Капитальный ремонт токарного станка в процессе. Главный двигатель — двухскоростной
В те времена, когда преобразователи частоты для асинхронных двигателей были роскошью (более 20 лет назад), в промышленном оборудовании в случае необходимости применялись двигатели постоянного тока, в которых имелась возможность регулировать частоту оборотов.
Способ этот был громоздкий, и наряду с ним использовался ещё один, попроще — применялись двускоростные (многоскоростные) двигатели, в которых обмотки подключаются и переключаются определённым образом по схеме Даландера, что позволяет изменять скорость вращения.
Двигатели постоянного тока с изменением скорости и управлением от электронного блока используются в дорогостоящем промышленном оборудовании. А вот двухскоростные двигатели встречаются в станках производства СССР 1980-х годов средней ценовой категории. И по подключению лично у меня возникали проблемы, в связи с путаницей и недостатком информации.
Последние примеры — токарный станок спец. исполнения, лесопилка. Подробности будут ниже.
Исполнение обмоток напоминает соединение «треугольником», в связи с этим переключение может быть ассоциировано со «звездой-треугольником». И это сбивает с толку.
Схема «Звезда — Треугольник» используется для лёгкого пуска двигателей (при этом скорость в обоих режимах одинакова!), а двухскоростные двигатели с переключением обмоток — для переключения рабочих скоростей.
Существуют двигатели не только с двумя, но и с бОльшим количеством скоростей. Но я буду говорить о том, что лично подключал и держал в руках:
Поменьше теории, побольше практики. И как обычно, от простого к сложному.
Двухскоростной асинхронный электродвигатель
Обмотки двухскоростного двигателя выглядят таким образом:
Схема двухскоростного двигателя
При подключении выводов U1, V1, W1 такого двигателя к трехфазному напряжению он будет включен в «треугольник» на пониженную скорость.
А если выводы U1, V1, W1 замкнуть между собой, а питание подать на выводы U2, V2, W2, то получатся две «звезды» (YY), и скорость будет в 2 раза выше.
Что будет, если обмотки вершин треугольника U1, V1, W1 и середин сторон U2, V2, W2 поменять местами? Я думаю, ничего не изменится, тут дело только в названиях. Хотя, я не пробовал. Кто знает — напишите в комментариях к статье.
Схемы включения
Кто немного не в курсе, как подключаются к трехфазной сети асинхронные электродвигатели — настоятельно рекомендую ознакомиться с моей статьёй Подключение двигателя через магнитный контактор. Я предполагаю, что читатель знает, как включается электродвигатель, зачем и какая нужна защита двигателя, поэтому в этой статье я эти вопросы опускаю.
(adsbygoogle = window.adsbygoogle || ).push({});
В теории всё просто, а на практике приходится поломать голову.
Очевидно, что включение обмоток можно реализовать двумя путями — через переключатель и через контакторы.
Переключение скоростей с помощью переключателя
Рассмотрим сначала схему попроще — через переключатель типа ПКП-25-2. Тем более, что только такие принципиальные схемы мне и встречались.
Переключатель должен иметь три положения, одно из которых (среднее) соответствует выключенному двигателю. Про устройство переключателя — чуть позже.
Подключение двухскоростного двигателя. Схема на переключателе ПКП.
Крестиками на пунктирах положения переключателя SA1 отмечены замкнутые состояния контактов. То есть, в положении 1 питание от L1, L2, L3 подается на треугольник (выводы U1, V1, W1). Выводы U2, V2, W2 остаются не подключенными. Двигатель вращается на первой, пониженной скорости.
При переключении SA1 в положение 2 выводы U1, V1, W1 замыкаются друг с другом, а питание подается на U2, V2, W2.
Переключение скоростей с помощью контакторов
При запуске с помощью контакторов схема будет выглядеть аналогично:
Схема включения двигателя на разных скоростях на контакторах
Здесь на первую скорость двигатель включает контактор КМ1, на вторую — КМ2. Очевидно, что физически КМ2 должен состоять из двух контакторов, поскольку необходимо замыкание сразу пяти силовых контактов.
Практическая реализация
На практике мне попадались только схемы на переключателях ПКП-25-2. Это универсальное чудо советской коммутации, у которого может быть миллион возможных сочетаний контактов. Внутри есть кулачок (их тоже несколько вариантов по форме), который можно переставлять.
Это реальная головоломка и ребус, требующий высокой концентрации сознания. Хорошо, что каждый контакт просматривается в небольшую щёлку, и можно посмотреть, когда он замкнут или разомкнут. Кроме того, через эти прорези в корпусе можно чистить контакты.
Количество положений может быть несколько, их количество ограничивается упорами, показанными на фото:
Переключатель пакетный ПКП-25-2
Переключатель ПКП 25. Головоломка на любителя.
Переключатель пакетный ПКП-25-2 — контакты
Практическое применение
Как я уже говорил, такие двигатели мне встречались в советских станках, которые я восстанавливал.
А именно — циркулярный деревообрабатывающий станок ЦА-2А-1, там используется двухскоростной асинхронный двигатель 4АМ100L8/4У3. Его основные параметры — первая скорость (треугольник) 700 об/мин, ток 5,0А, мощность 1,4 кВт, звёзды — 1410 об/мин, ток 5,0 А, мощность 2,4 кВт.
Меня просили сделать несколько скоростей, для разной древесины и для разной остроты циркулярной пилы. Но увы — без преобразователя частоты здесь не обойтись.
Другой старичок — токарный станок спец.исполнения УТ16П, там стоит двигатель 720/1440 об/мин, 8,9/11 А, 3,2/5,3 кВт:
Шильдик двухскоростного электродвигателя 11 кВт токарного станка
Переключение также переключателем, а схема станка выглядит так:
схема электрическая токарного станка
В этой схеме есть ошибка, как раз по теме статьи. Во первых, переключение скоростей осуществляется не реле Р2, а выключателем В2. А второе (и главное) — схема переключения абсолютно не соответствует реальности. И она меня сбила с толку, я пытался подключить по ней. Пока не сотворил вот такую схему:
Реальная схема включения двухскоростного двигателя токарного станка УТ16П
Дополнительно — внешний вид и расположение элементов электросхемы.
схема токарного станка — внешний вид
схема электрическая токарного станка — расположение элементов
На этом всё.
Друзья! Кому попадаются такие станки и двигателя, пишите, делитесь опытом, задавайте вопросы, буду рад!
Вытекает, что регулирование скорости вращения асинхронных электродвигателей можно осуществить:
изменением частоты питающего тока;
изменением числа «ар полюсов обмотки статора;
введением дополнительных сопротивлений в цепь обмотки ротора.
Первые два способа используются для регулирования скорости вращения электродвигателей с короткозамкнутым ротором, а последний - электродвигателей с фазным ротором (с контактными кольцами).
Регулирование скорости вращения изменением частоты питающего тока используется очень редко, так как этот способ применим лишь в случае, когда электродвигатель питается от отдельного генератора. В этом случае для регулирования скорости необходимо менять скорость вращения питающего генератора в такой же пропорции, е какой должна меняться скорость регулируемого электродвигателя. Бели же электродвигатель питается от сети трехфазного тока, то осуществить регулирование его скорости изменением частоты невозможно. На практике регулирование скорости изменением частоты применяется лишь в. гребных электрических установках переменного тока, в которых мощные гребные электродвигатели получают питание от отдельных генераторов и поэтому частоту питающего тока можно регулировать произвольно.
Наиболее часто на практике применяется второй способ, позволяющий достаточно просто осуществлять ступенчатое регулирование скорости вращения асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором. Если имеется возможность изменять число пар полюсов обмотки статора [см. формулу (80) ] то, следовательно, имеется возможность ступенчатого регулирования скорости вращения электродвигателя, так как число пар полюсов может быть равно 1, 2, 3 и т. д. Электродвигатели, допускающие переключение числа пар полюсов, должны иметь в пазах статора либо несколько независимых обмоток, либо одну обмотку со специальным переключающим устройством. Отечественная промышленность выпускает двух-, трех- и четырех- скороетные электродвигатели, используемые:в основном на морском транспорте и на некоторых кранах. Когда числа полюсов значительно отличаются друг от друга, двух скор осиные электродвигатели изготовляются с двумя независимыми обмотками. Одна, например, может быть выполнена на 2р = 2, а вторая на 2р = 8 полюсов. Тогда при подключении к сети первой обмотки магнитное поле статора будет вращаться со скоростью n
1 = 60·50 / 1 = 3000 об /мин , а при подключении к сети второй обмотки - со скоростью n 1 = 60·50 / 4 = 750 об /мин . Соответствующим образом будет изменяться при этом и скорость вращения ротора n 2 = n 1 (1-s ).Часто в пазы статора двухскоростного электродвигателя закладывают одну обмотку, но выполняют ее так, чтобы можно было включать ее при необходимости треугольником (рис. 49, а ) и двойной звездой (рис. 49, б ). При включении такой обмотки треугольником число полюсов равно 2р = 2а , а при включении двойной звездой 2р = а (где а - любое целое число), т. е. при переходе от треугольника к двойной звезде число пар полюсов статорной обмотки уменьшается вдвое, а скорость электродвигателя возрастает вдвое.
Регулирование переключением числа пар полюсов применяется только для электродвигателя с короткозамкнутым ротором, потому что у электродвигателей с фазным ротором одно
временно с переключением обмотки статора требуется переключать и обмотку ротора, что усложняет конструкцию электродвигателя и переключающего устройства. Данный способ регулирования скорости отличается высокой экономичностью, но он не лишен и недостатков. В частности, регулирование скорости происходит не плавно, а скачками, требуется довольно сложное переключающее устройство, в особенности при числе скоростей большем двух; при переходе с одной скорости на другую разрывается цепь статора, при этом неизбежны толчки тока и момента, коэффициент мощности при низших скоростях ниже, чем при высших из-за увеличения рассеяния магнитного потока.
Регулирование скорости введением дополнительных сопротивлений в цепь ротора возможно только у электродвигателей с фазным ротором. Согласно уравнению (97) , при введении различных активных сопротивлений в цепь ротора жесткость характеристик изменяется (рис. 50), т. е. при одной и той же нагрузке скорость электродвигателя будет различной. Очевидно, чем выше величина дополнительного сопротивления, тем мягче искусственная характеристика и тем ниже скорость электродвигателя.
Допустим электродвигатель работает с установившейся скоростью n
1 на естественной характеристике а в точке 1 , развития некоторый вращающий момент М 1 = М c . При введении в цепь ротора некоторого сопротивления R 1 электродвигатель перейдет на работу по характеристике b , уравнение которой
Так как в момент включения сопротивления скорость электродвигателя практически не изменится, переход с характеристики а на характеристику b произойдет по горизонтали 1 -2 , причем вращающий момент электродвигателя снизится до М
2 , который меньше момента сопротивления механизма М , поэтому скорость электродвигателя будет падать, а скольжение возрастать. При возрастании скольжения момент, согласно выражению (92) , увеличивается до тех пор, пока момент электродвигателя вновь не станет равным моменту сопротивления механизма, после чего наступит равновесие моментов и двигатель будет вращаться с новой установившейся скоростью n 3 (точка 3 ).При необходимости дополнительно может быть включено сопротивление R
2 . Тогда скорость электродвигателя снизится до величины n 5 . При отключении сопротивлений скорость электродвигателя будет возрастать, при этом переход с одной характеристики на другую происходит в обратном порядке, как показано на рис. 50.Последний способ позволяет получить широкий диапазон скоростей, но является крайне неэкономичным, так как при увеличении активного сопротивления цепи ротора растут потери энергии в электродвигателе, а значит уменьшается его к. п. д. Сами регулировочные реостаты, особенно для мощных электродвигателей, получаются громоздкими и выделяют много тепла.
Необходимо также иметь в виду, что большинство электродвигателей в настоящее время выполняется с самовентиляцией.
Вследствие этого при понижении скорости вращения охлаждение ухудшается и электродвигатель не может развивать номинальный вращающий момент.
С вопросом регулировки оборотов приходится сталкиваться при работе с электроинструментом, приводом швейных машин и прочих приборов в быту и на производстве Регулировать обороты, просто понижая питающее напряжение, не имеет смысла - электродвигатель резко уменьшает обороты, теряет мощность и останавливается Оптимальным вариантом регулировки оборотов является регулирование напряжения с обратной связью по току нагрузки двигателя
В большинстве случаев в электроинструменте и других приборах применены универсальные коллекторные электродвигатели с последовательным возбуждением. Они хорошо работают как на переменном, так и на постоянном токе. Особенностью работы коллекторного электродвигателя является то, что при коммутации обмоток якоря на ламелях коллектора во время размыкания возникают импульсы противо-ЭДС самоиндукции Они равны питающим по амплитуде, но противоположны им по фазе. Угол смещения противо-ЭДС определяется внешними характеристиками электродвигателя, его нагрузкой и другими факторами. Вредное влияние противо-ЭДС выражается в искрении на коллекторе, потере мощности двигателя, дополнительном нагреве обмоток. Некоторая часть противо-ЭДС гасится конденсаторами, шунтирующими щеточный узел.
Рассмотрим процессы, протекающие в режиме регулирования с ОС, на примере универсальной схемы (рис 1). Резистивно-емкостная цепь R2-R3-C2 обеспечивает формирование опорного напряжения, определяющего скорость вращения электродвигателя.
При увеличении нагрузки скорость вращения электродвигателя падает, снижается и его крутящий момент. Противо-ЭДС, возникающая на электродвигателе и приложенная между катодом тиристора VS1 и его управляющим электродом, уменьшается. Вследствие этого напряжение на управляющем электроде тиристора возрастает пропорционально уменьшению противо-ЭДС. Дополнительное напряжение на управляющем электроде тиристора заставляет его включаться при меньшем фазовом угле (угле отсечки) и пропускать на электродвигатель больший ток, компенсируя тем самым снижение скорости вращения под нагрузкой. Существует как бы баланс импульсного напряжения на управляющем электроде тиристора, составленного из напряжения питания и напряжения самоиндукции двигателя. Переключатель SA1 позволяет при необходимости перейти на питание полным напряжением, без регулировки Особое внимание следует уделить подбору тиристора по минимальному току включения, что обеспечит лучшую стабилизацию скорости вращения электродвигателя
Вторая схема (рис 2) рассчитана на более мощные электродвигатели, применяемые в деревообрабатывающих станках, шлифмашинах, дрелях. В ней принцип регулировки остается прежним. Тиристор в данной схеме следует установить на радиатор площадью не менее 25 см2.
Для маломощных электродвигателей и при необходимости получить очень малые скорости вращения, можно с успехом применить схему на ИМС (рис 3). Она рассчитана на питание 12 В постоянного тока. В случае более высокого напряжения следует запитать микросхему через параметрический стабилизатор с напряжением стабилизации не выше 15В.
Регулировка скорости осуществляется путем изменения среднего значения напряжения импульсов, подаваемых на электродвигатель. Такие импульсы эффективно регулируют очень малые скорости вращения, как бы непрерывно "подталкивая" ротор электродвигателя. При высоких скоростях вращения электродвигатель работает обычным образом.
Весьма несложная схема (рис 4) позволит избежать аварийных ситуаций на линии железной дороги (игрушечной) и откроет новые возможности управления составами. Лампа накаливания во внешней цепи предохраняет и сигнализирует о коротком замыкании на линии, ограничивая при этом выходной ток.
Когда требуется регулировать обороты электродвигателей с большим крутящим моментом на валу, например в электролебедке, может пригодиться двухполупериодная мостовая схема (рис 5), обеспечивающая полную мощность на электродвигателе, что существенно отличает ее от предыдущих, где работала только одна полуволна питающего напряжения.
Диоды VD2 и VD6 и гасящий резистор R2 используются для питания схемы запуска. Задержка открывания тиристоров по фазе обеспечивается зарядом конденсатора С1 через резисторы R3 и R4 от источника напряжения, уровень которого определяется стабилитроном VD8 Когда конденсатор С1 зарядится до порога срабатывания однопереход-ного транзистора VT1, он открывается и запускает тот тиристор, на аноде которого присутствует положительное напряжение. Когда конденсатор разряжается, однопереходный транзистор выключается. Номинал резистора R5 зависит от типа электродвигателя и желаемой глубины обратной связи. Его величина подсчитывается по формуле
где Iм - эффективное значение максимального тока нагрузки для данного электродвигателя Предлагаемые схемы хорошо повторяемы, но требуют подбора некоторых элементов в зависимости от характеристик применяемого двигателя (практически невозможно найти подобные по всем параметрам электродвигатели даже в пределах одной серии).
Литература
1. Electronics Todays. Int N6
2. RCA Corp Manual
3. IOI Electronic Projects. 1977 p 93
5. G. E. Semiconductor Data Hand book 3. Ed
6 .Граф P. Электронные схемы. -М Мир, 1989
7. Семенов И. П. Регулятор мощности с обратной связью. - Радиолюбитель, 1997, N12, С 21.
Капитальный ремонт токарного станка в процессе. Главный двигатель – двухскоростной
В те времена, когда преобразователи частоты для асинхронных двигателей были роскошью (более 20 лет назад), в промышленном оборудовании в случае необходимости применялись двигатели постоянного тока, в которых имелась возможность регулировать частоту оборотов.
Способ этот был громоздкий, и наряду с ним использовался ещё один, попроще – применялись двускоростные (многоскоростные) двигатели, в которых обмотки подключаются и переключаются определённым образом по схеме Даландера, что позволяет изменять скорость вращения.
Двигатели постоянного тока с изменением скорости и управлением от электронного блока используются в дорогостоящем промышленном оборудовании.
А вот двухскоростные двигатели встречаются в станках производства СССР 1980-х годов средней ценовой категории. И по подключению лично у меня возникали проблемы, в связи с путаницей и недостатком информации.
Последние примеры – токарный станок спец. исполнения, лесопилка. Подробности будут ниже.
Исполнение обмоток напоминает соединение “треугольником”, в связи с этим переключение может быть ассоциировано со “звездой-треугольником”. И это сбивает с толку.
Схема “Звезда – Треугольник” используется для лёгкого пуска двигателей (при этом скорость в обоих режимах одинакова!), а двухскоростные двигатели с переключением обмоток – для переключения рабочих скоростей.
Существуют двигатели не только с двумя, но и с бОльшим количеством скоростей. Но я буду говорить о том, что лично подключал и держал в руках:
Двухскоростной асинхронный электродвигатель Даландера
Поменьше теории, побольше практики. И как обычно, от простого к сложному.
Обмотки двухскоростного двигателя выглядят таким образом:
Схема двухскоростного двигателя Даландера
При подключении выводов U1, V1, W1 такого двигателя к трехфазному напряжению он будет включен в “треугольник” на пониженную скорость.
А если выводы U1, V1, W1 замкнуть между собой, а питание подать на выводы U2, V2, W2, то получатся две “звезды” (YY), и скорость будет в 2 раза выше.
Что будет, если обмотки вершин треугольника U1, V1, W1 и середин сторон U2, V2, W2 поменять местами? Я думаю, ничего не изменится, тут дело только в названиях. Хотя, я не пробовал. Кто знает – напишите в комментариях к статье.
Схемы подключения
Кто немного не в курсе, как подключаются к трехфазной сети асинхронные электродвигатели – настоятельно рекомендую ознакомиться с моей статьёй . Я предполагаю, что читатель знает, как включается электродвигатель, зачем и какая нужна защита двигателя, поэтому в этой статье я эти вопросы опускаю.
В теории всё просто, а на практике приходится поломать голову.
Очевидно, что включение обмоток двигателя Даландера можно реализовать двумя путями – через переключатель и через контакторы.
Переключение скоростей с помощью переключателя
Рассмотрим сначала схему попроще – через переключатель типа ПКП-25-2. Тем более, что только такие принципиальные схемы мне и встречались.
Переключатель должен иметь три положения, одно из которых (среднее) соответствует выключенному двигателю. Про устройство переключателя – чуть позже.
Подключение двухскоростного двигателя. Схема на переключателе ПКП.
Крестиками на пунктирах положения переключателя SA1 отмечены замкнутые состояния контактов. То есть, в положении 1 питание от L1, L2, L3 подается на треугольник (выводы U1, V1, W1). Выводы U2, V2, W2 остаются не подключенными. Двигатель вращается на первой, пониженной скорости.
А что там свежего в группе ВК СамЭлектрик.ру ?
Подписывайся, и читай статью дальше:
При переключении SA1 в положение 2 выводы U1, V1, W1 замыкаются друг с другом, а питание подается на U2, V2, W2.
Переключение скоростей с помощью контакторов
При запуске с помощью контакторов схема будет выглядеть аналогично:
Схема включения двигателя на разных скоростях на контакторах
Здесь на первую скорость двигатель включает контактор КМ1, на вторую – КМ2. Очевидно, что физически КМ2 должен состоять из двух контакторов, поскольку необходимо замыкание сразу пяти силовых контактов.
Практическая реализация схемы подключения двухскоростного электродвигателя
На практике мне попадались только схемы на переключателях ПКП-25-2. Это универсальное чудо советской коммутации, у которого может быть миллион возможных сочетаний контактов. Внутри есть кулачок (их тоже несколько вариантов по форме), который можно переставлять.
Это реальная головоломка и ребус, требующий высокой концентрации сознания. Хорошо, что каждый контакт просматривается в небольшую щёлку, и можно посмотреть, когда он замкнут или разомкнут. Кроме того, через эти прорези в корпусе можно чистить контакты.
Количество положений может быть несколько, их количество ограничивается упорами, показанными на фото:
Переключатель ПКП 25. Головоломка на любителя.
Переключатель пакетный ПКП-25-2 – контакты
Практическое применение
Как я уже говорил, такие двигатели мне встречались в советских станках, которые я восстанавливал.
А именно – циркулярный деревообрабатывающий станок ЦА-2А-1, там используется двухскоростной асинхронный двигатель 4АМ100L8/4У3. Его основные параметры – первая скорость (треугольник) 700 об/мин, ток 5,0А, мощность 1,4 кВт, звёзды – 1410 об/мин, ток 5,0 А, мощность 2,4 кВт.
Меня просили сделать несколько скоростей, для разной древесины и для разной остроты циркулярной пилы. Но увы – без преобразователя частоты здесь не обойтись.
Другой старичок – токарный станок спец.исполнения УТ16П, там стоит двигатель 720/1440 об/мин, 8,9/11 А, 3,2/5,3 кВт:
Шильдик двухскоростного электродвигателя 11 кВт токарного станка
Переключение также переключателем, а схема станка выглядит так:
В этой схеме есть ошибка, как раз по теме статьи. Во первых, переключение скоростей осуществляется не реле Р2, а выключателем В2. А второе (и главное) – схема переключения абсолютно не соответствует реальности. И она меня сбила с толку, я пытался подключить по ней. Пока не сотворил вот такую схему:
Дополнительно – внешний вид и расположение элементов электросхемы.
схема токарного станка – внешний вид
схема электрическая токарного станка – расположение элементов
На этом всё.
Друзья! Кому попадаются такие станки и двигателя, пишите, делитесь опытом, задавайте вопросы, буду рад!
Обновление Март 2017
Выкладываю фото и схемы практического включения двухскоростного электродвигателя.
Двигатель работает на гидростанции. На пониженной скорости он дает малое давление, позволяющее управлять механизмами с гидравлическим приводом более точно. На повышенной скорости – давление возрастает примерно в 2 раза, и скорость перемещения соответственно.
Борно двухскоростного двигателя – на клеммы приходят 6 проводов
Контакторы двухскоростного двигателя. Левый включает в треугольник (низкая скорость), правые – двойная звезда
Мотор-автоматы. Видно, что ток треугольника – до 8А, ток звезд – до 13А
Видео работы двигателя по схеме Даландера
К сожалению, видео на русском по этой теме нет.
Схема управления для стенда, показанного выше:
Ещё схема, переключение скоростей – через Стоп:
Заточной станок на двигателе Даландера
Недавно попался станок с двухскоростным двигателем, выкладываю его схему.
Схема заточного станка на двухскоростном двигателе Даландера
Меня часто спрашивают, какую защиту сделать этому двигателю? Вот, на схеме – простое тепловое реле (РТ1), настроенное на бОльший ток (около 11 А).
Вот шильдик двигателя:
Параметры двухскоростного двигателя заточного станка
А вот – его обозначения выводов:
Как думаете, почему вместо схемы подключения показан прямоугольничек ПС (переключатель скоростей)? Правильно, схема тогда была бы в 2 раза больше и сложнее.
В различных отраслях промышленности имеется очень много различных производственных механизмов, которые выполняют ограниченное количество операций, не требующих плавного регулирования скорости вращения и способных удовлетвориться лишь ограниченным числом скоростей. К числу подобных машин относят деревообрабатывающие и металлорежущие станки, лебедки нефтяных скважин, центробежные сепараторы и другие механизмы. Ограниченное количество скоростей вращение вполне может быть обеспечено многоскоростными короткозамкнутыми асинхронными электродвигателями. При этом возможны две конструкции электродвигателей: с несколькими обмотками на статоре, уложенными в одни и те же пазы, или с одной обмоткой, допускающей переключение ее для получения различного числа пар полюсов.
Взаимодействие МДС ротора и статора возможно только при условии равного количества пар полюсов обмоток статора и ротора. Поэтому изменяя количество пар полюсов статорной обмотки необходимо не забывать изменять количество пар полюсов и на обмотке ротора. Если рассматривать асинхронную машину с фазным ротором, то для выполнения этого условия необходимо наличие дополнительных контактных колец, что сильно увеличивает габариты и стоимость электрической машины. Короткозамкнутый ротор с беличьей клеткой обладает очень ценным свойством автоматического образования числа пар полюсов, равному числу пар полюсов МДС обмотки статора. Именно это свойство и обусловило использование именно короткозамкнутых роторов в многоскоростных асинхронных электродвигателях.
Многоскоростные двигатели с несколькими независимыми обмотками на статоре по экономическим и техническим показателям уступают однообмоточным. В многообмоточных машинах плохо используется обмотка статора, нецелесообразно заполнение паза статора, значения КПД и cos φ ниже оптимальных. Поэтому в последние временя большее распространение получили многоскоростные однообмоточные электрические машины с переключением на различное число пар полюсов. Суть данного способа заключается в том, что путем переключения направления тока в части обмотки изменяют распределение магнитодвижущей силы внутри расточки статора, результатом чего становится изменение скорости вращения магнитодвижущей силы, а следовательно, и магнитного потока в пространстве. Наиболее часто осуществляют переключения в соотношении 1:2. В этом случае обмотки каждой фазы выполняются в виде двух секций. Изменение направления тока в одной из них позволяет получить изменение числа пар полюсов в 2 раза. Рассмотрим это применительно к двигателю, переключаемому на 8 и 4 полюса.
На рисунке ниже для простоты изображена обмотка одной фазы, состоящей из двух секций:
При последовательном соединении секций, то есть при соединении конца первой секции 1К с началом второй 2Н, получаем 8 полюсов или 4 пары. Если поменять направление тока во второй секции на обратное, то число полюсов, образуемое обмоткой, уменьшится в 2 раза. Изменение направления тока во второй секции может быть осуществлено путем разрыва перемычки между 1К – 2К. Количество образовавшихся при этом полюсов указано на рисунке б).
Такое же изменение числа полюсов можно получить, осуществив изменение направления тока во второй секции путем параллельного включения с первой (рисунок в)). В этом случае, точно также как и в предыдущем, обмотка образует 4 полюса, что соответствует вдвое большей скорости вращения электрической машины.
При сопоставлении схем обмоток многоскоростных электродвигателей предпочтение должно отдаваться схемам, обеспечивающим нужный характер зависимости допустимого по нагреву момента от скорости и имеющим наименьшее количество выводов и контактов.
Установим критерий, дающий возможность отнести соединение обмоток к той или иной группе. Момент, развиваемый асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором равен:
- р – число пар полюсов обмотки статора;
- N 2 – полное число стержней обмотки ротора (беличьей клетки);
- I 2 – ток стержня ротора;
- Ψ 2 – угол сдвига вектора тока относительно вектора ЭДС ротора;
- Ф – магнитный поток одной пары полюсов;
По условиям нагрева ротора (в случае пренебрежения ) ток I 2 при работе с различным числом пар полюсов должен оставаться одинаковым; cos ψ 2 в пределах от холостого хода до номинального момента остается близким к единице. При таких условиях момент электрической машины будет выражен равенством:
С другой стороны, электромагнитный момент в джоулях будет равен:
Приравняв друг к другу уравнения (2) и (3) и решая относительно Р, получим Р = 314с 1 Ф.
В полученное выражение подставим значение магнитного потока из выражения ЭДС обмотки статора и ротора:
Таким образом, электромагнитная мощность электрической машины при любом числе пар полюсов обмотки статора определяется отношением фазного напряжения статора к числу витков, последовательно соединенных в фазной обмотке. Пользуясь этим признаком, проанализируем рассмотренные выше способы переключения числа пар полюсов. Для большей наглядности воспользуемся упрощенными трехфазными изображениями для случаев переключения с большего числа пар полюсов на меньшее, в нашем случае с 8 на 4. На рисунке ниже приведена схема с сохранением для обеих скоростей последовательного соединения обмоток:
Видно, что левая схема (рисунок а)), в которой обе секции обтекаются токами одного направления, соответствует большему числу пар полюсов. В правой же схеме (рисунок б)) встречное направление токов указывает на меньшее число пар полюсов. В обоих случаях число последовательно соединенных витков в обмотке одной фазы остается одно и то же, и к ним прилагается одинаковое фазное напряжение. Отношение мощностей при обоих соединениях равно единице, что означает работу с постоянной мощностью Р = const.
На рисунке ниже приведены механические характеристики двухскоростного электродвигателя, работающего при Р = const:
В данном случае для сохранения постоянства мощности при переходе на вдвое большую скорость момент должен измениться обратно пропорционально скорости.
Схема переключения полюсов с помощью перехода с последовательного соединения секций на низшей скорости на параллельное для большей, приведено на рисунке ниже:
Нетрудно заметить, что параллельное соединение секций обмотки обеспечивает изменение направления тока в одной из секций. Последнее соответствует переходу на меньшее число пар полюсов. При этом обмотка образует две параллельные звезды, включенные на линейное напряжение. Используя приведенный выше критерий (4) видим, что при переходе на высшую скорость мощность возрастает в два раза, а именно:
Это соответствует работе при М = const. Механические характеристики двухскоростного электродвигателя при М = const показана на рисунке ниже:
Сравнивая схемы в отношении необходимого числа выводов и контактов на аппарат управления (контроллер, переключатель и тому подобное) видим, что при соединении по схеме требует девяти выводов и двенадцати контактов. Схема позволяет уменьшить количество выводов до 6, а количество контактов до 8.
В рассмотренных схемах на обеих скоростях сопряжения обмоток были выполнены либо последовательной, либо параллельной . При необходимости изменить напряжение, приходящееся на обмотку одной фазы, пользуются сопряжением обмоток , двойным треугольником, а в отдельных случаях смешанным звезда – треугольник. В последнем случае три секции обмотки образуют треугольник, а три оставшиеся секции присоединяются к вершинам треугольника, образуя, таким образом, лучи звезды. Примером подобных соединений может служить схема, получившая широкое распространение в приводе металлорежущих станков и осуществляющая переход с последовательного соединения треугольником на две параллельные звезды.
При работе на низшей скорости две секции обмотки каждой фазы, соединенные последовательно, образуют стороны треугольника, к вершинам которого подводится питание. В этом случае обе секции обмотки фазы обтекаются одним током, что соответствует большему числу пар полюсов. Для получения большей скорости вершины треугольника, образованного обмотками фаз, замыкаются накоротко, а питающие провода переносятся в средние точки соединения секций обмотки каждой фазы, образуя, таким образом, две параллельные звезды. Ниже показаны схемы включения обмоток на двух скоростях:
В этой схеме при работе на низкой скорости линейное напряжение приложено к двум последовательно соединенным секциям с общим числом витков 2 w c .
При соединении двойной звездой фазное напряжение приложено к одной секции. Из соотношения (4) получим соотношение мощностей:
Таким образом, схеме переключения числа пар полюсов последовательный треугольник – двойная звезда при работе на большой скорости мощность на 15,5% больше, чем на низкой. Обычно пренебрегают этим увеличением мощности и схему относят к P = const. Электродвигатели с переключением полюсов на 3 и 4 скорости изготавливаются с двумя обмотками на статоре. Каждая из обмоток может быть выполнена с переключением полюсов по схеме треугольник – двойная звезда.
В данном случае каждая из переключаемых обмоток представляет разомкнутый треугольник. Это делается для устранения нагрева неработающей обмотки током, созданным ЭДС, индуктированной магнитным потоком. За этот счет число выводов трехскоростного двигателя равно 10 и контактов 12, для четырехскоростного 14 и 18 соответственно.
Стоит отметить, что трудоемкость изготовления обмоток многоскоростных однообмоточных электрических машин значительно ниже, чем двухобмоточных. Итак, приняв трудоемкость изготовления обмотки односкоростного электродвигателя за 100%, трудоемкость изготовления двухобмоточного четырехскоростного двигателя составит 180%, в то время как однообмоточном четырехскоростном она составляет всего 120%.