Электродвигатель — механизм, преобразующий энергию электрического тока в кинетическую энергию. Современное производство и быт сложно представить без машин с электроприводом. Они используются в насосном оборудовании, системах вентиляции и кондиционирования, в электротранспорте, промышленных станках различных типов и т.д.
При выборе электродвигателя необходимо руководствоваться несколькими основными критериями:
- вид электрического тока, питающего оборудование;
- мощность электродвигателя;
- режим работы;
- климатические условия и другие внешние факторы.
Типы двигателей
Электродвигатели постоянного и переменного тока
В зависимости от используемого электрического тока двигатели делятся на две группы:
- приводы постоянного тока;
- приводы переменного тока.
Электродвигатели постоянного тока сегодня применяются не так часто, как раньше. Их практически вытеснили асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором.
Главный недостаток электродвигателей постоянного тока — возможность эксплуатации исключительно при наличии источника постоянного тока или преобразователя переменного напряжения в постоянный ток. В современном промышленном производстве обеспечение данного условия требует дополнительных финансовых затрат.
Тем не менее, при существенных недостатках этот тип двигателей отличается высоким пусковым моментом и стабильной работой в условиях больших перегрузок. Приводы данного типа чаще всего применяются в металлургии и станкостроении, устанавливаются на электротранспорт.
Принцип работы электродвигателей переменного тока построен на электромагнитной индукции, возникающей в процессе движения проводящей среды в магнитном поле. Для создания магнитного поля используются обмотки, обтекаемые токами, либо постоянные магниты.
Электродвигатели переменного тока подразделяются на синхронные и асинхронные. У каждой подгруппы есть свои конструктивные и эксплуатационные особенности.
Синхронные электродвигатели
Синхронные двигатели — оптимальное решение для оборудования с постоянной скоростью работы: генераторов постоянного тока, компрессоров, насосов и др.
Технические характеристики синхронных электродвигателей разных моделей отличаются. Скорость вращения колеблется в диапазоне от 125 до 1000 оборотов/мин, мощность может достигать 10 тысяч кВт.
В конструкции приводов предусмотрена короткозамкнутая обмотка на роторе. Ее наличие позволяет осуществлять асинхронный пуск двигателя. К преимуществам оборудования данного типа относятся высокий КПД и небольшие габариты. Эксплуатация синхронных электродвигателей позволяет сократить потери электричества в сети до минимума.
Асинхронные электродвигатели
Асинхронные электродвигатели переменного тока получили наибольшее распространение в промышленном производстве. Особенностью данных приводов является более высокая частота вращения магнитного поля по сравнению со скоростью вращения ротора.
В современных двигателях для изготовления ротора используется алюминий. Легкий вес этого материала позволяет уменьшить массу электродвигателя, сократить себестоимость его производства.
КПД асинхронного двигателя падает почти вдвое при эксплуатации в режиме низких нагрузок — до 30-50 процентов от номинального показателя. Еще один недостаток таких электроприводов состоит в том, что параметры пускового тока почти втрое превышают рабочие показатели. Для уменьшения пускового тока асинхронного двигателя используются частотные преобразователи или устройства плавного пуска.
Асинхронные электродвигатели удовлетворяют требованиям разных промышленных применений:
- Для лифтов и другого оборудования, требующего ступенчатого изменения скорости, выпускаются многоскоростные асинхронные приводы.
- При эксплуатации лебедок и металлообрабатывающих станков используются электродвигатели с электромагнитной тормозной системой. Это обусловлено необходимостью остановки привода и фиксации вала при перебоях напряжения или его исчезновения.
- В процессах с пульсирующей нагрузкой или при повторно-кратковременных режимах могут использоваться асинхронные электродвигатели с повышенными параметрами скольжения.
Вентильные электродвигатели
Группа вентильных электродвигателей включает в себя приводы, в которых регулирование режима эксплуатации осуществляется посредством вентильных преобразователей.
К преимуществам данного оборудования относятся:
- Высокий эксплуатационный ресурс.
- Простота обслуживания за счет бесконтактного управления.
- Высокая перегрузочная способность, которая в пять раз превышает пусковой момент.
- Широкий диапазон регулирования частоты вращения, который почти вдвое выше диапазона асинхронных электродвигателей.
- Высокий КПД при любой нагрузке – более 90 процентов.
- Небольшие габариты.
- Быстрая окупаемость.
Мощность электродвигателя
В режиме постоянной или незначительно изменяющейся нагрузки работает большое количество механизмов: вентиляторы, компрессоры, насосы, другая техника. При выборе электродвигателя необходимо ориентироваться на потребляемую оборудованием мощность.
Определить мощность можно расчетным путем, используя формулы и коэффициенты, приведенные ниже.
Мощность на валу электродвигателя определяется по следующей формуле:
где:
Рм — потребляемая механизмом мощность;
ηп — КПД передачи.
Номинальную мощность электродвигателя желательно выбирать больше расчетного значения.
Формула расчета мощности электродвигателя для насоса
где:
K3 — коэффициента запаса, он равен 1,1-1,3;
g — ускорение свободного падения;
Q — производительность насоса;
H — высота подъема (расчетная);
Y — плотность перекачиваемой насосом жидкости;
ηнас — КПД насоса;
ηп — КПД передачи.
Давление насоса рассчитывается по формуле:
Формула расчета мощности электродвигателя для компрессора
Мощность поршневого компрессора легко рассчитать по следующей формуле:
где:
Q — производительность компрессора;
ηk — индикаторный КПД поршневого компрессора (0,6-0,8);
ηп — КПД передачи (0,9-0,95);
K3 — коэффициент запаса (1,05 -1,15).
Значение A можно рассчитать по формуле:
или взять из таблицы
p2, 105Па | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
A, 10–3 Дж/м³ | 132 | 164 | 190 | 213 | 230 | 245 | 260 | 272 |
Формула расчета мощности электродвигателя для вентиляторов
где:
K3 — коэффициент запаса.
Его значения зависят от мощности двигателя:
- до 1 кВт — коэффициент 2;
- от 1 до 2 кВт — коэффициент 1,5;
- 5 и более кВт — коэффициент 1,1-1,2.
Q — производительность вентилятора;
H — давление на выходе;
ηв — КПД вентилятора;
ηп — КПД передачи.
Приведенная формула используется для расчета мощности осевых и центробежных вентиляторов. КПД центробежных моделей равен 0,4-0,7, а осевых вентиляторов — 0,5-0,85.
Остальные технические характеристики, необходимые для расчета мощности двигателя, можно найти в каталогах для каждого типа механизмов.
Важно! При выборе электродвигателя запас мощности должен быть, но небольшой. При значительном запасе мощности снижается КПД привода. В электродвигателях переменного тока это приводит еще и к снижению коэффициента мощности.
Пусковой ток электродвигателя
Зная тип и номинальную мощность электродвигателя, можно рассчитать номинальный ток.
Номинальный ток электродвигателей постоянного тока
Номинальный ток трехфазных электродвигателей переменного тока
где:
PH — номинальная мощность электродвигателя;
UH — номинальное напряжение электродвигателя,
ηH — КПД электродвигателя;
cosφH — коэффициент мощности электродвигателя.
Номинальные значения мощности, напряжения и КПД можно найти в технической документации на конкретную модель электродвигателя.
Зная значение номинального тока, можно рассчитать пусковой ток.
Формула расчета пускового тока электродвигателей
где:
IH — номинальное значение тока;
Кп — кратность постоянного тока к номинальному значению.
Пусковой ток необходимо рассчитывать для каждого двигателя в цепи. Зная эту величину, легче подобрать тип автоматического выключателя для защиты всей цепи.
Режимы работы электродвигателей
Режим работы определяет нагрузку на электродвигатель. В некоторых случаях она остается практически неизменной, в других может изменяться. Характер предполагаемой нагрузки обязательно учитывается при выборе двигателя. Действующими стандартами предусмотрены следующие режимы эксплуатации:
Режим S1 (продолжительный). При таком режиме эксплуатации нагрузка остается постоянной в течение всего времени, пока температура электродвигателя не достигнет необходимого значения. Мощность привода рассчитывается по формулам, приведенным выше.
Режим S2 (кратковременный). При эксплуатации в этом режиме температура двигателя в период его включения не достигает установившегося значения. За время отключения электродвигатель охлаждается до температуры окружающей среды. При кратковременном режиме эксплуатации необходимо проверять перегрузочную способность электропривода.
Режим S3 (периодически-кратковременный). Электродвигатель работает с периодическими отключениями. В периоды включения и отключения его температура не успевает достигнуть заданного значения или охладиться до температуры окружающей среды. При расчете мощности двигателя обязательно учитывается продолжительность пауз и потерь в переходные периоды. При выборе электродвигателя важным параметром является допустимое количество включений за единицу времени.
Режимы S4 (периодически-кратковременный, с частыми пусками) и S5 (периодически-кратковременный с электрическим торможением). В обоих случаях работа двигателя рассматривается по тем же параметрам, что и в режиме эксплуатации S3.
Режим S6 (периодически-непрерывный с кратковременной нагрузкой). Работа электродвигателя в данном режиме предусматривает эксплуатацию под нагрузкой, чередующуюся с холостым ходом.
Режим S7 (периодически-непрерывный с электрическим торможением)
Режим S8 (периодически-непрерывный с одновременным изменением нагрузки и частоты вращения)
Режим S9 (режим с непериодическим изменением нагрузки и частоты вращения)
Большинство моделей современных электроприводов, эксплуатируемых продолжительное время, адаптированы к изменяющемуся уровню нагрузки.
Климатические исполнения электродвигателей
При выборе электродвигателя учитываются не только его технические характеристики, но и условия окружающей среды, в которых он будет эксплуатироваться.
Современные электроприводы выпускаются в разных климатических исполнениях. Категории маркируются соответствующими буквами и цифрами:
- У — модели для эксплуатации в умеренном климате;
- ХЛ — электродвигатели, адаптированные к холодному климату;
- ТС — исполнения для сухого тропического климата;
- ТВ — исполнения для влажного тропического климата;
- Т — универсальные исполнения для тропического климата;
- О — электродвигатели для эксплуатации на суше;
- М — двигатели для работы в морском климате (холодном и умеренном);
- В — модели, которые могут использоваться в любых зонах на суше и на море.
Цифры в номенклатуре модели указывают на тип ее размещения:
- 1 — возможность эксплуатации на открытых площадках;
- 2 — установка в помещениях со свободным доступом воздуха;
- 3 — эксплуатация в закрытых цехах и помещениях;
- 4 — использование в производственных и других помещениях с возможностью регулирования климатических условий (наличие вентиляции, отопления);
- 5 — исполнения, разработанные для эксплуатации в зонах повышенной влажности, с высоким образованием конденсата.
Энергоэффективность
Рациональное потребление энергии при сохраняющейся высокой мощности сокращает текущие производственные затраты при одновременном увеличении производительности электродвигателя. Поэтому при выборе привода обязательно учитывается класс энергоэффективности.
В технической документации и каталогах обязательно указывается класс энергоэффективности двигателя. Он зависит от показателя КПД.
Проводимые в тестовом и рабочем режимах экспериментальные исследования показывают, что электродвигатель мощностью 55 кВт высокого класса энергоэффективности сокращает потребление электроэнергии на 8-10 тысяч кВт ежегодно.
