вала двигателя. Типоразмеры отечественных двигателей (ГОСТ)
и импортных (IEC, NEMA) в общем случае не совпадают: наши двигатели ниже, чем импортные той же мощности.
Материал корпуса (станины)
Алюминий (Aluminium)
Чугун (Cast Iron).
Коэффициент полезного действия (Efficiency)
КПД η равен отношению механической мощности на валу двигателя P2
к потребляемой из сети электрической мощности P1.
P1 = √3 х U х I х cos φ
P2 = M х n / 9,55
η = P2 / P1
Выходная мощность меньше входной на величину потерь.
Класс энергоэффективности
EFF1 (High Efficiency motors)
EFF2 (Improved Efficiency motors)
EFF3 (Conventional Efficiency motors).
Монтажное исполнение
Лапы (Foot) литые с корпусом или прикручиваемые
Фланцы (Flange) с врезными отверстиями (малые фланцы) или со сквозными (большие фланцы)
Скорость вращения магнитного поля двигателя (синхронная скорость):
n1 = 60f / p [об/мин],
где p - число пар полюсов двигателя,
f - частота сети (50 Гц).
2 полюса - 3000 об/мин
4 полюса - 1500 об/мин (стандарт)
6 полюсов - 1000 об/мин
8 полюсов - 750 об/мин
10 полюсов - 600 об/мин
12 полюсов - 500 об/мин.
Скорость вращения ротора асинхронного двигателя меньше скорости вращения магнитного поля:
n2 = n1(1 - s),
где s - скольжение.
Многоскоростные электродвигатели - это двигатели, у которых ступенчатое изменение скорости
реализовано с помощью переключения числа пар полюсов.
Температура окружающей среды и высота над уровнем моря
При установке двигателя выше 1000 метров над уровнем моря и при эксплуатации при повышенной температуре окружающей среды
необходимо учитывать снижение (Derating) мощности двигателя (для этого есть специальные таблицы).
Класс нагревостойкости изоляции
B - 130° С
F - 150° С (достаточно для работы от преобразователя частоты)
H - 180° С
Номинальные характеристики двигателя для всех классов изоляции указываются для температуры охлаждающей среды +40°С.
S1 - продолжительный: двигатель работает при установившейся температуре
S2 - кратковременный: двигатель не успевает нагреться до установившейся температуры,
но во время остановки успевает полностью охладиться
S3 - повторно-кратковременный: работа с постоянной нагрузкой чередуется с выключениями, при этом двигатель не успевает ни нагреться, ни охладиться до установившейся температуры
S4 - повторно-кратковременный с длительными пусками: двигатель не успевает ни нагреться, ни охладиться до
установившейся температуры
S5 - повторно-кратковременный с длительными пусками и электрическим торможением: двигатель не успевает ни нагреться, ни охладиться до
установившейся температуры
S6 - перемежающийся: работа с постоянной нагрузкой чередуется с работой на холостом ходу, при этом двигатель
не успевает ни нагреться, ни охладиться до установившейся температуры
S7 - перемежающийся с длительными пусками и торможениями: двигатель не успевает ни нагреться, ни охладиться до
установившейся температуры
S8 - перемежающийся с периодическим изменением скорости вращения: двигатель не успевает ни нагреться, ни охладиться до
установившейся температуры
Тепловая защита двигателя
PTC-термисторы - это резисторы, сопротивление которых мгновенно возрастает при достижении заданной температуры.
От 1 до 3 термисторов соединяются последовательно для сигнализации температуры отключения (Trip), например, 155°C.
Ещё одна цепочка термисторов может быть настроена на сигнал предупреждения (Alarm), например, 145°C.
PT100 - платиновые датчики температуры обладают высокой стойкостью к окислению и большой точностью измерения.
PT100 подключаются по 2-х, 3-х или 4-х проводной схеме (чем больше проводов - тем меньше влияние помех).
От 3 до 6 датчиков PT100 могут устанавливаться в обмотку статора.
Для измерения температуры подшипников могут быть использованы ещё 2 датчика PT100.
KTY - кремниевые термодатчики с положительным коэффициентом сопротивления, характеризуются высокой линейностью характеристики,
высоким быстродействием, надёжной твёрдотельной конструкцией и небольшой стоимостью.
Сервис-фактор
Двигатель с сервис-фактором 1.1 может постоянно работать с перегрузкой 10% от номинального выходного момента.
Класс по моменту (Torque class)
Класс по моменту показывает кратность пускового момента (при прямом пуске от сети) при пониженном на 5% напряжении:
Класс 16 - 160%
Класс 13 - 130%
Класс 10 - 100%
Класс 7 - 70%
Класс 5 - 50%
Коэффициент мощности cos φ
Коэффициент мощности (cos φ) равен отношению потребляемой двигателем активной мощности к полной мощности.
Активная мощность расходуется на совершение полезной работы.
Полная мощность равна геометрической сумме активной и реактивной мощности.
Реактивная мощность расходуется на намагничивание двигателя.
Антиконденсационный нагрев
Для того, чтобы перед пуском двигателя в сыром помещении просушить обмотки есть два способа:
Использовать двигатель со специальным встроенным нагревателем
Подать на одну обмотку статора напряжение от 4 до 10% номинального (чтобы пропустить ток от 20 до 30%
от номинального), что достаточно для испарения конденсата (применимо не для всех двигателей).
Некоторые преобразователи частоты умеют это делать.
Самовентиляция (Self-ventilated: вентилятор на валу двигателя)
Принудительное охлаждение (Forced cooling: независимый вентилятор или жидкостное охлаждение водой или маслом)
Для турбомеханизмов (вентиляторы и насосы, для которых момент на валу пропорционален квадрату скорости),
как правило, достаточно самовентиляции.
Двигатели, которые работают от преобразователей частоты с постоянным моментом длительное время на низких скоростях,
необходимо или переразмеривать, или обеспечить принудительным охлаждением.
Требования к двигателю при работе от преобразователя частоты
Температурный класс изоляции не ниже F
Возможно принудительная вентиляция (см. выше)
Изолированный подшипник с нерабочей стороны вала (рекомендуется для типоразмеров 225 и выше)
Подшипники
При работе от преобразователя частоты на частотах выше 50 Гц срок службы подшипников уменьшается.
У одних двигателей с рабочей стороны вала установлен плавающий подшипник (Floating bearing),
а с нерабочей стороны подшипник зафиксирован (Located bearing). У других - наоборот (для сочленения с редуктором, например).
В стандартном исполнении подшипники подпружинены в аксиальном направлении (вдоль вала) для обеспечения равномерной работы двигателя.
У двигателей с радиально-упорными подшипниками такой пружины нет, поэтому радиальное усилие
(перпендикулярно валу - от ремня, например) должно быть приложено постоянно, иначе подшипник быстро выйдет из строя.
Смазка
Как правило, для двигателей с типоразмерами до 250, работающих в номинальном режиме,
смазка рассчитана на весь срок службы подшипников.
Для пополнения смазки у двигателя должен быть предусмотрен специальный ниппель.
Вал двигателя
У двигателя может быть выведен второй конец вала двигателя, который может передавать как номинальный, так и меньший момент.
Второй конец вала несовместим с такими опциями как: датчик скорости и вентилятор принудительного охлаждения, а, возможно, и с тормозом.
Тормоз
При выборе тормоза необходимо учесть:
Тип:
статический (удерживающий тормоз срабатывает только при неподвижном вале)
динамический (можно регулировать момент торможения, меньше изнашивается в случае аварийного торможения)
Максимальную скорость, при которой возможно аварийное торможение
Момент нагрузки
Момент инерции
Число пусков
Напряжение питания: переменное (~220В) или постоянное (=24В)
Скорость срабатывания: тормоз с выключением на DC-стороне срабатывает быстрее (для подъёмника, например),
чем тормоз с выключением на AC-стороне (для конвейера)
Датчик скорости
Датчик скорости может находится герметично внутри корпуса (Incapsulated) или снаружи под защитной крышкой.