Шаги по выбору электродвигателя: прочитав, вы сразу сможете применить эти знания на практике 

Для выбора электродвигателя необходимо учитывать следующие основные параметры: тип приводящейся нагрузки, номинальную мощность, номинальное напряжение, номинальную частоту вращения и прочие условия.

1. Тип приводящейся нагрузки
Чтобы ответить на этот вопрос, нужно сначала рассмотреть особенности электродвигателей. Электродвигатели можно условно разделить на двигатели постоянного тока и двигатели переменного тока, причем двигатели переменного тока, в свою очередь, подразделяются на синхронные и асинхронные.
1. Двигатель постоянного тока
Преимуществом двигателей постоянного тока является возможность удобной регулировки частоты вращения путем изменения напряжения, а также способность обеспечивать большой крутящий момент. Они подходят для нагрузок, требующих частой регулировки частоты вращения, таких как прокатные станы на металлургических заводах и подъемные механизмы на горнодобывающих предприятиях. Однако в настоящее время, благодаря развитию технологии преобразования частоты, частоту вращения двигателей переменного тока также можно регулировать путем изменения частоты. Несмотря на то, что цена двигателей с частотно-регулируемым приводом не намного превышает цену обычных двигателей, стоимость преобразователя частоты составляет основную часть стоимости всего оборудования, поэтому еще одним преимуществом двигателей постоянного тока является их низкая цена.
Недостатком двигателей постоянного тока является их сложная конструкция, а любая сложная конструкция неизбежно приводит к увеличению частоты отказов. По сравнению с двигателями переменного тока двигатели постоянного тока отличаются не только более сложной обмоткой (обмотка возбуждения, обмотка переключающих полюсов, компенсационная обмотка, обмотка якоря), но и наличием контактных колец, щеток и коммутатора.
Это не только предъявляет высокие требования к технологическому уровню производителя, но и сопряжено с относительно высокими затратами на последующее техническое обслуживание. Поэтому двигатели постоянного тока в промышленном применении находятся в затруднительном положении: они постепенно уходят в прошлое, но на переходном этапе все еще находят применение. Если у пользователя достаточно средств, рекомендуется выбрать вариант с двигателем переменного тока в сочетании с частотно-регулируемым приводом, ведь использование такого привода дает множество преимуществ, о которых я не буду здесь подробно рассказывать.
2. Асинхронный двигатель
Преимущества асинхронных двигателей заключаются в простоте конструкции, стабильной работе, удобстве обслуживания и низкой стоимости. Кроме того, технология их изготовления является самой простой: как-то один из старых мастеров цеха рассказывал, что за время, необходимое для сборки одного двигателя постоянного тока, можно изготовить два синхронных двигателя или четыре асинхронных двигателя примерно той же мощности, что и наглядно демонстрирует их преимущества. Поэтому асинхронные двигатели нашли наиболее широкое применение в промышленности.
Асинхронные двигатели подразделяются на двигатели с короткозамкнутым ротором и двигатели с фазовым ротором, различие между которыми заключается в конструкции ротора. Ротор двигателя с короткозамкнутым ротором изготовлен из металлических пластин, как правило, из меди или алюминия. Цена на алюминий относительно низкая, а Китай является крупным производителем алюминиевой руды, поэтому такие двигатели широко применяются в условиях, не предъявляющих высоких требований. Однако механические и электропроводящие свойства меди превосходят алюминий, и в большинстве случаев, с которыми я сталкивался, роторы изготавливались из меди. После устранения проблемы обрыва шин в процессе производства двигатели с короткозамкнутым ротором по надежности значительно превосходят двигатели с обмоточным ротором.
Однако его недостатком является то, что крутящий момент, получаемый металлическим ротором при пересечении линий магнитного поля вращающегося статора, является относительно небольшим, а пусковой ток — значительным, что не позволяет ему справляться с нагрузками, требующими большого пускового момента. Хотя увеличение длины сердечника двигателя позволяет получить больший крутящий момент, этот эффект весьма ограничен.
При запуске двигателя с обмоткой ротора питание на обмотку ротора подается через контактный кольцо, что создает магнитное поле ротора, которое, взаимодействуя с вращающимся магнитным полем статора, обеспечивает более высокий крутящий момент. Кроме того, в процессе запуска для снижения пускового тока включается последовательно подключенный водяной резистор, сопротивление которого регулируется проверенной системой электронного управления в зависимости от этапа запуска.
Подходит для нагрузок, таких как прокатные станы, подъемники и т. п. Поскольку в асинхронных двигателях с обмоткой по сравнению с двигателями с короткозамкнутым ротором добавлены такие элементы, как контактные кольца и водяные резисторы, это приводит к некоторому удорожанию всего оборудования. По сравнению с двигателями постоянного тока у них диапазон регулирования скорости более узкий, а крутящий момент относительно меньше, что соответственно снижает их стоимость.
Однако в асинхронных двигателях вращающееся магнитное поле создается за счет подачи тока на обмотку статора, а поскольку обмотка является индуктивным элементом, она не выполняет полезную работу и потребляет реактивную мощность из сети, что оказывает значительную нагрузку на сеть. Это можно наглядно наблюдать при подключении к сети мощных индуктивных электроприборов: напряжение в сети падает, и яркость освещения сразу снижается.
Поэтому энергетические компании вводят ограничения на использование асинхронных двигателей, и это является фактором, который необходимо учитывать многим предприятиям. Некоторые крупные потребители электроэнергии, такие как металлургические и алюминиевые заводы, предпочитают строить собственные электростанции и создавать независимые энергосети, чтобы избежать ограничений на использование асинхронных двигателей. Поэтому для работы асинхронных двигателей с большими нагрузками необходимо устанавливать устройства компенсации реактивной мощности, в то время как синхронные двигатели могут подавать реактивную мощность в сеть через устройства возбуждения. Чем выше мощность, тем более очевидны преимущества синхронных двигателей, что и создает условия для их применения.
3. Асинхронный двигатель
К преимуществам асинхронных двигателей, помимо возможности компенсации реактивной мощности в режиме перемагнитизации, относятся:
1) Частота вращения асинхронного двигателя строго соответствует формуле n = 60f/p, что позволяет точно регулировать частоту вращения;
2) Высокая стабильность работы: при внезапном падении напряжения в сети система возбуждения, как правило, переходит в режим принудительного возбуждения, обеспечивая стабильную работу двигателя, в то время как крутящий момент асинхронного двигателя (пропорциональный квадрату напряжения) значительно снижается;
3) Способность выдерживать перегрузки выше, чем у соответствующих асинхронных двигателей;
4) Высокая эффективность работы, особенно у низкоскоростных синхронных двигателей.
Синхронный двигатель не может запускаться напрямую, для этого требуется асинхронный запуск или запуск с помощью частотно-регулируемого привода. Асинхронный пуск означает, что на роторе синхронного двигателя устанавливается пусковая обмотка, аналогичная клеточной обмотке асинхронного двигателя, а в цепи возбуждения последовательно включается дополнительный резистор, сопротивление которого примерно в 10 раз превышает сопротивление обмотки возбуждения, чтобы сформировать замкнутую цепь. Статор синхронного двигателя подключается напрямую к сети, что позволяет запустить его как асинхронный двигатель. Когда частота вращения достигает асинхронной (95%), дополнительный резистор отключается; О пуске с частотным преобразователем не будем подробно рассказывать. Таким образом, одним из недостатков синхронного двигателя является необходимость установки дополнительного оборудования для пуска.
Синхронный двигатель работает за счет тока возбуждения; в отсутствие возбуждения двигатель становится асинхронным. Возбуждение представляет собой систему постоянного тока, подаваемую на ротор, скорость вращения и полярность которой совпадают со скоростью и полярностью статора. В случае неисправности системы возбуждения двигатель теряет синхронизацию, не может восстановить ее и запускает защиту «неисправность возбуждения», что приводит к отключению двигателя.
Таким образом, вторым недостатком синхронных двигателей является необходимость установки устройства возбуждения, которое раньше питалось напрямую от двигателя постоянного тока, а сейчас в большинстве случаев питается от тиристорного выпрямителя. Как гласит старая поговорка: чем сложнее конструкция и чем больше устройств, тем больше точек отказа и тем выше вероятность выхода из строя.
С учетом эксплуатационных характеристик асинхронных двигателей они в основном применяются для привода таких нагрузок, как подъемники, мельницы, вентиляторы, компрессоры, прокатные станы и водяные насосы.
Таким образом, при выборе электродвигателя следует руководствоваться следующим принципом: при условии, что его технические характеристики соответствуют требованиям производственного оборудования, предпочтение следует отдавать двигателям, отличающимся простотой конструкции, низкой стоимостью, надежностью работы и удобством технического обслуживания. В этом отношении асинхронные двигатели переменного тока превосходят двигатели постоянного тока, асинхронные двигатели переменного тока — синхронные двигатели переменного тока, а асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором — асинхронные двигатели с обмоточным ротором.
Для производственного оборудования, работающего в режиме непрерывной работы с равномерной нагрузкой и не предъявляющего особых требований к пуску и торможению, предпочтительно использовать обычные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, которые широко применяются в машиностроении, а также в насосах, вентиляторах и т. п.
Для производственного оборудования, требующего частых пусков и торможений, а также значительного пускового и тормозного момента, такого как мостовые краны, шахтные подъемники, воздушные компрессоры и нереверсивные прокатные станы, следует использовать асинхронные двигатели с обмоткой.
В случаях, когда не требуется регулировка скорости, а необходима постоянная частота вращения или требуется улучшение коэффициента мощности, следует использовать синхронные электродвигатели, например, в насосах средней и большой мощности, воздушных компрессорах, подъемных механизмах, мельницах и т. п.
Для производственного оборудования, требующего диапазона регулирования скорости не менее 1:3, а также непрерывного, стабильного и плавного регулирования скорости, рекомендуется использовать двигатели постоянного тока с внешним возбуждением, асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором с частотно-регулируемым приводом или синхронные двигатели. К такому оборудованию относятся, например, крупные прецизионные станки, портальные строгальные станки, прокатные станы, подъемники и т. д.
Для производственного оборудования, требующего большого пускового момента и плавной динамики, используются двигатели постоянного тока с последовательным или двойным возбуждением, например, в трамваях, электровозах, тяжелых кранах и т. п.
II. Номинальная мощность
Номинальная мощность электродвигателя — это выходная мощность, то есть мощность на валу, которую также называют номинальной мощностью; это один из основных параметров электродвигателя. Когда люди спрашивают, «какой мощности» электродвигатель, они обычно имеют в виду не его размеры, а номинальную мощность. Это важнейший показатель, характеризующий способность электродвигателя приводить в движение нагрузку, а также обязательный параметр, который необходимо указывать при подборе электродвигателя.
(где — номинальная мощность, — номинальное напряжение, — номинальный ток, cosθ — коэффициент мощности, η — КПД)
Принцип правильного выбора мощности электродвигателя заключается в том, чтобы определить наиболее экономичную и рациональную мощность двигателя при условии, что он способен выдержать нагрузку производственного оборудования. Если мощность выбрана слишком большой, это приведет к увеличению капиталовложений в оборудование и к растрате средств, а также к тому, что двигатель будет часто работать с недостаточной нагрузкой, что снизит его КПД и коэффициент мощности; напротив, если мощность выбрана слишком маленькой, двигатель будет работать с перегрузкой, что приведет к его преждевременному выходу из строя.
Существует три фактора, определяющих основную мощность электродвигателя:
1) Нагрев и повышение температуры двигателя — это основные факторы, определяющие мощность двигателя;
2) Допустимая кратковременная перегрузка;
3) В случае асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором необходимо также учитывать пусковую способность.
В первую очередь, для конкретного производственного оборудования рассчитывается и выбирается мощность нагрузки с учетом тепловыделения, повышения температуры и требований к нагрузке; затем на основе мощности нагрузки, режима работы и требований к перегрузке производится предварительный выбор номинальной мощности электродвигателя. После предварительного выбора номинальной мощности электродвигателя необходимо проверить его тепловыделение, способность выдерживать перегрузки и, при необходимости, пусковую способность.
Если хотя бы один из этих параметров не соответствует требованиям, необходимо выбрать другой двигатель и повторить расчет до тех пор, пока все параметры не будут соответствовать требованиям. Поэтому режим работы также является одним из обязательных требований; если требования отсутствуют, по умолчанию применяется самый обычный режим работы S1; для двигателей с требованиями по перегрузке необходимо также указать коэффициент перегрузки и соответствующее время работы; при использовании асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором для привода вентиляторов и других нагрузок с большим моментом инерции необходимо также предоставить данные о моменте инерции нагрузки и график кривой пускового сопротивления для проверки пусковой способности.
Вышеуказанные рекомендации по выбору номинальной мощности приведены для стандартной температуры окружающей среды 40 °C. В случае изменения температуры окружающей среды, в которой работает двигатель, необходимо скорректировать его номинальную мощность. Согласно теоретическим расчетам и практическому опыту, при различных температурах окружающей среды мощность двигателя можно приблизительно увеличить или уменьшить в соответствии с приведенной ниже таблицей.
Поэтому в регионах с суровыми климатическими условиями необходимо учитывать температуру окружающей среды; например, в Индии двигатели следует проверять при температуре 50 °C. Кроме того, высота над уровнем моря также влияет на мощность двигателя: чем выше высота, тем больше нагрев двигателя и тем меньше выходная мощность. При этом при эксплуатации двигателей на больших высотах необходимо учитывать влияние коронного разряда.
Что касается диапазона мощности электродвигателей, представленных в настоящее время на рынке, приведем несколько данных для справки.
Двигатель постоянного тока: ZD9350 (мельница) 9350 кВт
Асинхронный двигатель: короткозамкнутый YGF1120-4 (вентилятор доменной печи) 28 000 кВт
Мотор с обмоткой YRKK1000-6 (мельница для сырья) 7400 кВт
Асинхронный двигатель: TWS36000-4 (вентилятор доменной печи) 36 000 кВт (в экспериментальной установке мощность достигает 40 000 кВт)
3. Номинальное напряжение
Номинальное напряжение электродвигателя — это напряжение в цепи при номинальном режиме работы.
Выбор номинального напряжения электродвигателя зависит от напряжения питания, подаваемого в данное предприятие энергосистемой, а также от мощности электродвигателя.
Выбор номинального напряжения асинхронного двигателя в основном зависит от уровня напряжения в электросети места эксплуатации. Обычно напряжение в сетях низкого напряжения составляет 380 В, поэтому номинальное напряжение бывает трех видов: 380 В (соединение Y или Δ), 220/380 В (соединение Δ/Y) и 380/660 В (соединение Δ/Y). При увеличении мощности низковольтных двигателей до определенного уровня (например, 300 кВт при напряжении 380 В) ток ограничивается пропускной способностью проводов, что затрудняет его увеличение или приводит к чрезмерно высокой стоимости.
Для обеспечения высокой выходной мощности необходимо повысить напряжение. Напряжение в сетях высокого напряжения обычно составляет 6000 В или 10 000 В, хотя за рубежом также используются уровни напряжения 3300 В, 6600 В и 11 000 В. Преимуществами двигателей высокого напряжения являются высокая мощность и высокая ударопрочность; их недостатками являются большой инерционный момент, а также сложность при пуске и торможении.
Номинальное напряжение двигателя постоянного тока также должно соответствовать напряжению источника питания. Обычно оно составляет 110 В, 220 В и 440 В. При этом 220 В является наиболее распространенным уровнем напряжения, а для двигателей большой мощности оно может быть увеличено до 600–1000 В. При питании от источника переменного тока 380 В с помощью трехфазной мостовой тиристорной схемы выпрямителя номинальное напряжение двигателя постоянного тока должно составлять 440 В, а при питании от трехфазного полуволнового тиристорного выпрямителя — 220 В.
IV. Номинальная частота вращения
Номинальная частота вращения электродвигателя — это частота вращения при номинальном режиме работы.
Как электродвигатель, так и приводимое им в движение рабочее оборудование имеют свои номинальные частоты вращения. При выборе частоты вращения электродвигателя следует учитывать, что не следует выбирать слишком низкую частоту, поскольку чем ниже номинальная частота вращения электродвигателя, тем больше у него полюсов, тем больше его габариты и тем выше его цена; в то же время не следует выбирать слишком высокую частоту вращения, так как это приведет к чрезмерному усложнению механизма передачи и затруднит его техническое обслуживание.
Кроме того, при постоянной мощности крутящий момент двигателя обратно пропорционален частоте вращения.
Поэтому в случаях, когда требования к пуску и торможению невысоки, можно провести всестороннее сравнение нескольких вариантов номинальной частоты вращения с учетом первоначальных инвестиций в оборудование, занимаемой площади и затрат на техническое обслуживание, а затем окончательно определить номинальную частоту вращения; в то же время, если пуск, торможение и реверс происходят часто, но продолжительность переходных процессов не оказывает существенного влияния на производительность, то, помимо первоначальных инвестиций, при выборе передаточного числа и номинальной частоты вращения двигателя следует руководствоваться в первую очередь условием минимальных потерь в переходных процессах. Например, двигатели подъемников, которым требуется частое вращение в прямом и обратном направлении при очень большом крутящем моменте, имеют очень низкую скорость, большие габариты и высокую стоимость.
При высоких скоростях вращения двигателя необходимо также учитывать его критическую скорость. Во время работы ротор двигателя подвержен вибрации, амплитуда которой увеличивается с ростом скорости вращения и достигает максимального значения при определенной скорости (что обычно называется резонансом). При превышении этой скорости амплитуда постепенно уменьшается с ростом скорости и стабилизируется в определённом диапазоне; скорость, при которой амплитуда вибрации ротора максимальна, называется критической скоростью ротора.
Эта частота вращения равна собственной частоте ротора. При дальнейшем увеличении частоты вращения, по мере приближения к удвоенной собственной частоте, амплитуда колебаний снова увеличивается; когда частота вращения равна удвоенной собственной частоте, это называется критической частотой второго порядка; по аналогии существуют критические частоты третьего, четвертого и т. д. порядков. Если ротор работает на критической скорости, возникают сильные вибрации, а изгиб вала заметно увеличивается; длительная работа может привести к серьезной деформации вала из-за изгиба и даже к его поломке.
Критическая частота вращения двигателя первого порядка обычно составляет более 1500 об/мин, поэтому при эксплуатации обычных низкооборотистых двигателей влияние критической частоты вращения, как правило, не учитывается. Напротив, в случае двухполюсных высокооборотистых двигателей, номинальная частота вращения которых приближается к 3000 об/мин, необходимо учитывать это влияние и избегать длительной эксплуатации двигателя в диапазоне критической частоты вращения.
Как правило, для приблизительного определения двигателя достаточно указать тип приводной нагрузки, номинальную мощность двигателя, номинальное напряжение и номинальную частоту вращения. Однако для оптимального удовлетворения требований нагрузки этих базовых параметров явно недостаточно. Также необходимо предоставить следующие параметры: частота, режим работы, требования к перегрузке, класс изоляции, степень защиты, момент инерции, кривая момента сопротивления нагрузки, способ монтажа, температура окружающей среды, высота над уровнем моря, требования к наружной установке и т. д., в зависимости от конкретных условий.