Асинхронный электродвигатель
Асинхронный электродвигатель наиболее распространённый преобразователь электричества в механическую энергию, которую можно использовать практически во всех производственных процессах. В асинхронном электродвигателе используются также само, как и в двигателях на постоянный ток, электромагниты на каждой фазе. Выполнено это достаточно просто, за счёт прокладки в специальных пазах шихтованного железа токопроводящих проводников. Причём заложенный в одном пазу проводник будет заходить в следующий паз по кругу через пять пазов, а далее токопроводник будет возвращаться на два паза назад.
Таким образом, одним токопроводником выполнено на одной фазе круговые электромагниты, заложенные в специальные пазы. Такие электромагниты изготавливаются на каждой фазе и закладываются в железо статора, по прямым пазам зачастую изолированных от железа, при помощи электрокартона и пропитанного шерлаком или бакелитовым лаком.
Ротор асинхронного электродвигателя выполнен по принципу беличьего колеса, которое состоит из пазов в шихтованном металле, в которых расположены токопроводники закороченные с одной стороны и выведенные на коллектор — для асинхронного двигателя с фазным ротором.
Но наиболее часто применяется асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, в этом двигателе ротор состоит также само из изолированных от железа токопроводных пазов, но которые закорочены с двух сторон ротора. При запуске асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором остаточное намагничивание железа ротора позволяет создать в короткозамкнутых токопроводящих проводниках электрический ток. Который, взаимодействуя и усиливаясь с магнитным полем, созданным трёхфазными электромагнитами в обмотке статора приводят к разгону электродвигателя на номинальные обороты. Для более щадящего режима запуска и работы асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором»беличье колесо»токопроводящей обмотки ротора немного сдвигается от прямолинейных линий.
Асинхронный двигатель с фазным ротором зачастую использовался в электродвигателях, которые устанавливались на оборудовании где затяжной пуск или необходимо регулировать обороты и момент на валу. Для того чтобы регулировать обороты и момент на валу в цепь фазного ротора через коллектор и щётки подсоединялись активные сопротивления. Что позволяло регулировать обороты и мощность при помощи их подключения или отключения в нужный режим. Также данные сопротивления в цепи ротора использовались для динамического торможения, которые широко востребованы в мощных крановых установках. В настоящее время данный вид двигателей используется крайне редко, так как они достаточно громоздкие и при этом требуют специализированного обслуживания за счёт наличия в них перехода коллектор — щётки.
Асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором используются повсеместно. Наряду с основным преимуществом, связанным с дешевизной и надёжностью в данных двигателях до недавнего времени был основной недостаток — это отсутствие регулировки мощности и оборотов. То есть данные двигатели работали на номинальных оборотах постоянно и способны были выдавать на вал номинальную мощность. Если на валу двигателя практически нет механической нагрузки, он работает в режиме холостого хода и потребляет электроэнергии не на много меньше, чем при работе на номинальной нагрузке.
Следует также отметить, что при большой нагрузке на валу, которая значительно выше номинальной мощности выдаваемой двигателем, значение скольжения возрастает, что может привести к тому и приводило, что двигатель выходит с режима синхронизации. Так что при выборе любого электрооборудования независимо от того электродвигатель это или коммутационное, осветительное или защитное, необходимо всегда закладывать в его мощность небольшой запас по мощности.
В настоящее время асинхронные электродвигатели получили возможность использоваться в качестве регулируемых по оборотам и мощности на валу источников механической энергии. Осуществляется это за счёт применения частотных преобразователей, выполненных с применением современных силовых транзисторов. Для того чтобы регулировать обороты и самое главное мощность с изменением потребляемой мощности от сети, частотные преобразователи имеют возможность изменять номинальное напряжение и частоту сети в достаточно широких диапазонах. Что позволяет без потери электричества поступающего из сети регулировать обороты и мощность на валу электродвигателя за счёт программного изменения выходного напряжения с соответствующей частотой с частотного преобразователя.
Почему может намагничиваются валы в двигателе
Чем опасны паразитные токи в валах и подшипниках генераторов? Какие принимаются меры для их устранения?
2 — 1ЧЕМ ОПАСНЫ ПАРАЗИТНЫЕ ТОКИ В ВАЛАХ И ПОДШИПНИКАХ ГЕНЕРАТОРОВ?
Из-за неравномерности зазора между ротором и статором, зазоров в стыках между пакетами активной стали и другим причинам магнитная система машины в какой-то мере несимметрична. Если эту несимметричность условно изобразить в виде зазора л правой половине сердечника (рис. 1), то при повороте ротора на 90° магнитные сопротивления потокам Ф1 и Ф2 сравняются, а при дальнейшем вращении сопротивление для потока Ф1 станет меньше, чем для потока Ф2. потом вновь сравняется, затем станет меньше для потока Ф2 и т. д. Это приводит к изменению величины магнитных потоков и вызывает появление в теле ротора токов, которые, если не принять мер, будут протекать не по пути с большим
Рис. 1. Схема протекания токов, вызванных несимметрией магнитной системы.
а—поперечный разрез; б—продольный разрез; 1 — путь тока с большим индуктивным сопротивлением; 2—путь тока с малым индуктивным сопротивлением.
индуктивным сопротивлением, а по пути 2 (через подшипники и станину), имеющему значительно меньшее индуктивное сопротивление. Из-за малого сопротивления, даже при малых значениях наведеной э.д.с. токи по валу и подшипникам могут достигнуть нескольких тысяч ампер. Этот ток даже при меньших значениях вызвал бы повреждение червячных пар и подшипников турбины, а также подшипников и вкладышей уплотнений генераторов. Поэтому у машин с горизонтальным валом под стул подшипника со стороны возбудителя и под подшипники возбудителя, а у вертикальных гидрогенераторов под лапы верхней крестовины устанавливаются изоляционные прокладки. Кроме того, подшипники изолируются от маслопроводов с установкой коротких участков труб с двумя изолированными фланцами, позволяющими контролировать состояние изоляции каждого маслопровода на работающей машине. В машинах с водородным охлаждением изолируется от торцевого щита и от маслопроводов корпус уплотнения со стороны возбудителя.
Сопротивление изоляции стула подшипника, измеренное перед сборкой подшипника, должно быть не менее 1 МОм. При работе генератора не реже чем 1 раз в месяц следует проверять по схеме рис. 2, не нарушилась ли эта изоляция. При этом измеряется напряжение U1 на концах вала и U2 между изолированным стулом и плитой. При замере напряжения U2 сопротивление изоляции масляных пленок на подшипнике со стороны турбины и
Рис. 2. Измерение напряжения для проверки состояния изоляции стула подшипника.
на том подшипнике, на котором производится измерение, шунтируют, как показано на рис. 2. Если напряжения U1 и U2 равны, то изоляция стула подшипника исправна. Если же напряжение U2 равно нулю, то изоляция нарушилась.
При работе паровой турбины вследствие трения лопаток последних ступеней ротора о влажный пар происходит заряд ротора электричеством. Величина напряжения, которое может сообщить подобный заряд ротору, зависит от сопротивления изоляции масляной пленки подшипников и доходит до 800 В и выше. Напряжение, создаваемое зарядом ротора от пара, затрудняет обслуживание турбины, так как при прикосновении к валу, например при измерении частоты вращения ручным тахометром или при протирке деталей вблизи вала, персонал “бьет током”. Искровые разряды электричества через масляную пленку повреждают поверхности червячных пар и выводят их из строя. Поэтому для отвода заряда с ротора турбины на его валу в доступном месте, a при отсутствии такой возможности и внутри корпуса подшипника устанавливается электрощетка, скользящая по валу и отводящая заряд. Обеспечение надежного контакта этой щетки с валом турбины не менее важно, чем поддержание в исправном состоянии изоляции подшипников.
2 — 2 ПРИЧИНЫ ПОЯВЛЕНИЯ ПАРАЗИТНЫХ ТОКОВ
Паразитные токи в подшипниках электрических машин могут быть вызваны различными причинами. С этим явлением приходится встречаться главным образом в крупных синхронных машинах, реже — в асинхронных двигателях и машинах постоянного тока.
Токи в подшипниках опасны тем, что образующиеся в масляном слое между шейками вала и вкладышами маленькие электрические дуги разъедают поверхности шеек и вкладышей, перенося баббит на шейки вала, что вызывает чрезмерный нагрев подшипников и даже расплавление заливки вкладышей. Кроме этого, электрическое действие тока портит масло, вызывая его почернение. Это также увеличивает нагревание подшипников.
Такие же повреждения шеек валов и вкладышей могут быть и от других причин, неэлектрического характера; к ним следует отнести недоброкачественность баббитовой заливки, наличие воды в масле, кислотность масла, ненормальные условия работы вкладышей и т. д. Поэтому для установления действительной причины повреждений приходится часто применять метод последовательного исключения отдельных причин.
Ниже приводятся основные причины появления паразитных токов в валу и подшипниках.
1. Несимметрия магнитного поля машин. Из-за несимметрии магнитного поля может иметь место при вращении ротора пульсирующий поток в замкнутом контуре, образованном валом ротора / (рис. 3), подшипниками 2, фундаментной плитой 3 и масляными зазорами подшипников. Так как сопротивление этой цепи незначительно, то возникающая даже небольшая ЭДС вызывает в ней циркуляцию значительных токов. Индуктированная ЭДС может достичь нескольких десятых долей вольта, а иногда нескольких вольт. Если электрическая машина соединена с другой машиной, то вызванный указанной ЭДС ток может повредить подшипники или другие части второй машины.
Рис. 3. Путь прохождения токов в подшипниках Рис. 4. Магнитные линии при наличии стыков
в стали статора.
Рис. 5. Стыки в сегментах статорной стали.
Рис. 6. Путь магнитных линии при неравномерном зазоре между ротором и статором.
Асимметрия магнитного потока имеет место из-за чисто конструктивных недостатков или по причинам эксплуатационного характера. К конструктивным причинам относятся, например, наличие стыков в активной стали при разъемном статоре или наличие в последнем осевых вентиляционных каналов. При наличии стыков (рис. 4) число магнитных линий, замыкающихся через стыки (линии 2 и 4), может оказаться меньшим, чем число магнитных линий, замыкающихся через другие части системы (линии / и 3). Наличие стыков в сегментах статорной стали (рис. 5) может также служить причиной появления токов в подшипниках.
Причинами эксплуатационного характера являются, например, неравномерный зазор между ротором и статором или короткие замыкания в катушках полюсов, создающие магнитную асимметрию. При неравномерном зазоре (рис. 6) магнитные линии стремятся замкнуться по пути наименьшего сопротивления, охватывая вал ротора. При вращении ротора контур “вал — подшипники — плита” пронизывается переменным магнитным потоком и в нем индуктируется ЭДС.
2. Униполярная индукция. Токи в подшипниках могут возникнуть от продольного намагничивания вала синхронной машины при коротком замыкании части витков в одном из полюсов, вследствие чего часть магнитного потока замыкается через шей-
Рис. 7. Местный ток в шейке вала и подшипнике от униполярной индукции.
Рис. 8. Короткое замыкание в обмотке ротора турбогенератора вследствие одновременного замыкания обмотки на корпус и заземления цепи возбуждения: / — возбудитель; 2 и 3 — подшипники турбогенератора; 4 — изоляция подшипника.
ки вала, подшипники и фундаментную плиту. При вращении вала машины в результате униполярной индукции возникает местный постоянный ток, замыкающийся через шейку вала в подшипниках (рис. 7). Продольное намагничивание вала может произойти и от намагничивающего действия токоотводов, находящихся вблизи вала.
Мера, принимаемая обычно против подшипниковых токов,— изоляция подшипниковых стояков от фундаментной плиты — не препятствует протеканию местных токов от униполярной индукции.
Для устранения или уменьшения токов от униполярной индукции следует размагнитить вал либо изменить расположение токоотводов.
3. Короткое замыкание в обмотке ротора (якоря) через подшипники. Это имеет место в случае замыкания обмотки ротора (якоря) на вал при одновременном заземлении во внешней цепи ротора. На рис. 8 показан такой случай для ротора турбогенератора. В результате замыкания обмотки ротора на его бочку в точке а и заземления цепи возбудителя / в точке б ток протекает через неизолированный подшипник 2 (путь тока показан стрелками).
Рис. 9. Размещение изолирующих подкладок для предотвращения токов в подшипниках.
В подобных случаях повреждение шеек вала и подшипниковых вкладышей может быть весьма значительным, что потребует немедленного ремонта.
4. Электрический заряд роторов турбогенераторов от действия пара на ротор турбины. При зарядке ротора турбины паром на валу роторов агрегата появляется высокое напряжение. Значение его зависит от состояния масляной пленки, через которую заряд стекает в землю. Между валом и подшипниками иногда наблюдается проскакивание искры. Измерение сопротивления изоляции подшипника показывает полную ее исправность. Напряжение же между валом и корпусом машины, если измерить его магнитоэлектрическим вольтметром с большим внутренним сопротивлением (200 кОм и больше), оказывается больше напряжения между кольцами ротора. Пики напряжения по осциллограммам достигают 400 В и более. Результаты измерения сильно зависят от внутреннего сопротивления вольтметра, которым производится измерение. При измерении вольтметром с меньшим сопротивлением напряжение понижается, а при включении лампы накаливания между валом и корпусом генератора показания вольтметра падают до нуля; лампа при этом не загорается. Несмотря на значительные напряжения от электростатических зарядов, вызываемый ими ток обычно не представляет опасности вследствие незначительной мощности источника.
Чтобы обслуживающий персонал не испытывал неприятного ощущения при соприкосновении с валом агрегата, рекомендуется установить на валу со стороны турбины щеточку, заземляемую через сопротивление порядка 100 Ом.
Из всех рассмотренных паразитных токов наибольшую опасность представляют токи вследствие несимметрии магнитного поля машины.
2 — 3. УСТРАНЕНИЕ ПАРАЗИТНЫХ ТОКОВ
Одним из основных методов устранения паразитных подшипниковых токов, вызываемых пульсирующим магнитным потоком в контуре “вал — подшипники — фундаментная плита”, является изоляция подшипниковых стояков от фундаментной плиты, чем прерывается цепь тока. Обычное размещение изолирующих подкладок под подшипниковыми стояками различных машин и агрегатов показано на рис. 9, где буквой Т обозначены машины переменного тока, а буквой П — машины постоянного тока; изолирующие подкладки показаны жирными линиями.
При соединении одной машины с первичным двигателем или с приводной машиной (рис. 9, а) изолируют передний подшипник (со стороны, противоположной приводу) независимо от
того, установлены ли машины на одной общей фундаментной плите или на разных плитах. Изоляция стоек подшипников агрегатов, состоящих из нескольких машин, установленных на одной общей плите, в зависимости от их взаимного расположения показана на рис. 9, б, в и г. В синхронных машинах, соединенных непосредственно с другими машинами и имеющих возбудитель на общей фундаментной плите с основной машиной (причем возбудитель также непосредственно соединен с основной машиной), изолируют подшипник основной машины и подшипники возбудителя (рис. 9, д.). В синхронных компенсаторах, работающих без соединения с другими машинами и находящихся на общей фундаментной плите с возбудителем, изолируют подшипник со стороны, противоположной возбудителю (рис. 9, е).
2 — 4. КАКИЕ ПРИНИМАЮТСЯ МЕРЫ ДЛЯ ИХ УСТРАНЕНИЯ?
Изоляция подшипников двигателя переменного тока, при установке его на общей фундаментной плите с двумя приводимыми им машинами М, показана на рис. 9, ж. Для изоляции подшипниковых стояков применяют гетинакс или текстолит толщиной 2—5 мм. Изоляционные подкладки должны вы ступать за пределы стояков на 5—10 мм от краев по всему контуру.
Рис. 10. Изоляция подшипникового стояка.
Наряду с главной изоляцией (изоляционные подкладки между стояками и фундаментной плитой) осуществляют изоляцию еще и болтов, крепящих стояки к плите, и конических контрольных штифтов.
На рис. 10 показана главная изоляция и изоляция болтов подшипникового стояка. Между фундаментной плитой / и стояком 3 проложен лист гетинакса 2, болт изолирован бакелитовой трубкой 6 толщиной 2 мм. Изолирующую шайбу 4 из гетинакса надевают на трубку 6; внутренний диаметр шайбы должен равняться внешнему диаметру трубки; внешний диаметр изолирующей шайбы должен быть несколько больше диаметра металлической шайбы 5; трубка 6 должна быть установлена заподлицо с металлической шайбой, причем трубка должна выступать за пределы стенки стояка.
Рис.11. Изоляция контрольного штифта
Изоляция контрольного штифта (рис. 11) состоит из спрессованного на штифте электрокартона / и текстолитовой шайбы 2. Так как штифты должны быть плотно пригнаны к их гнездам, то, кроме изолированных штифтов, поставляются штифты и без изоляции, под полный размер конического отверстия; этими штифтами производят временную заштифтовку, после чего вспомогательные штифты заменяют изолированными.
Для предотвращения протекания подшипниковых токов по другому пути (кроме прерванного изоляционными подкладками под подшипники) изолируют также маслопровод (рис. 12). Для этого между фланцами вставляют изолирующую кольцевую прокладку из гетинакса с некоторым припуском по диаметру. Изолированная часть трубы не должна иметь металлического соединения с фундаментной плитой. На рис. 13 показана изоляция фланцев маслопровода; она состоит из бумажно-бакелитовых трубок / и гетинаксовых шайб 2; между фланцами проложена кольцевая прокладка 3 также из гетинакса.
Рис. 12. Изоляция маслопровода подшипникового стояка
Рис. 13. Изоляция фланцев маслопровода
Существуют также конструкции фланцевых соединений маслопровода, не требующие изоляции болтов трубками и шайбами.
При водяном охлаждении подшипников трубопровод, подводящий воду к изолированному подшипниковому стояку, должен иметь вставку из резиновой трубки того же сечения, длиной не менее 100 мм. Часть трубопровода, присоединенная к стояку, также не должна иметь металлического соединения с фундаментной плитой.
Этапы восстановления коленчатого вала в компании «Механика». Магнитоскоп.
Уважаемые коллеги, данной публикацией мы продолжаем техническую дискуссию, посвященную восстановлению одной из самых нагруженных и ответственных деталей двигателя – коленчатого вала.
Качество восстановления коленчатого вала находится в прямой зависимости от качества его дефектовки, одним из методов которого является проверка коленчатого вала на трещины при помощи магнитоскопа. Для чего выполняется эта операция и когда она становится необходимой? Давайте разберемся.
Трещины зачастую становятся спутниками неисправного коленчатого вала, появляются они в силу различных причин, к ним относят: недостаточное давление масла, применение масел низкого качества, перегрев двигателя, разрушение деталей поршневой группы и другие механические разрушения. В некоторых случаях причиной нарушения однородности может являться производственный брак, к счастью, такие ситуации достаточно редки.
Некоторые трещины могут быть определены инженером-приемщиком уже на этапе визуального осмотра, в таком случае необходимость дальнейшей проверки становится нецелесообразной, но в большинстве случаев микротрещины заметить невооруженным глазом невозможно, они же и являются самыми «коварными». Распознать их можно только при помощи увеличительных приборов, ультразвуковым или магнитным методами. Последний применяется для контроля деталей из ферромагнитных сплавов любой формы, отличается максимально высокой точностью и скоростью выполнения.
Какие валы проверять? При наличии возможности мы рекомендуем проверять все без исключения детали, подлежащие ремонту при этом в обязательном порядке проверке на наличие микротрещин, подлежат коленчатые валы:
— после выполнения операции «рихтовка»;
— испытывающие в процессе работы повышенные термические нагрузки при «масляном голодании»;
— детали, на которых присутствуют цвета побежалости;
— валы работавшие в «застучавших» двигателях.
Кроме того, мы рекомендуем выполнять проверку на магнитоскопе коленвалы высокофорсированных дизельных двигателей, которые испытывают повышенные знакопеременные нагрузки.
В противном случае незамеченные трещины станут причиной разрушения коленчатого вала, что в свою очередь, с высокой долей вероятности, приведет к критической поломке двигателя. На рисунке 1. Показаны примеры разрушения коленчатого вала, возникновение которых связано с наличием микротрещин.
Рис.1 Разрушения коленчатых валов
Чтобы этого не произошло, нам необходимо выявить все мельчайшие дефекты, а помогает нам в этом стенд для магнитопорошкового контроля — магнитоскоп.
В компании «Механика» для проверки однородности коленчатых валов применяется оборудование итальянского производства — Магнитный дефектоскоп CD15. Оборудование является эффективным не только для нахождения трещин и повреждений в коленвалах, но и корпусных деталей из чугуна. Станок способен возбуждать мощное электромагнитное поле, позволяющее быстро выявлять мелкие трещины, не заметные невооруженным взглядом.
Технологический процесс диагностики достаточно прост, но при этом эффективен. Коленчатый вал устанавливается на призмы диагностического стенда, где намагничивается при помощи специальной кольцевой катушки. Заблаговременно приготовленная содержащая ферромагнитный порошок тестовая жидкость специальным распылителем наноситься на поверхность испытываемой детали. Частицы магнитного порошка, находящиеся в зоне действия магнитного поля, притягиваются и оседают вокруг мест расположения трещин. При этом происходит четкая визуализация, так как ширина полосы существенно превышает реальную ширину дефекта. Оператор станка используя ультрафиолетовую лампу мощность 160 Вт выполняет обзор поверхности и фиксирует результаты испытания, которыми является наличие или отсутствие неоднородности коленчатого вала.
Рис.2. Проверка коленчатого вала на трещины
Обязательной операцией в завершении процесса испытания является – размагничивание, что позволит безопасно использовать восстановленный коленчатый вал в отремонтированном двигателе.
Проверка коленчатого вала на отсутствие микротрещин становиться заключительным этапом его диагностики, убедившись полностью в том, что он пригоден для производства дальнейшего ремонта перемещаем деталь на участок круглой шлифовки.
Электродвигатели
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
Электродвигатель преобразует электрическую энергию, потребляемую из сети, в механическую.
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.
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
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.
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.
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)
- Комбинированные — лапы и фланец.
Класс защиты корпуса двигателя IP
Стандартная степень защиты электродвигателей — IP55.
Скорость вращения
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.
Режим нагрузки (Duty)
- 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.
Охлаждение
- Поверхностное охлаждение (Non-ventilated: вентилятора нет)
- 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.
Вентилятор
- Пластиковый
- Металлический
- Металлический с увеличенным моментом инерции
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)
Датчик скорости
Датчик скорости может находится герметично внутри корпуса (Incapsulated) или снаружи под защитной крышкой.