Архив / 1997 / №3(13) / 

Выбор асинхронных двигателей для различных приводов и условий эксплуатации (Продолжение. Начало в № 11-12)

Структура единых серий асинхронных двигателей

Серией называется ряд электрических машин, объединенных общностью принципа электромагнитного преобразования энергии, общностью конструкции, имеющих общее наименование, с закономерно возрастающим определяющим параметром. У асинхронных двигателей определяющим параметром является высота оси вращения.
В настоящее время электромашиностроительные заводы стран СНГ выпускают асинхронные двигатели серий 4А и АИ, а Ярославский электромашиностроительный завод, кроме того, серию RA.

Типоразмером называется совокупность электродвигателей, имеющих одинаковые рабочие свойства: мощность, частоту вращения и механическую характеристику.

Обозначение типоразмера двигателя на заводском щитке содержит основные признаки электродвигателя. Первые две позиции обозначают серию электродвигателей. Например, 4А, АИ, RA.

Если после первых двух позиций стоит буква Н, то это обозначает, что степень защиты двигателя – IP23, т.е. электро-двигатель защищенного исполнения; если буква Н отсутствует, то это свидетельствует о том, что двигатель имеет степень защиты IP44, т.е. электродвигатель закрытый обдуваемый.

Материалы станины и подшипниковых щитов характеризуются в обозначении типоразмера двигателя следующим образом. Если станина и подшипниковые щиты чугунные или стальные, то символ, показывающий это, отсутствует. При изготовлении станины и щитов из алюминия – символ А. При любом сочетании чугуна и алюминия в качестве материалов станины и щитов – символ Х.

Следующая позиция – ус-ловное обозначение модификации серии. Например: Р – с повышенным пусковым моментом, С – с повышенным скольжением, К – с фазным ротором, В – встраиваемые, У – однофазные с пусковым конденсатором, Т – однофазные с рабочим конденсатором, Е – однофазные с пусковым резистором, УТ – однофазные с пусковым и рабочим конденсаторами.

После условного обозначения модификации следует обозначение одного из важнейших признаков электродвигателей – высота их оси вращения. Для низковольтных асинхронных двигателей высоты оси вращения имеют следующие значения: 50, 56, 63, 71, 80, 90, 100, 112, 132, 160, 180, 200, 225, 250, 280, 315, 355 мм.

После обозначения высоты оси вращения указывается следующий признак – установочный размер по длине станины. Здесь применяют три символа: S – короткая станина, М – средняя станина, L – длинная станина. Затем следует символ, показывающий длину сердечника статора при сохранении установочного размера. Если при данных установочных размерах сердечник имеет одну длину, то символ в обозначении типоразмера двигателя отсутствует; если же сердечник имеет две длины при сохранении установочных размеров, то короткий сердечник обозначается – А, а длинный – В.

Далее в обозначении типоразмера двигателя указывается число его полюсов, например, 2; 4/2; 6/4/2; 4; 6/4; 8/6/4; 12/8/6/4; 6; 8; 8/6; 10; 12; 12/6, т.е. двигатели выпускают как односкоростные, так и многоскоростные.

Следующий символ показывает модификацию двигателя по конструкции и условиям окружающей среды. Символ Н обозначает, что электродвигатель имеет малошумную модификацию. Б – наличие встроенной температурной защиты. Е – наличие в конструкции двигателя электромагнитного тормоза.

Шкала мощностей электродвигателей имеет увязку с их установочными размерами. Эта увязка может быть выполнена в двух вариантах: по ГОСТ (для использования в странах СНГ) или по требованиям Европейского комитета по координации электротехнических стандартов (CENELEK), в случае поставок двигателей в страны дальнего зарубежья.

При увязке шкалы мощностей с установочными размерами по ГОСТ в обозначении типоразмера символ отсутствует, а при увязке по CENELEK проставляется символ К. Если электродвигатели выполнены с повышенной точностью по установочным размерам, то применяется символ П.

Обычно асинхронные двигатели изготавливают с подшипниками качения, однако, для снижения уровня шума, двигатели могут выполняться с подшипниками скольжения. В этом случае используют символ Ш.

Для привода компрессоров применяют встраиваемые асинхронные двигатели с фреономаслостойкой изоляцией. В этом случае в обозначении электродвигателей используется символ Ф.

Для работы в цехах с химически агрессивной средой используют асинхронные двигатели химостойкого исполнения. В обозначении таких электродвигателей используется символ Х.

По требованию работников сельского хозяйства в единых сериях 4А и АИ была разработана специальная модификация по конструкции и по условиям окружающей среды. Эта модификация обозначается символом СХ.

Следующими по последовательности их нанесения в обозначении типоразмера электродвигателей являются символы, характеризующие климатическое исполнение электродвигателей. Так символ У обозначает, что электродвигатель предназначен для работы в условиях умеренного климата. Символ Т – двигатель предназначен для работы в условиях тропического климата, а символ ХЛ – для холодного климата.

Последним символом в обозначении типоразмера электродвигателя является цифра, характеризующая категорию размещения двигателя. ГОСТ 15150-69 устанавливает пять групп размещения: 1, 2, 3, 4, 5. Наиболее распространены цифры 3 и 4. В случае, когда электродвигатель предназначен для установки в закрытых отапливаемых и вентилируемых производственных или других помещениях, категория размещения обозначается цифрой 4.

Категория размещения электродвигателя, предназначенного для работы в закрытых помещениях с естественной вентиляцией без искусственно регулируемых климатических условий, обозначается цифрой 3.

Приведем несколько примеров расшифровки обозначений типоразмеров асинхронных двигателей 4А на заводских щитках и в каталогах. 4АА50А2У3 означает, что это электродвигатель серии 4А со степенью защиты IP44, со станиной и подшипниковыми щитами из алюминия, с высотой оси вращения 50 мм, с коротким сердечником статора, с числом полюсов – 2, т.е. с синхронной частотой вращения 3000 об/мин, предназначенный для работы в умеренном климате и в закрытых помещениях с естественной вентиляцией без искусственно регулируемых климатических условий.

Еще один пример. Обозначение 4АНК225М6У4 означает – электродвигатель серии 4А со степенью защиты IP23, с фазным ротором, с высо-той оси вращения 225 мм, со средней станиной, с числом полюсов, равным 6, т.е. с синхронной частотой вращения 1000 об/мин, предназначенный для работы в умеренном климате и в закрытых отапливаемых и вентилируемых производственных или других помещениях.

Назначение асинхронных двигателей в зависимости от условий работы электроприводах

В сериях 4А и АИ имеются базовые электродвигатели и их модификации. Двигатели базового ряда предназначены для нормальных условий работы в электроприводах, не требующих регулирования частоты вращения. Для тяжелых условий пуска применяются двигатели с повышенным пусковым моментом, двигатели с повышенным скольжением и двигатели с фазным ротором. Под тяжелыми условиями пуска понимается пуск при постоянном статическом моменте и с моментом инерции нагрузки, не превосходящем 10-кратного значения момента инерции ротора, или пуск при параболической зависимости статического момента нагрузки от частоты вращения, но при моменте инерции нагрузки, превышающем 10-кратное значение. Для приводов, требующих регулирования скорости при постонной частоте питающей сети, применяют многоскоростные двигатели и двигатели с фазным ротором. Рассмотрим подробнее назначение и характеристики модификаций базового исполнения электродвигателей.

Двигатели с повышенным пусковым моментом предназначены для привода механизмов с высокими статическими или динамическими моментами на валу – транспортеров, центрифуг, поршневых компрессоров, мешалок. Эти двигатели имеют степени защиты IP44 (IP54) и высоты оси вращения 160-250 мм. Электродвигатели с повышенным пусковым моментом отличаются от базовых формой пазов ротора и обмоточными данными; все остальное полностью унифицировано. Номинальная мощность двигателей с повышенным пусковым моментом такая же, как и у базовых двигателей. Двигатели выпускаются на частоты вращения 1500, 1000 и 750 об/мин. Начальный, пусковой и минимальный моменты двигателей в 1,6 раза выше, чем у базовых двигателей, максимальный момент и пусковой ток такие же, как у базовых двигателей. Энергетические показатели двигателей с повышенным пусковым моментом ниже, чем у базовых двигателей.

Двигатели с повышенным скольжением применяют для электроприводов механизмов с пульсирующей нагрузкой, частыми или тяжелыми пусками, реверсами. Номинальный режим работы для этих механизмов – повторно-кратковременный S3. Номинальная мощность на заводском щитке и в каталогах указывается для продолжительности включения (ПВ) 40%. Мощность двигателя для других значений ПВ и для продолжительного режима работы S1 может быть определена приближенно по формуле:

РПВ = Рном (ПВ/40)b

где b = -0,25 при 2р = 2;
b = -0,23 при 2р = 4;
b = -0,26 при 2р = 6;
b = -0,29 при 2р = 8.

Двигатели с повышенным скольжением могут также работать в режимах S2, S4, S8. Значения мощностей двигателей для режимов S2 и S6 по отношению к мощности в режимах S1 приведена в табл. 1.

Таблица 1

Высота осивращения,
мм

 Относительная мощность Р/РS1 при

длительности цикла в режиме S2, мин.

 ПВ в режиме S6, %

10

30

40

50

15

25

40

60

71-132

1,5

1,2

1,1

1,05

1,8

1,5

1,25

1,15

160-250

1,7

1,3

1,1

1,05

2,0

1,7

1,45

1,20

Двигатели с повышенным скольжением изготавливают на основе двигателей базового ряда со степенью защиты IP44 (IP55), с высотами оси вращения 71-250 мм. Они отличаются от базовых двигателей только размерами паза ротора и материалом, которым залита беличья клетка. Скольжение при номинальной нагрузке у двигателей с повышенным скольжением в 2-3 раза выше, чем у базовых. Это достигается заливкой ротора сплавом повышенного сопротивления (r = 10-7 Ом·м) и уменьшением сечения стержней ротора. Благодаря повышенному сопротивлению ротора начальный пусковой и минимальный моменты двигателя примерно соответствуют значениям этих величин у электродвигателей с повышенным пусковым моментом. Коэффициент полезного действия двигателей с повышенным скольжением ниже, чем у базовых, примерно на 5%, вследствие больших потерь в роторе.

Рис. 1. Схемы соединений обмоток двухскоростных двигателей:
Рис. 1. Схемы соединений обмоток двухскоростных двигателей:

Многоскоростные двигатели изготавливают на основе базовых со степенью защиты IP44 и IP54. Они отличаются от базовых только обмотками статора и пазами ротора. Выпускают многоскоростные двигатели со следующим соотношением частот вращения: 3000/1500; 1500/100; 1500/750; 1000/500; 1000/750; 3000/1500/1000; 3000/1500/750; 1500/1000/750; 3000/1500/1000/750; 1500/1000/750/500 об/мин. Обмотки электродвигателей с соотношением частот вращения 1:2 имеют одну обмотку с шестью выводными приводами. Обмотка соединяется в треугольник (D) при низшей частоте вращения и в двойную звезду (Y Y) при высшей частоте вращения. Остальные двухскоростные, а также трех- и четырехскоростные электродвигатели имеют по две независимые обмотки (рис. 1).

а - D/YY. Низшая скорость - D: 1В, 2В, 3В свободны; на 1Н, 2Н, 3Н подается напряжение. Высшая скорость - YY: 1Н, 2Н, 3Н замкнуты между собой; на 1В, 2В, 3В подается напряжение;
б - D/YY с дополнительной обмоткой. Низшая скорость - YY с дополнительной обмоткой; 1В, 2В, 3В замкнуты между собой: на 1Н, 2Н, 3Н подается напряжение. Высшая скорость - D: 1Н, 2Н, 3Н свободны; на 1В, 2В, 3В подается напряжение;
в - YYY. Низшая скорость: 1В, 2В, 3В свободны, на 1Н, 2Н, 3Н подается напряжение. Высшая скорость: 1Н, 2Н, 3Н свободны, на 1В, 2В, 3В подается напряжение

Соотношения мощностей при высшей и низшей частотах вращения ориентировочно можно определить по формуле:

РВ = Рн (nB/nн)a

где РВ и Рн - номинальные мощности при высшей nв и низшей nн частотах вращения;
a - коэффициент, в зависимости от сочетания частот вращения равный: 0,4-0,5 для частот вращения 3000/1500 и 1500/1000 об/мин; 0,6-0,7 для частот вращения 1000/750 и 1500/750 об/мин; 0,8-1,0 для частот вращения 1000/500 об/мин.

Кратность пусковых моментов всех многоскоростных двигателей не ниже 1,2 для низшей частоты вращения и не ниже 1,0 для высшей частоты вращения. Энергетические показатели несколько ниже, чем у двигателей базового ряда соответствующих мощностей и частот вращения.

Рис. 2. Механические характеристики двигателя с фазным ротором при последовательном включении z ступеней пускового реостата
Рис. 2. Механические характеристики двигателя с фазным ротором при последовательном включении z ступеней пускового реостата

Двигатели с фазным ротором предназначены для привода механизмов, требующих регулирования частот вращения вниз от номинальной в небольших пределах (1:5) лебедки, шахтные подъемные машины, волочильные станы), а также механизмов с тяжелым и длительным пуском (центрифуги, крупные центробежные вентиляторы). Двигатели с фазным ротором изготавливают в двух исполнениях по степени защиты IP44 и IP23.

Двигатели с фазным ротором со степенью защиты IP23, как правило, имеют такую же мощность, что и двигатели базового ряда. Мощности двигателей с фазовым ротором со степенью защиты IP44 ниже мощностей соответствующих двигателей базового ряда на одну ступень шкалы мощностей.

Двигатели с фазным ротором изготавливают с высотами оси вращения от 160 до 355 мм. Пусковой момент этих двигателей зависит от значения сопротивления включенного в цепь ротора (рис. 2).

Пусковой ток и пусковой момент можно изменять плавно и в широких пределах в зависимости от числа ступеней и сопротивлений пускового реостата. Сопротивления ступеней реостата можно определить по формулам:

rz = r2 (l-1)

rz-1 = rz1
. . . . . . . . . . . . .
r1 = r21

где z - число ступеней пускового устройства;
r2 - активное сопротивление фазы обмотки ротора;

l = М1/М2,

М1 и М2 - моменты, при которых производится переключение ступеней пускового реостата.

Sн - номинальное скольжение.

При этом необходимо собюлюдение условий

М1 < Мmax; М2 > Мс,

где Мс - момент сопротивления.

Регулировать частоту вра-щения двигателя с фазным ротором можно с помощью регулиро-вочного реостата, сопротивления которого должны быть рассчитаны на длительную нагрузку.

Следует иметь в виду, что двигатели с фазовым ротором дороже электродвигателей с короткозамкнутым ротором. Поэтому применение их необходимо только в следующих случаях:

– если требуется меньший пусковой ток, а двигатели с коротко-замкнутым ротором, в которых с этой целью переключают припуске обмотку с треугольника на звезду, не развивают необходимый пусковой момент (он снижается в три раза). В двигателях с фазовым ротором пусковой момент и пусковой ток (с помощью пусковых сопротивления) могут быть равны их номинальным значениям;
– если требуется высокий пусковой момент (выше чем номинальный). В этом случае с помощью подбора величины пускового сопротивления можно получить любое значение пускового момента вплоть до максимального («опрокидывающего») момента;
– если приводимый в работу исполнительный механизм необходимо пускать только плавно;
– если двигатель предназначен для работы в режиме частых пусков и торможений, при котором температура обмотки короткозамкнутого ротора превышает допустимое значение. Применение двигателя с фазным ротором в этом случае позволяет перенести выделение значительного количества тепла с ротора двигателя на пусковое сопротив-ление. Температура обмотки фазного ротора при этом остается в допустимых пределах.

Двигатели со встроенным электромагнитным тормозом предназначены для привода механизмов, где по условиям технологического процесса требуется быстрая остановка после отключения двигателя. Применение таких двигателей уменьшает длительность цикла, а, следовательно, увеличивает их частоту, т.е. способствует увеличению интенсивности производства. Использование механического торможения вместо электрического выгодно тем, что тепло, выделяемое в процессе торможения, рассеивается не двигателем, а тормозным устройством, поэтому двигатель нагревается значительно меньше и частота циклов может быть повышена.

Двигатели со встроенным электромагнитным тормозом изготавливаются на основе двигателей базового ряда, двигателей с повышенным скольжением, повышенным моментом и двухскоростных двигателей в диапазоне высот оси вращения от 56 до 160 мм включительно. Тормозное устройство располагается внутри корпуса двигателя со стороны, противоположной выступающему концу вала, и осуществляет быстрое торможение двигателя при отключении питания. При подаче напряжения на двигатель происходит его растормаживание. Тормозная система приводится в действие электромагнитом постоянного тока, который питается от сети через выпрямитель. В двигателях сравнительно большой мощности (с высотой оси вращения 160 мм) для ускорения растормаживания применяется форсирование усилия путем введения дополнительного напряжения, пропорционального пусковому току. Двигатель со встроенным электромагнитным тормозом предназначен для работы в режиме S4. Мощность односкоростных двигателей со встроенным электромагнитным тормозом при ПО = 40%, а также мощность двухскоростных двигателей при ПВ = 40/15% при числе включений до 120 в час и кратности момента инерции нагрузки до 1,6 соответствует номинальной мощности базовых двигателей.

Модификация асинхронных двигателей встраиваемого исполнения предназначена для встраивания в механизмы. Эти двигатели поставляются потребителю в виде обмотанного сердечника статора и необработанного по наружному диаметру ротора без вала. Может также поставляться центробежный вентилятор. При поставке двигателей с вентилятором в каталогах указывается размер отверстий для прохода охлаждающего воздуха, при поставке электродвигателя встраиваемого исполнения без вентилятора указывается расход воздуха, необходимый для охлаждения двигателя до допустимой температуры (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость расхода охлаждающего воздуха Q от суммарных потерь SР во встраиваемых двигателях с системой изоляции класса В (кривая 1) и F (кривая 2)
Рис. 3. Зависимость расхода охлаждающего воздуха Q от суммарных потерь SР во встраиваемых двигателях с системой изоляции класса В (кривая 1) и F (кривая 2)

При соблюдении условий охлаждения технические данные встраиваемых двигателей соответствуют техническим данным базовых двигателей. Встраиваемые двигатели выпускаются на базе двигателей основного (базового) исполнения, двигателей с повышенным пусковым моментом, двигателей с повышенным скольжением, многоскоростных двигателей, а также для этих же модификаций электродвигателей, но на частоту сети 60 Гц, т.е. экспортного исполнения. Залитые роторы поставляют в необработанном виде; они должны быть обработаны после посадки на вал исполнительного механизма по размерам, указанным в чертеже на электро-двигатель. Воздушный зазор должен соответствовать данным чертежа с допуском ±25%. Собранный и обработанный ротор с валом должен быть отбалансирован. Если предусмотрена поставка вентилятора, то балансировка проводится с насаженным вентилятором.

Электромашиностроительные заводы выпускают также различные модификации асинхронных двигателей серии 4А и других серий, приспособленные к разным условиям окружающей среды.

Так, имеются модификации для различных климатических районов размещения (ГОСТ 15150-69 и ГОСТ 15543-70).

Для работы в условиях тропического климата изготавливается соответствующая модификация асинхронных двигателей по ГОСТ 15963-79.

Изготавливается также модификация асинхронных двигателей Х2, предназначенных для работы в условиях агрессивных сред (ГОСТ 24682-81).

Имеется также модификация электродвигателей ОМ2, предназначенных для работы в условиях морского климата. Требования к этим двигателям устанавливают Правила Морского Регистра России.

По условиям окружающей среды серии асинхронных двигателей имеют следующие модификации: для умеренного климата модификация У3. Двигатели этой модификации имеют степень защиты IP44 и IP54, а для высот осей вращения 160-250 мм, кроме того, – степень защиты IP23.

Для районов с тропическим климатом заводы изготавливают модификацию асинхронных двигателей Т2. Эти двигатели имеют степени защиты IP44 и IP54.

ГОСТ 8592-79 предусматривает три модификации двигателей в зависимости от требований к точности установочных и присоединительных размеров: нормальной, повышенной и высокой точности. Двигатели повышенной точности изготавливают по общепринятой технологии, а повышенная точность достигается отбором электродвигателей. Двигатели высокой точности изготавливают по специальной технологии, поэтому они дороже двигателей с нормальной точностью.

Асинхронные двигатели единых серий в диапазоне мощностей от 0,06 до 400 кВт изготавливают на разные номинальные напряжения, они имеют разные схемы соединения обмоток, а также число выходных проводов. В таблице 2 приведены эти данные.

Таблица 2

Мощность двигателя, кВт

Номинальное напряжение, В

Схема соединения

Число выводных проводов

От 0,06 до 0,37

220, 380

D; Y 3

3

От 0,55 до 11

220, 380, 660

D; Y 3

3

От 15 до 110

220/380

D/Y

6

От 132 до 400

380/660

D/Y

6

При колебаниях напряжения в пределах ±5% от номинального значения электродвигатели могут быть нагружены до номинальной мощности. При отклоне-нии напряжений, превышающих 5%, необходимо иметь в виду следующие последствия:

– при уменьшении напряжения увеличивается скольжение, уменьшаются пусковой и максимальный моменты, пусковой ток, увеличиваются ток, нагрузки, а, следовательно, и температура обмотки;
– при увеличении напря-жения уменьшается скольжение, увеличиваются пусковой и максимальный моменты пропорционально квадрату напряжения, увеличивается пусковой ток, уменьшается температура обмотки.

(Продолжение следует).

Оскар Гольдберг
академик АЭН РФ, доктор техническихнаук, профессор