Электродвигатели Даландера Их Устройство и Принцип Работы
Введение
В мире быстро развивающихся технологий и инноваций электродвигатели Даландера занимают особое место, представляя уникальную и перспективную технологию в области электромеханических систем. Они являются результатом инженерного гения и стремления к созданию более эффективных, устойчивых и экологически чистых решений для различных областей промышленности и транспорта.
Исторический контекст электродвигателей Даландера
В конце XIX века, когда системы трёхфазного переменного тока всё активнее проникали в промышленность, возникла острая потребность в простых и надёжных способах регулирования скорости асинхронных двигателей без применения громоздких редукторов и сложной аппаратуры управления. Именно в этот период шведский инженер Роберт Даландер, работавший в компании ASEA с 1893 года, задумался над тем, как, не меняя частоту питающей сети, получать два разных режима вращения одного и того же мотора.
Идея Даландера заключалась в том, чтобы разделить статорную обмотку на шесть секций и соединять их то последовательно, то параллельно — при неизменной частоте сети это гарантировало изменение синхронной скорости ровно вдвое. Конфигурация, предложенная им вместе с коллегой Карлом Арвидом Линдстремом, была оформлена патентом от 11 февраля 1897 года.
Получив официальный документ, инженеры ASEA внедрили новое решение в серийное производство, причём переключение между скоростями выполнялось простейшим образом — тремя контакторами в клеммной коробке, исключающими одновременное замыкание двух схем. Уже в первые годы XX века полюсная перевёртка Даландера нашла широкое применение в приводах насосов, вентиляторов и лёгких станков, где требовалось всего два фиксированных режима и ценились компактность, экономичность и минимальное количество электроники.
Принцип работы
В двигателях по схеме Даландера (или полюсного переключения) изменение скорости достигается не электронной стабилизацией, а механическим переподключением секций обмоток статора. При этом статор разделён на шесть катушек, которые могут образовывать либо меньшее число пар полюсов для высокой скорости, либо вдвое большее — для низкой, — причём синхронная скорость определяется формулой $n_s = \frac{120\cdot \,f}{p}$. Смена конфигурации (Δ → YY или Y → YY) выполняется тремя контакторами в клеммной коробке, гарантирующими, что включена лишь одна схема обмоток. Переход между режимами осуществляется без изменения частоты сети и без редукторов — лишь переключением соединений обмоток. Такое решение обеспечивает два фиксированных режима вращения с соотношением 2:1 при минимальном количестве аппаратуры и высокой надёжности.
Схемы подключения
Более подробная схема подключения электродвигателей Даландера зависит от их конкретной конструкции и модели, а также от типа системы управления. Однако, в общем виде, схема подключения может выглядеть следующим образом:
Низкая скорость
На верхнем рисунке показана схема низкоскоростного подключения обмоток двигателя Даландера. Каждая фазная обмотка представлена двумя последовательно включёнными катушечными секциями (например, 1U и 2W формируют одну из фаз), причём их свободные концы (2U, 2V, 2W) собраны вместе в «звезду» и составляют нейтральную точку. К шинам питающей сети L1, L2 и L3 подключаются другие концы этих же секций (1U, 1V, 1W), так что на статор подаются три фазы с удвоенным числом полюсов и, соответственно, уменьшенной вдвое скоростью.
Ниже приведён вид клеммной коробки: на верхней панели — три вывода 1U, 1V, 1W для подключения фазного напряжения, а на нижней — три вывода 2U, 2V, 2W, которые в низкоскоростном режиме соединяются между собой внутри коробки, образуя нейтраль. При переключении на высокую скорость эти вторые выводы раскрываются и переподключаются так, чтобы каждая секция оказалась задействована в другой конфигурации (обычно «двойная звезда» или «дельта-дельта»), что меняет число пар полюсов и удваивает обороты.
Высокая скорость
На верхнем рисунке показана обмотка Даландера в режиме высокой скорости: «вторые» секции 2U, 2V и 2W выведены на питание L1, L2 и L3 и служат основными фазными обмотками, тогда как «первые» секции 1U, 1V и 1W не выходят наружу, а объединяются внутри в замкнутый треугольник. Таким образом шестисекционная конструкция превращается в обычную Δ-схему: по каждой стороне «дельты» проходит сначала одна «первая» секция (1U, 1V или 1W), а к ней параллельно присоединена соответствующая «вторая» секция. Такое соединение уменьшает число полюсов статора вдвое по сравнению со звездо–звездой низкой скорости и удваивает синхронную скорость вращения.
Ниже — клеммная коробка при высокоскоростном режиме: на её нижней панели находятся три вывода 2U, 2V и 2W, предназначенные для подключения к фазам L1–L3, а три верхние клеммы 1U, 1V и 1W внутри коробки объединены перемычками, замыкающими их в треугольник. Такая простая переналадка обмоток позволяет без дополнительных редукторов и сложной электроники получить второй, более высокий режим работы двигателя.
Переходные процессы при переключении
При переключении числа полюсов магнитный поток статора перестраивается, что сопровождается резким скачком пускового тока и кратковременным пульсированием момента. Поскольку изменение схемы соединения происходит на стоящих или медленных оборотах, пиковые токи могут достигать 5–7 кратного номинала, необходимо предусматривать соответствующую защиту. Гармонические искажения в питающей сети при переключении обмоток заставляют выбирать оптимальный момент для смены скорости — обычно после полной остановки ротора.
Преимущества и недостатки двигателей Даландера
Главная сила двигателей Даландера заключается в их уникальном сочетании простоты и функциональности для двухскоростных приводов. Основным преимуществом является использование единой обмотки статора, переключаемой между двумя конфигурациями (обычно «треугольником» для низкой скорости и «двойной звездой» для высокой). Это обеспечивает существенную экономию меди и стали по сравнению с двигателями, имеющими две независимые обмотки, что напрямую ведет к снижению стоимости, уменьшению габаритов и массы. Такая конструкция также повышает механическую надежность из-за меньшего количества соединений и отсутствия щеточного узла, характерного для коллекторных машин.
Двигатели Даландера отличаются высокой энергоэффективностью в каждом из своих фиксированных скоростных режимов. При работе на установленной скорости их КПД сопоставим с обычными асинхронными двигателями. Они обладают завидной живучестью – устойчивы к перегрузкам, скачкам напряжения в сети и работе в сложных промышленных условиях (пыль, вибрация), где чувствительная электроника частотных преобразователей (ЧРП) могла бы выйти из строя. Простота интеграции в системы автоматизации – еще одно важное достоинство: для управления достаточно стандартных контакторов и реле времени, что делает их идеальным решением для базовой автоматики вентиляторов, насосов или конвейеров, где требуется лишь два режима работы (штатный и форсированный).
Однако эти преимущества сопровождаются рядом существенных ограничений. Самый значительный недостаток – ступенчатое (дискретное) регулирование скорости. Двигатель может работать только на двух заранее заданных скоростях, определяемых конструкцией обмотки и частотой сети. Плавное изменение скорости между этими точками или за их пределами невозможно без внешних устройств, что ограничивает гибкость применения. Переключение между скоростями – критически важная и уязвимая операция. Оно требует обязательного отключения питания перед сменой схемы соединения. Попытка переключения под напряжением гарантированно приводит к короткому замыканию и аварии. Даже при правильном отключении, переход с высокой скорости на низкую без паузы (обеспечиваемой реле времени) вызывает огромные токовые броски и механические удары из-за несоответствия скорости вращающегося ротора и нового синхронного поля статора, сокращая ресурс двигателя и коммутационной аппаратуры.
Хотя двигатель конструктивно проще аналога с двумя обмотками, система управления его переключением сложнее, чем у односкоростного двигателя. Она требует минимум двух контакторов с механической или электрической блокировкой, предотвращающей их одновременное включение, и часто дополняется реле времени. Это увеличивает стоимость и сложность монтажа щита управления. Эффективность двигателя также сильно зависит от нагрузки. При работе на скорости, не соответствующей текущей нагрузке (например, низкая скорость при малой нагрузке или высокая при чрезмерной), его КПД и коэффициент мощности могут значительно снижаться. Наконец, диапазон регулирования ограничен отношением скоростей (обычно 1:2, например 1500/3000 об/мин), что может быть недостаточно для некоторых применений.
Двигатели Даландера представляют собой оптимальный компромисс для специфических задач. Их выбор оправдан там, где необходимы две четко фиксированные скорости, приоритетны надежность, низкая стоимость и устойчивость к тяжелым условиям эксплуатации, а плавное регулирование и широкий диапазон скоростей не требуются. В этих нишах (типовые системы вентиляции, градирни, простые конвейеры, некоторые насосы) их преимущества перевешивают недостатки. Однако там, где нужна гибкость, плавность хода или точное поддержание скорости под переменной нагрузкой, современные решения с частотными преобразователями часто оказываются предпочтительнее, несмотря на их более высокую стоимость и меньшую устойчивость к внешним воздействиям.
