Электродвигатели общепромышленные асинхронные с короткозамкнутым ротором
Что можно сказать про обычный электродвигатель, кроме того, что это машина, преобразующая электрическую энергию в механическую? На первый взгляд — ничего более. Но профессионалы знают: пока существует электричество, электродвигатель — высшая власть и абсолютный авторитет в империи движения механизмов и машин
Низковольтные асинхронные электродвигатели общего назначения мощностью 0,25…400 кВт, именуемые во всем мире стандартные асинхронные двигатели, составляют основу силового электропривода, применяемого во всех областях человеческой деятельности. Асинхронными электрическими машинами потребляется в настоящее время около 40% всей вырабатываемой электроэнергии. Их суммарная установленная мощность постоянно возрастает
Электродвигатели асинхронные имеют широкую сферу применения. Это:
- вентиляторы, компрессоры
- приводы металлообрабатывающих, деревообрабатывающих и других видов станков
- кузнечно-прессовые, ткацких, швейные, грузоподъемные, землеройные машины
- центрифуги, лифты, в ручной электроинструмент, в бытовых приборах и т.д.
Потребности народного хозяйства удовлетворяют главным образом электродвигатели АИР электродвигатели основного исполнения единых серий общего назначения, т.е. применяемых для привода механизмов, не предъявляющих особых требований к пусковым характеристикам, скольжению, энергетическим показателям, шуму и т.п. Вместе с тем в единых сериях предусматривают также электрические и конструктивные модификации электродвигателей, модификации для разных условий окружающей среды, предназначенные для удовлетворения дополнительных специфических требований отдельных видов приводов и условий их эксплуатации. Модификации создаются на базе основного исполнения серий с максимально возможным использованием узлов и деталей этого исполнения
В некоторых приводах возникают требования, которые не могут быть удовлетворены электродвигателями единых серий. Для таких приводов созданы специализированные двигатели: крановые электродвигатели, электродвигатели краново-металлургические, лифтовые, электродвигатели взрывозащищенные, электродвигатели для привода станков качалок, электродвигатели однофазные и др
Совершенствованию асинхронных электрических двигателей в промышленно развитых странах придают большое значение. В настоящее время рынок, призванный отражать интересы потребителей, не формулирует сколько-нибудь определенных требований к стандартным асинхронным двигателям, кроме ценовых. В связи с этим для выявления тенденций их совершенствования необходимо исходить из требований внешнего рынка и из достижений основных производителей стандартных асинхронных двигателей
Энергосбережение электромоторов
Ведущие фирмы-производители выпускают энергосберегающие стандартные асинхронные электродвигатели мощностью 15-30 кВт и более. В этих моторах потери электроэнергии снижены не менее чем на 10 % по сравнению с ранее производимыми двигателями с «нормальным» КПД (h). При этом КПД энергосберегающего двигателя можно определить как hэ = h / [1 — е (1 — h)],
где е — относительное снижение суммарных потерь в двигателе
Очевидно, производство энергосберегающих электродвигателей связано с дополнительными затратами, которые можно оценить с помощью коэффициента удорожания
Ку = 1 + (1 — h) е2.100
Результаты расчетов показывают, что дополнительные затраты, связанные с приобретением энергосберегающих электродвигателей, окупаются за счет экономии электроэнергии за 2-3 года в зависимости от мощности двигателя. При этом срок окупаемости более мощных двигателей меньше, так как эти двигатели имеют большую годовую наработку и более высокий коэффициент загрузки
В ряде стран вопросы энергосбережения в стандартных асинхронных двигателях связывают не столько со снижением эксплуатационных затрат, сколько с экологическими проблемами, обусловленными производством электроэнергии. ОАО «Владимирский электромоторный завод» начиная с 1998 г. выпускает энергосберегающие электродвигатели 5А 280 и с 1999 г. электродвигатели 5А 315 мощностью от 110 до 200 кВт
Повышение ресурса и снижение уровня шума эл. приводов
С энергосбережением — уменьшением потерь в асинхронном двигателе — неразрывно связано повышение его ресурса вследствие снижения температуры его обмоток. При применении системы изоляции класса нагревостойкости F (qб = 100°С и qб — q = 20°С, где qб и q — превышение температуры обмоток над температурой окружающей среды, соответствующее базовому ресурсу и фактическое) теоретический ресурс системы изоляции обмотки увеличивается в 4 раза согласно известному соотношению
Тсл = Тсл.б ехр [-0,1 ln2 (qб — q)], где Тсл и Тсл.б — средний и базовый ресурсы системы изоляции обмоток, причем Тсл.б = 20.103 ч.
В действительности ресурс обмотки определяется не только термодеструкцией, но и другими факторами (коммутационным перенапряжением, механическими усилиями, влажностью и др.), поэтому он увеличивается не так значительно, но при этом не менее, чем в 2 раза. Руководствуясь этими соображениями, европейские фирмы-производители стандартных асинхронных двигателей придерживаются правила применения систем изоляции класса нагревостойкости F (qб = 100°С) при превышении температуры обмоток, соответствующем базовому для систем изоляции класса нагревостойкости В (qб = 80°С). Снижение температуры обмоток стандартных асинхронных двигателей способом охлаждения ICO141 МЭК 60034-6 позволяет в уменьшить диаметр вентилятора наружного обдува и существенно (до 5 дБ(А)) снизить уровень вентиляционного шума, который в двигателях с частотой вращения 3000 и 1500 об/мин является определяющим
Сервис-фактор
Декларирование сервис-фактора означает, что электродвигатель, работающий при номинальных напряжении и частоте может быть перегружен до мощности, получаемой путем умножения номинального значения на сервис-фактор. Обычно сервис-фактор принимают равным 1,15, реже — 1,1. При этом превышение температуры обмоток должно быть не более 90 и 115°С для систем изоляции класса нагревостойкости В и F соответственно
Применение двигателей с сервис-фактором позволяет:
- избежать переустановленной мощности для двигателей, работающих с систематическими перегрузками до 15 %
- эксплуатировать двигатели в сетях с существенными колебаниями напряжения без снижения нагрузки
- эксплуатировать двигатели при повышенной температуре окружающей среды без снижения нагрузки
Результаты расчетов показывают, что при равномерном распределении перегрузок во всем временном интервале допустимая суммарная длительность работы двигателя, имеющего сервис-фактор 1,15, с 15 %-ной перегрузкой составляет треть ресурса. И в этом случае энергосберегающие двигатели с изоляцией класса нагревостойкости F и превышением температуры обмоток, соответствующем классу В, автоматически имеют сервис-фактор 1,15
В настоящее время большинство стандартных асинхронных электродвигателей выпускают на напряжение сети 380 В при частоте 50 Гц
Вместе с тем МЭК предусматривает к 2023 г. переход на напряжение 400 В (публикация МЭК 60038). При этом необходимо будет обеспечивать длительную работу двигателя при отклонениях напряжения от номинального ±10 % (сейчас это ограничение установлено на уровне ±5 % — публикация МЭК 60031-1). Для обеспечения работы двигателя при пониженном на 10 % напряжении питания потребуются новые подходы при проектировании с целью создания соответствующих температурных запасов. Следует отметить, что и в этом случае для энергосберегающих двигателей с сервис-фактором 1,15 проблем не будет
Все европейские фирмы уже производят стандартные асинхронные двигатели на напряжение 400 В, российские заводы — пока только для поставок на экспорт. Одним из насущных требований европейского рынка является обеспечение возможности работы двигателя при напряжении 400 В и частоте 50 Гц от сети 480 В и 60 Гц при повышенной на 20 % номинальной мощности. Такую возможность также следует предусматривать при проектировании новых машин
Электромагнитная совместимость
Вопросы электромагнитной совместимости (ЭМС) в настоящее время приобретают все большее значение при освоении и сертификации новых серий электродвигателей. ЭМС электродвигателя определяется его способностью в реальных условиях эксплуатации функционировать при воздействии случайных электрических помех и при этом не создавать недопустимых радиопомех другим средствам. Помехи от электродвигателя могут возникать в присоединенных к нему цепях питания, заземления, управления, в окружающем пространстве. ГОСТ Р 50034-92 устанавливает нормы на уровни устойчивости двигателей к отклонениям напряжения и частоты, несимметрии и несинусоидальности питающего трехфазного напряжения, а также методы испытания двигателей на устойчивость к помехам.
Вместе с тем при проектировании и производстве асинхронных двигателей для внешнего рынка необходимо руководствоваться публикацией МЭК 1000-2-2, в которой установлены уровни совместимости для низкочастотных распространяющихся по проводам помех и передаче сигналов в низковольтных системах электропитания. При этом измерительное оборудование должно обеспечивать и спектральный анализ на базе компьютерных информационно-измерительных систем
ВОЗМОЖНОСТЬ РАБОТЫ В СИСТЕМАХ РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Если в приводе с электродвигателем работает вентилятор, консольный насос, зачастую бывает необходимо применение частотного преобразователя
При работе от преобразователя частоты (ПЧ) в ряде случаев необходимо предусматривать защиту электродвигателя от перенапряжения (если это не предусмотрено в системе) путем усиления витковой и корпусной изоляции. Большинство выпускаемых и применяемых в настоящее время ПЧ, рассчитанных на среднюю мощность до 3000 кВт, по своей структуре являются инверторами. Выходное трехфазное напряжение в этих ПЧ формируется методом широтно-импульсной модуляции, что приводит к воздействию на изоляцию (витковую, межфазовую) электродвигателя напряжения импульсной формы, амплитуда которого значительно превышает амплитуду первой гармоники выходного напряжения.
Это приводит к преждевременному старению изоляции и снижению срока службы обмотки и двигателя в общем и целом.
Увеличение срока службы асинхронного двигателя общепромышленного применения в составе регулируемого привода может и должно быть обеспечено схемотехническими решениями ПЧ или введением специальных фильтрующих устройств в цепь питания электродвигателя
Разработка ПЧ и регулируемого электродвигателя в едином конструктивном исполнении позволяет оптимизировать систему электропривода не только по массогабаритным показателям и удобству обслуживания. Но и с позиций единой системы независимой вентиляции решить вопрос охлаждения машины на малых частотах вращения. При регулировании частоты вращения, превышающей синхронную, следует применять подшипники соответствующей быстроходности. В связи с этим в публикации МЭК 60034-1 предусмотрено значительное увеличение предельных скоростей, допускаемых для стандартных асинхронных двигателей