Электродвигатели. Виды и особенности эксплуатации

Широта сферы использования электроэнергии во многом определяется использованием электродвигателей. В общем случае, это машины, преобразующие электричество в механическую энергию (вращения или поступательного движения). Первый электромотор создан в 1821 году Майклом Фарадеем. С тех пор прошло двести лет, но принципы, положенные в основу устройства и работы электродвигателей изменились мало.

Принцип работы электромотора

Главный принцип, на основании которого электроэнергия превращается в механическую — взаимодействие электромагнитных полей. Поя возникают на обмотках ротора и статора, это, соответственно, подвижная и неподвижная части двигателя. В поперечном сечении ротор представляет собой комплект классических рамок, как в опыте Ампера, через которые протекает ток. Статор, по обмотке которого тоже протекает ток, создает магнитное поле, которое действует на рамку, стараясь повернуть ее в нужном направлении, чтобы она расположилась перпендикулярно линиям поля.

Ротор можно рассматривать, как комплект таких рамок, расположенных под углом друг к другу. Когда включают ток, то на ротор со стороны якоря действует постоянный момент сил, направленные в сторону вращения. Для создания магнитного поля используют как постоянные магниты, так и электромагниты. В промышленных двигателях большой мощности используют электромагниты, пока не изобретено веществ, которые могли бы создавать постоянное магнитное поле высокой мощности без внешних источников энергии.

Типы электродвигателей

Используя в своей работе принцип электромагнитной индукции, двигатели отличаются в важных деталях конструкции. По типу питания моторы подразделяются на работающие от постоянного или переменного тока. Двигатели на переменном токе, в свою очередь, разделены на трехфазные и однофазные. Каждый из типов подразделяется на виды, различающиеся основными и второстепенными деталями.

Двигатели постоянного тока подразделяются по способу возбуждения магнитного поля. Это двигатели с:

• независимым возбуждением;
• параллельным возбуждением;
• последовательным возбуждением;
• смешанным возбуждением.

Главное отличие двигателей постоянного тока — возможность регулировки оборотов с помощью изменения силы тока на роторе и статоре, которая изменяется при помощи реостата, встроенного в цепь питания. Часть электромоторов постоянного тока можно использовать в качестве генератора тока. Также, поменяв полюса, легко изменить направление вращения.

Преимущества моторов постоянного тока:

• небольшие размеры;
• легкость управления;
• быстрый запуск;
• возможность плавной регулировки оборотов;
• простая конструкция.

Среди недостатков можно выделить высокую стоимость, необходимость комплектации блоком питания, быстрый износ токосъемных щеток.

Двигатели переменного тока

Схема мотора рассчитана на питание от сети электрического тока с рабочей частотой 50 Гц (промышленный ток). Но, в зависимости от модели, частота может отличаться. Подразделяются двигатели переменного тока на:

• синхронные и асинхронные;
• одно, двух и трехфазные.

По конструкции двигатели переменного тока проще, чем постоянного, мощнее и более выносливые. Стоимость более низкая. Учитывая то, что расходы на подачу переменного тока намного ниже, чем постоянного, большинство промышленного оборудования оснащено именно моторами переменного тока, что исключает необходимость в установке выпрямителей и инверторов. Большинство двигателей подключают непосредственно к сети.

Синхронные электродвигатели

Как и двигатель постоянного тока, синхронный можно использовать в качестве генератора. Синхронный двигатель состоит из:

• статора (неподвижной части, якоря);
• ротора (подвижной части);
• контактных колец;
• щеток;
• вентилятора обдува;
• узла возбуждения.

Статор и ротор представляют собой катушки с обмотками на ферромагнитных сердечниках из специальных марок стали. Сердечники предназначены для снижения магнитного сопротивления. При включении тока, статор генерирует вращающееся магнитное поле, которое воздействует на ротор и проворачивает его. Частота вращения ротора точно соответствует частоте магнитного поля, что и определило название «синхронный двигатель».

Преимущества синхронного двигателя:

• работа под высокими нагрузками;
• более высокий, чем у асинхронных моделей, КПД;
• равномерная нагрузочная способность, независимо от перепадов напряжения в сети;
• сохранение частоты вращения, независимо от нагрузки на валу;
• экономный расход энергии.

Недостатки синхронного двигателя заключаются в необходимости установки пускового устройства (возбудителя), более сложная конструкция. Особенно хорошо проявляют себя двигатели постоянного тока в составе оборудования, где требуется длительная работа с большими интервалами между пуском и остановкой.

Асинхронные электродвигатели

Изобретен такой двигатель в конце 19 столетия. Отличие от синхронного состоит в том, что магнитные поля ротора и статора, создаваемые обмотками, вращаются с разной частотой. Это приводит к некоторому отставанию оборотов ротора. Отставание ротора позволяет поддерживать постоянный момент силы, вращающий ротор. Когда ротор «догонит» магнитное поле статора, движущая сила исчезнет и мотор остановится.

Ток в роторе возбуждает магнитное поле статора, подводить к обмоткам энергию извне не нужно. Это упрощает конструкцию за счет отсутствия щеток и других контактных узлов. Меняя положение клемм на колодке питания, можно направить вращение в обратную сторону. Скорость вращения регулируют, изменяя частоту тока питания с помощью специальных устройств — преобразователей.

Преимущества асинхронных двигателей:

• простота конструкции;
• надежность, износиться могут только подшипники узлов вращения вала;
• низкая стоимость;
• простота подключения.

Частота вращения вала асинхронного двигателя зависит от нагрузки, что не всегда удобно, особенно в механизмах высокой точности. Но в большинстве случаев для промышленного оборудования выбирают именно асинхронные моторы, как более дешевые, надежные и простые в подключении. Для регулировки частоты вращения блоки управления комплектуются частотными преобразователями.

Вентильные электродвигатели

Один из главных недостатков электромоторов постоянного тока — сложность щеточного узла. Наличие пар трения приводит к износу, как контактов ротора, так и щеток. В процессе работы такие двигатели создают радиопомехи, искрят, что может привести к воспламенению паров и пыли в помещении. Но ряд полезных качеств двигателей на постоянном токе не позволяет обходиться без них в разных сферах производства и на транспорте. В результате конструкторских поисков получилось разработать новый тип моторов — вентильный.

Щеточный механизм заменен полупроводниковой схемой, ротор оснащен постоянными магнитами. К двум системам классического электродвигателя, механической и электрической, добавлена третья — электронная.

Если рассматривать конструкцию более глубоко, то вентильный двигатель представляет собой модифицированную версию коллекторного мотора на постоянном токе. В конструкции узла управления предусмотрен датчик Холла, регулирующий подучу тока на обмотки статора в зависимости от угла поворота ротора. Сам ротор собран на базе постоянных магнитов с парным количеством чередующихся полюсов, от 2 до 8.

Магниты на основе ферритных материалов дешевле, но создают невысокую индукцию и применяются на маломощных двигателях. Редкоземельные магниты меньше по размеру, значительно мощнее. Двигатели получаются более компактными и мощными.

Статор вентильного двигателя состоит из трех обмоток, подключенных по схеме «звезда» без центрального отвода. Угол между контурами обмоток — 120о. По внешнему виду якорь мало отличается от этого узла асинхронных двигателей. Но ряд вентильных моделей комплектуют статорами с большим количеством обмоток, соединенный как «звездой», так и «треугольником». В случае соединения звездой двигатель вырабатывает больший крутящий момент, а при треугольнике развивает высокие обороты.

Обратная связь в двигателе осуществляется при помощи безынерционных датчиков положения. Также в электронном блоке могут находиться термодатчики, тахометры, другие устройства, позволяющие поддерживать точную частоту в режиме стабилизации скорости. Электроника работает таким образом, что вектор магнитного поля статора всегда направлен перпендикулярно линиям поля ротора. Это обеспечивает максимальное усилие и быстрый запуск мотора.

Кроме вентильных двигателей постоянного тока по похожей схеме построены моторы переменного тока, одно и трехфазные. Самые дорогие двигатели — четырехфазные, характеризуются отсутствием пульсаций. Применяются в точной механике.

Преимущества вентильных двигателей:

• высокий КПД;
• широкий диапазон скоростей;
• отличные динамические характеристики;
• отсутствие риска искрообразования;
• отсутствие щеточного узла.

К недостаткам относится сложность управления, высокая цена, шум при работе.

Расчет мощности электродвигателя

Если на двигателе нет таблички (шильдика) с рабочими параметрами, то мощность можно рассчитать несколькими способами. Первый из них — по синхронной частоте вращения. Для этого понадобиться мультиметр. Все измерения проводятся при отключенном от сети моторе.

Подключив установленный в позицию 100µA мультиметр к началу и конце одной из обмоток, проворачиваем вал на один полный оборот. При этом считаем количество отклонений стрелки прибора от нуля. Количество отклонений показывает число полюсов, а в зависимости от этой цифры определяют обороты вала.

• 2 полюса — 3000 об/мин;
• 4 – 1500 об/мин;
• 6 – 1000 об/мин;
• 8 – 750 об/мин.

Далее необходимо провести метрические измерения: диаметр и длину вала, параметры лап, высоту оси вала, размеры фланца. Для определения мощности необходима специальная таблица, в которой приведены данные по мощности в зависимости от установочных размеров и частоты вращения.

Для второго способа определения мощности необходимы токоизмерительные клещи. Открыв клеммную коробку, необходимо расправить провода таким образом, чтобы к ним был легкий доступ. Делают это тоже при отключенном от сети кабеле питания. Затем двигатель запускается и оставляется в режиме холостого хода на 1 – 2 минуты, после чего замеряется потребляемый ток на одной фазе.

Напряжение замеряем при установленном на 750 В регуляторе режимов работы клещей. Для подключения щупов выбирает одну из позиций — «U1-V1», «V1-W1» или «U1-W1». Полученные замеры подставляем в формулу:

S=1.73×I×U,

Здесь I – сила тока, U – напряжение, S – мощность.

Точность определения мощности не зависит от способа соединения обмоток.

Для получения мощности на валу двигателя, необходимо использовать еще одну формулу — P=S×cosφ×(η÷100), здесь η – КПД двигателя, cosφ – коэффициент асинхронного электродвигателя. Усредненные данные η = 85%, cosφ – 0,8.

Потребляемая мощность двигателя всегда выше, чем мощность на валу из-за тепловых, инерционных, индукционных и других потерь.

Самый простой способ определения мощности двигателя — замеры по счетчику электроэнергии. Отключив все потребители на участке цепи, к которому подключен двигатель, запускаем его и замеряем количество использованной электроэнергии за определенное время. Пересчитываем показатели в кВт/ч. Это будет потребляемая мощность. Затем умножаем полученную цифру на 0,75 для маломощных двигателей небольшого размера, и на 0,85 для промышленных моторов. Это будет эффективная мощность, развиваемая электромотором.

Расчет пускового тока электродвигателя

Эксплуатация электродвигателей отличается рядом нюансов, касающихся силы тока. Например, при подключении мотора к сети 220 В потребуется бо́льшая сила тока, чем при включении того же двигателя на 3 фазы. Также отличается пусковой и номинальный токи, причем здесь отличие больше, в несколько раз.

Номинальный ток указан на шильдике двигателя, например 12,1/7 А. Эта надпись означает, что при подключении двигателя в сеть 220 В сила тока потребления будет 12,1А, а при включении на три фазы — 7А. Связаны эти показатели формулой:

Iн = Pн/(√3Uн х η х cosφ), если известный номинальный ток при одном из видов подключения, то найти силу тока по другому варианту можно их соотношения:

√3 х 380 х Iн3 = √3 х 220 х Iн1.

В случае, когда шильдика нет, или надписи не читаются, но известна мощность двигателя, силу тока можно рассчитать исходя из коэффициента — 2А = 1 кВт. Расчет будет приблизительным, но позволит сориентироваться в параметрах сети. При расчете необходимо учитывать, что чем выше мощность двигателя, тем более точный показатель силы тока получится.

Расчеты касаются работы двигателя при номинальной нагрузке. В режиме холостого хода сила тока значительно ниже, при перегрузке и перегреве — выше. Но особенно высокий пусковой ток. Он может превышать номинальный в 5 – 8 раз. Для определения пускового применяют коэффициент кратности:

N= Iпуск/Iном

Для каждого типа двигателя этот коэффициент рассчитывается индивидуально и указывается на шильдике. Если информации на табличке нет, легко найти ее в справочниках. Коэффициент перевода может находиться в пределах 4 – 8. Например, при номинальной силе тока в 7 А и коэффициенте 4, пусковой ток будет равен 28А.

Величину пускового тока необходимо знать для расчета сечения кабелей, плавких предохранителей, кнопок рубильников и другого оборудования. К максимальной величине пусковой ток поднимается на короткое время, но нескольких секунд вполне достаточно, чтобы воспламенился маломощный кабель, или сработал защитный автомат. Для снижения силы пускового тока широко используют специальные устройства плавного старта.

Режимы работы электродвигателя

Каждый из типов электродвигателей рассчитан на определенный режим эксплуатации. Это определяется типом обмотки, материалами изготовления, видом изоляции проводов, способом охлаждения и другими параметрами. Основных режимов 9. Кратко рассмотрим каждый из них:

• · S1 – продолжительный, двигатель работает длительное время под постоянно нагрузкой;
• · S2 – кратковременный, эксплуатация рассчитана под быстрый выход на рабочий режим, длительность включения — 60 – 90 минут;
• · S3 – повторно-кратковременный, двигатель не успевает прогреться до максимально допустимой температуры и остыть во время остановки;
• · S4 — работа в режиме 3, но с частыми пусками;
• · S5 — режим S3, но с торможением вала;
• · S6 – периодический, с кратковременной нагрузкой и длительным простоем;
• · S7 – периодический, с торможением в конце операции;
• · S8 – периодический, с переменной нагрузкой;
• · S9 – особый, изменяется и нагрузка и частота вращения по произвольной схеме, возможны торможения и перегрузки.

Перед тем, как выбрать двигатель, необходимо тщательно изучить особенности работы оборудования, для которого он предназначен.

Климатическое исполнение

Распространенность электрических приводов определяет их эксплуатацию в самых разных условиях, в том числе и достаточно суровых. Герметичность корпуса, эффективность охлаждения, материалы изготовления определяют возможность установки мотора в тех или иных условиях. Таких исполнений насчитывается 7:

• У1 — эксплуатация на открытом воздухе в районах с умеренным климатом;
• У2 — установка под навесом, или в помещении в районах умеренного климата;
• У3 — установка в вентилируемом помещении;
• Т 1 (2, 3) — для сухого и влажного тропического климата (1, 2 и 3 — открытый воздух, навес и помещение);
• УХЛ1 — умеренно холодный климат с установкой на улице;
• УХЛ 4 — умеренно холодный климат с установкой в помещении;
• УТ1.5 — Универсальные.

Энергоэффективность

Под понятием энергоэффективности подразумевается соотношение затрат на оплату электроэнергии, использованной на питание двигателей и полезной работы. По стандарту IEC60034-30-1 все двигатели подразделяются на классы:

• IE1 –стандарт;
• IE2 – высокая эффективность;
• IE3 – сверхвысокий;
• IE4 – премиум.

При выборе двигателя необходимо учитывать также стоимость оборудования и срок окупаемости. Не всегда выгодно покупать моторы IE4, если они включаются на несколько часов в день, а то и в неделю. Но так же нецелесообразно покупать дешевые двигатели IE1 для производственных линий, которые работают практически в круглосуточном режиме. Во всем должно соблюдаться равновесие.