Як правильно підібрати електродвигун
Вибір електродвигуна та розрахунок його робочих параметрів
Як правильно підібрати електродвигун для оптимального і безаварійного функціонування системи «двигун – навантаження»? Як підвищити надійність системи в цілому? Які умови повинні бути враховані в першу чергу? Як зменшити пусковий струм, збільшити пусковий момент або забезпечити плавність пуску? Це далеко неповний список питань, які задають покупці, звертаючись в нашу компанію. У даній статті ми постараємося максимально повно відповісти на ці питання. Ми сподіваємося, що стаття буде корисна Вам і допоможе вирішити ряд проблем, що виникають при експлуатації старих, так і виборі нових електродвигунів.
Правильність підбору електродвигуна, що враховує специфіку приводного механізму, умови праці та навколишнього середовища, визначає тривалість безаварійної роботи і надійність системи «двигун – навантаження».
Далі наведено рекомендації з вибору електродвигуна (послідовність, в якій вони представлені, не є обов'язковою).
На першому етапі необхідно визначитися з типом електричного двигуна. Нижче наведено короткий опис, переваги і недоліки, сфери пріоритетного застосування основних типів двигунів.
Типи електричних двигунів
1. Двигуни постійного струму.
Основною перевагою даних двигунів, яке визначало повсюдне їх використання на етапі розвитку електричних приводів, є легкість плавного регулювання швидкості в широких межах. Тому з розвитком напівпровідникової промисловості і появою відносно недорогих перетворювачів частоти відсоток їх використання постійно зменшується. Там, де це можливо двигуни постійного струму замінюються приводами на основі асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором. Основні недоліки двигуна постійного струму (невисока надійність, складність обслуговування й експлуатації) обумовлені наявністю колекторного вузла. Крім того, для живлення двигуна необхідний джерело постійного струму або тиристорний перетворювач змінної напруги в постійне. При всіх своїх недоліках двигуни постійного струму володіють високим пусковим моментом і великою перевантажувальною здатністю. Що визначило їх використання в металургійній промисловості, верстатобудуванні та на електротранспорті.
2. Синхронні двигуни.
Основною перевагою цих двигунів є те, що вони можуть працювати з коефіцієнтом потужності cosφ=1, а в режимі перезбудження навіть віддавати реактивну потужність в мережу, що сприятливо позначається на характеристиках мережі: збільшується її коефіцієнт потужності, зменшуються втрати та падіння напруги. Крім того, синхронні двигуни стійкі до коливань мережі. Максимальний момент синхронного двигуна пропорційний напрузі, при цьому момент асинхронного двигуна пропорційний квадрату напруги. Отже, при зниженні напруги синхронний двигун зберігає більшу перевантажувальну здатність, а можливість форсування збудження збільшує надійність їх роботи при аварійних зниженнях напруги. Більший повітряний зазор порівняно з асинхронним двигуном і застосування постійних магнітів робить ККД синхронних двигунів вище. Їх особливістю також є сталість швидкості обертання при зміні моменту навантаження на валу.
При всіх перевагах синхронного двигуна основними недоліками, що обмежують їх застосування є складність конструкції, наявність збудника, висока ціна, складність пуску.
Тому синхронні двигуни переважно використовуються при потужності понад 100 кВт.
Основне застосування – насоси, компресори, вентилятори, двигун-генераторні установки.
3. Асинхронні двигуни.
За конструктивним принципом асинхронні двигуни поділяються на двигуни з короткозамкненим та фазним ротором. При цьому більшість використовуваних електродвигунів є асинхронні з короткозамкненим ротором. Настільки широке застосування обумовлено простотою їх конструкції, обслуговування і експлуатації, високою надійністю, відносно низькою вартістю. Недоліками таких двигунів є великий пусковий струм, відносно малий пусковий момент, чутливість до змін параметрів мережі, а для плавного регулювання швидкості необхідний перетворювач частоти. Крім того, асинхронні двигуни споживають реактивну потужність з мережі. Межа застосування асинхронних електродвигунів з короткозамкненим ротором визначається потужністю системи електропостачання конкретного підприємства, так як великі пускові струми при малій потужності системи створюють великі пониження напруги.
Використання асинхронних двигунів з фазним ротором допомагає знизити пусковий струм і істотно збільшити пусковий момент, завдяки введенню в ланцюг ротора пускових реостатів. Однак, зважаючи на ускладнення їх конструкції і, як наслідок, збільшення вартості їх застосування обмежене. Основне застосування – приводи механізмів з особливо важкими умовами пуску. Для зменшення пускових струмів асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором може бути використано пристрій плавного пуску або перетворювач частоти.
В системах, де необхідно ступеневу зміна швидкості (наприклад, ліфти) використовують багатошвидкісні асинхронні двигуни. У механізмах, що вимагають зупинки за певний час і фіксації валу при зникненні напруги живлення, застосовуються асинхронні двигуни з електромагнітним гальмом (металообробні верстати, лебідки). Існують також асинхронні двигуни з підвищеним ковзанням, які призначені для роботи в повторно-короткочасних режимах, а також режимах з пульсуючим навантаженням.
Після того, як визначений тип електродвигуна, повністю враховує специфіку робочого механізму та умови роботи, необхідно визначитися з робочими параметрами двигуна: потужністю, номінальним і пусковими моментами, номінальними напругою і струмом, режимом роботи, коефіцієнтом потужності, класом енергоефективності.
Потужність і моменти
В загальному випадку для кваліфікованого підбору електродвигуна повинна бути відома навантажувальна діаграма механізму. Однак, у випадку постійної або слабо змінюється навантаження без регулювання швидкості достатньо розрахувати необхідну потужність за теоретичним або емпіричними формулами, знаючи робочі параметри навантаження. Нижче наведено формули для розрахунку потужності двигуна P2 [кВт] деяких механізмів.
1. Вентилятор.
,
де Q [м3/с] – продуктивність вентилятора, Н [Па] – тиск на виході вентилятора, пвент, ппер – ККД вентилятора і передавального механізму відповідно, кз – коефіцієнт запасу.
2. Насос
,
де Q [м3/с] – продуктивність насоса, g=9,8 м/с2 – прискорення вільного падіння, H [м] – розрахункова висота підйому, ρ [кг/м3] – густина рідини, що перекачується, пнас, ппер – ККД насоса і передавального механізму відповідно, кз – коефіцієнт запасу.
3. Поршневий компресор
,
де Q [м3/с] – продуктивність компресора, А [Дж/м3] – робота ізотермічного та адіабатичного стиснення атмосферного повітря об'ємом 1 м3 тиском 1,1·105 Па до необхідного тиску, пкомпр, ппер – ККД компресора і передавального механізму відповідно, кз – коефіцієнт запасу.
Крім того, необхідно зіставити пусковий момент двигуна (особливо у разі асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором) і робочого механізму, так як деякі механізми мають підвищений опір в момент рушання. Слід мати на увазі й ту обставину, що при заміні трифазного асинхронного двигуна на однофазний пусковий момент останнього майже в три рази менше і механізм, успішно функціонував раніше, не може рушити з місця.
Розвивається електродвигуном момент M [Нм] і корисна потужність на валу Р2 [кВт] пов'язані наступним співвідношенням
Повна потужність, споживана з мережі:
1. для двигунів постійного струму (вона ж активна)
2. для двигунів змінного струму
при цьому споживані активна і реактивна потужності відповідно
У випадку синхронного двигуна значення Q1 може вийти негативним, це означає, що двигун віддає реактивну потужність в мережу.
Важливо відзначити наступне. Не слід вибирати двигун з великим запасом по потужності, так як це призведе до зниження його ККД, а у разі двигуна змінного струму також до зниження коефіцієнта потужності.
Напруга і струм
При виборі напруги електродвигуна необхідно враховувати можливості системи енергопостачання підприємства. При цьому недоцільно при великих потужностях вибирати двигун з низьким напругою, так як це призведе до невиправданого подорожчання не тільки двигуна, але і живлять проводів і комутаційної апаратури внаслідок збільшення витрати міді.
Якщо при рушанні момент опору навантаження невеликий і для зменшення пускових струмів асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором може бути застосований спосіб пуску з перемиканням з «зірки» на «трикутник», необхідно передбачити висновок клемну коробку всіх шести затискачів обмотки статора. У загальному випадку застосування схеми з'єднання «зірка» є кращим, так як у схемі «трикутник» є контур для протікання струмів нульової послідовності, які призводять до нагрівання обмотки і зниження ККД двигуна, у з'єднанні «зірка» такий контур відсутня.
Режим роботи
Навантаження електродвигуна в процесі роботи може змінюватися різним чином. ГОСТом передбачено вісім режимів роботи.
1. Тривалий S1 – режим роботи при постійному навантаженні протягом часу, за який температура двигуна досягає усталеного значення. Потужність двигуна, що працює в цьому режимі, розраховується виходячи з споживаної механізмом потужності. Формули розрахунку потужності деяких механізмів (насос, вентилятор, компресор) наведені вище.
2. Короткочасний S2 – режим, при якому за час включення на постійну навантаження температура двигуна не встигає досягти усталеного значення, а за час відключення двигун охолоджується до температури навколишнього середовища. У випадку використання двигуна S1 для роботи в режимі S2 необхідно перевірити його тільки по перевантажувальної здібності, так як температура не встигає досягти допустимого значення.
3. Повторно-короткочасний з S3 – режим з періодичним відключенням двигуна, при якому за час включення температура не встигає досягти усталеного значення, а за час відключення – температури навколишнього середовища. Розрахунок потужності електродвигуна звичайного виконання для роботи в режимі S3 проводиться за методами еквівалентних величин з урахуванням пауз і втрат в перехідних режимах. Крім того, двигун необхідно перевірити на допустиме число включень на годину. У разі великого числа включень в годину рекомендується використовувати двигуни з підвищеним ковзанням. Дані електродвигуни мають підвищеним опором обмотки ротора, а, отже, меншими пусковими і гальмівними втратами.
4. Повторно-короткочасний з частими пусками S4 і повторно-короткочасний з частими пусками і електричним гальмуванням S5. Дані режими розглядаються аналогічно режиму S3.
5. Перемежовується S6 – режим, при якому робота двигуна під навантаженням, періодично замінюється роботою на холостому ходу. Більшість двигунів, що працюють у тривалому режимі, мають змінний графік навантаження.
При цьому для обґрунтованого вибору двигуна з метою оптимального його використання рекомендується застосовувати методи еквівалентних величин.
Клас енергоефективності
В даний час питань енергоефективності приділяється величезна увага. При цьому під енергоефективністю розуміється раціональне використання енергетичних ресурсів, з допомогою якого досягається зменшення споживання енергії при тому ж рівні потужності навантаження. Основним показником енергоефективності двигуна є його коефіцієнт корисної дії
,
де Р2 – корисна потужність на валу, Р1 – споживана активна потужність з мережі.
Стандартом IEC 60034-30 для асинхронних електродвигунів з короткозамкненим ротором були встановлені три класи енергоефективності: ІЕ1, IE2, IE3.
Рис. 1. Класи енергоефективності
Так, наприклад, використання двигуна потужністю 55 кВт підвищеного класу енергоефективності дозволяє заощадити близько 8000 кВт рік від одного двигуна.
Ступінь захисту IP, види кліматичних умов і категорій розміщення
ГОСТ Р МЕК 60034-5 – 2007 встановлює класифікацію ступенів захисту, що забезпечуються оболонками машин.
Позначення ступеня захисту складається з літер латинського алфавіту IP і наступних двох цифр (наприклад, IP55).
Більшість електродвигунів, що випускаються в даний час, мають ступінь захисту IP54 і IP55.
Категорія розміщення позначається цифрою: 1 – на відкритому повітрі; 2 – під навісом при відсутності прямого сонячного проміння і атмосферних опадів; 3 – в закритих приміщеннях без штучного регулювання кліматичних умов; 4 – в закритих приміщеннях з штучно регульованими кліматичними умовами.
Кліматичні умови: У – помірний клімат; УХЛ – помірно-холодний клімат; ХЛ – холодний клімат; Т – тропічний клімат.
Таким чином, при виборі електродвигуна необхідно враховувати умови навколишнього середовища (температура, вологість), а також необхідність захисту двигуна від впливу сторонніх предметів та води.
Наприклад, використання електродвигуна з типом кліматичного виконання і категорії розміщення У3 на відкритому повітрі є неприпустимим.
Зусилля, що діють на вал двигуна з боку навантаження
Найбільш навантаженими в двигуні є підшипникові вузли. Тому при виборі двигуна повинні бути враховані радіальні і осьові зусилля, що діють на робочий кінець вала двигуна з боку навантаження. Перевищення допустимих значень сил призводить до прискореного виходу з ладу не тільки підшипників, але і всього двигуна (наприклад, зачіпання ротора про статор).
Зазвичай допустимі значення сил для кожного підшипника наведені в каталогах. Рекомендується у разі підвищених радіальних зусиль (ремінна передача) на робочий кінець вала встановити роликовий підшипник, при цьому кращим є двигун з чавунними підшипниковими щитами.
Особливості конструкції двигуна при роботі від перетворювача частоти
В даний час все більшого поширення набуває використання частотно-регульованого приводу (ЧРП), виконаного на основі асинхронного електродвигуна з короткозамкненим ротором.
При використанні частотно-регульованого приводу досягається:
1. економія електроенергії;
2. плавність пуску і зниження пускових струмів;
3. збільшення терміну служби двигуна.
У загальному випадку стандартний електродвигун не можна використовувати у складі частотно-регульованого приводу, так як при зменшенні швидкості обертання знижується ефективність охолодження. При регулюванні швидкості вгору від номінальної різко збільшується навантаження від власної вентилятора. В обох випадках зменшується навантажувальна здатність двигуна. Крім того, у випадку використання двигуна в системах точного регулювання необхідний датчик положення ротора двигуна.
При работе электродвигателя от преобразователя частоты в контуре вал – фундаментная плита могут протекать токи. При этом возникает точечная эрозия на шариках и роликах, на беговых кольцах подшипников качения, а также на баббитовой поверхности подшипников скольжения. От электролиза смазка чернеет, подшипники греются. Для разрыва контура прохождения подшипниковых токов на неприводной конец вала устанавливается изолированный подшипник. При этом по условиям безопасности установка изолированных подшипников с двух сторон двигателя не допустима.
Величина підшипникових струмів стає небезпечною для безаварійної роботи двигуна при напрузі між протилежними кінцями валу більше 0,5 Ст. Тому установка ізольованого підшипника зазвичай потрібно для електродвигунів з висотою осі обертання понад 280 мм.
Примітка
Необходимо отметить, что в случае отклонения условий эксплуатации двигателя (например, температуры окружающей среды или высоты над уровнем моря), мощность нагрузки должна быть изменена. Кроме того, при снижении мощности нагрузки в определенные моменты времени для рационального использования двигателя может быть изменена схема соединения обмотки, а, следовательно, и фазное напряжение.
В случае возникновения вопросов, а также необходимости расчета параметров двигателя для Вашего нагрузочного механизма обращайтесь в наш технический отдел по координатам, приведенным на сайте в разделе «Контакты».
