Что следует учитывать при выборе асинхронного электродвигателя — Control Engineering Russia

Расчет мощности электродвигателя формулы

Преобразование электрической энергии в кинетическую осуществляется при помощи различных типов электродвигателей. Чаще всего электродвигатели выполняют функцию электроприводов машин и механизмов, применяются для обеспечения работы насосного оборудования, вентиляционных систем и многих других агрегатов и устройств. В связи с таким широким применением, особую актуальность приобретает расчет мощности электродвигателя. Для этих целей разработано много различных методов, позволяющих выполнить расчеты, применительно к конкретным условиям эксплуатации.

  1. Основные типы электродвигателей
  2. Расчет мощности электродвигателя для насоса
  3. Расчет мощности двигателя формула для компрессора
  4. Формула расчета для вентиляторов
  5. Расчет пускового тока электродвигателя
  6. Режимы работы электродвигателей

Основные типы электродвигателей

Существует множество типов и модификаций электродвигателей. Каждый из них обладает собственной мощностью и другими параметрами.

Основная классификация разделяет эти устройства на электродвигатели постоянного и переменного тока. Первый вариант применяется значительно реже, поскольку для его эксплуатации требуется обязательное наличие источника постоянного тока или устройства, преобразующего переменное напряжение в постоянный ток. Выполнение данного условия в современном производстве потребует значительных дополнительных затрат.

Но, несмотря на существенные недостатки, двигатели постоянного тока имеют высокий пусковой момент и стабильно работают даже при больших перегрузках. Благодаря своим качествам, эти агрегаты нашли широкое применение на электротранспорте, в металлургической и станкостроительной отрасли.

Тем не менее, большинство современного оборудования работает с двигателями переменного тока. В основе действия этих устройств лежит электромагнитная индукция, которую создает в магнитном поле проводящая среда. Магнитное поле создается с помощью обмоток, обтекаемых токами, или с применением постоянных магнитов. Электродвигатели, работающие на переменном токе, могут быть синхронными и асинхронными.

Использование синхронных электродвигателей практикуется в оборудовании, где требуется постоянная скорость вращения. Это генераторы постоянного тока, насосы, компрессоры и другие аналогичные установки. Различные модели отличаются собственными техническими характеристиками. Например, значение скорости вращения может находиться в пределах 125-1000 оборотов в минуту, а мощность достигает 10 тыс. киловатт.

Во многих конструкциях имеется короткозамкнутая обмотка, расположенная на роторе. С ее помощью, в случае необходимости, производится асинхронный пуск, после чего синхронный двигатель продолжает работу в обычном режиме, максимально сокращая потери электрической энергии. Эти двигатели отличаются небольшими размерами и высоким коэффициентом полезного действия.

Гораздо более широкое распространение в производственной сфере получили асинхронные двигатели переменного тока. Они отличаются очень высокой частотой вращения магнитного поля, значительно превышающей скорость вращения ротора. Существенным недостатком этих устройств считается снижение КПД до 30-50% от нормы при низких нагрузках. Кроме того, во время пуска параметры тока становятся в несколько раз больше по сравнению с рабочими показателями. Данные проблемы устраняются путем использования частотных преобразователей и устройств плавного пуска.

Асинхронные двигатели используются на тех объектах, где требуются частые включения и выключения оборудования, например, в лифтах, лебедках, и других устройствах.

Расчет мощности электродвигателя для насоса

Выбор электродвигателя для насосной установки зависит от конкретных условий, прежде всего – от схемы водоснабжения. В большинстве случаев подача воды производится с помощью водонапорного бака или водонапорного котла. Для приведения в действие всей системы используются центробежные насосы с асинхронными двигателями.

Выбор оптимальной мощности насоса осуществляется в зависимости от потребности в подаче и напоре жидкости. Подача насоса QH измеряется в литрах, подаваемых в 1 час, и обозначается как л/ч. Данный параметр определяется по следующей формуле: Qн = Qmaxч = (kч х kсут х Qср.сут) / (24 η), где Qmaxч — возможный максимальный часовой расход воды, л/ч, kч – коэффициент неравномерности часового расхода, kсут — коэффициент неравномерности суточного расхода (1,1 – 1,3), η — КПД насосной установки, с учетом потерь воды), Qср.сут — значение среднесуточного расхода воды (л/сут).

Оптимальный напор воды должен обеспечивать ее подачу в установленное место при условии необходимого давления. Требуемые параметры напора насоса (Ннтр) зависят от высоты всасывания (Нвс) и высоты нагнетания (Ннг), которые в сумме определяют показатели статического напора (Нс), потери в трубопроводах (Hп) и разность давлений верхнего (Рву) и нижнего (Рну) уровней.

Исходя из того, что значение напора будет равно H = P/ρg, где Р — давление (Па), ρ — плотность жидкости (кг/м 3 ), g = 9,8 м/с2 — ускорение свободного падения, g — удельный вес жидкости (кг/м 3 ), получается следующая формула: Ннтр = Hc + Hп + (1/ρ) х (Рву – Рну).

После вычисления расхода воды и напора по каталогу уже можно выбрать насос с наиболее подходящими параметрами. Чтобы не ошибиться с мощностью электродвигателя, ее нужно определить по формуле: Pдв = (kз х ρ х Qн х Нн) / (ηн х ηп), где kз является коэффициентом запаса, зависящим от мощности электродвигателя насоса и составляет 1,05 – 1,7. Этот показатель учитывает возможные утечки воды из трубопровода из-за неплотных соединений, разрывов трубопровода и прочих факторов, поэтому электродвигатели для насосов должны иметь некоторый запас мощности. Чем больше мощность, тем меньше коэффициент запаса можно принять.

Например,при мощности электродвигателя насоса 2 кВт – kз = 1,5, 3,0 кВт – kз = 1,33, 5 кВт – kз =1,2, при мощности больше 10 кВт- kз = 1,05 – 1,1. Другие параметры означают: ηп – КПД передачи (прямая передача – 1,0, клиноременная – 0,98, зубчатая – 0,97, плоскоременная – 0,95), ηн — КПД насосов поршневых 0,7 – 0,9, центробежных 0,4 – 0,8, вихревых 0,25 – 0,5.

Расчет мощности двигателя формула для компрессора

Выбирая электродвигатель, наиболее подходящий для работы того или иного компрессора, необходимо учитывать продолжительный режим работы данного механизма и постоянную нагрузку. Расчет требующейся мощности двигателя Рдв осуществляется в соответствии с мощностью на валу основного механизма. В этом случае следует учитывать потери, возникающие в промежуточном звене механической передачи.

Дополнительными факторами являются мощности, назначение и характер производства, на котором будет эксплуатироваться компрессорное оборудование. Они оказывают определенное влияние, в связи с чем оборудование может потребовать незначительных, но постоянных регулировок для поддержки производительности на должном уровне.

Определить мощность двигателя можно по формуле: , в которой:

  • Q – значение производительности или подачи компрессора (м 3 /с);
  • А – работа по совершению сжатия (Дж/м 3 );
  • ηк – индикаторный КПД (0,6-0,8) для учета потерь мощности при реальном сжатии воздуха;
  • ηп – механический КПД (0,9-0,95) учитывающий передачу между двигателем и компрессором;
  • кз– коэффициент запаса (1,05-1,15) для учета факторов, не поддающихся расчетам.

Работа А рассчитывается по отдельной формуле: А = (Аи + Аа)/2, где Аи и Аа представляют собой соответственно изотермическое и адиабатическое сжатие.

Значение работы, которую необходимо совершить до появления требуемого давления, можно определить с помощью таблицы:

Типичная работа компрессора характеризуется продолжительным режимом работы. Реверсивные электроприводы, как правило, отсутствуют, включения и выключения крайне редкие. Поэтому наиболее оптимальным вариантом, обеспечивающим нормальную работу компрессоров, будет синхронный электрический двигатель.

Формула расчета для вентиляторов

Вентиляторы широко применяются в самых разных областях. Устройства общего назначения работают на чистом воздухе, при температуре ниже 80 . Воздух с более высокой температурой перемещается с помощью специальных термостойких вентиляторов. Если приходится работать в агрессивной или взрывоопасной среде, в этих случаях используются модели антикоррозийных и взрывобезопасных устройств.

В соответствии с принципом действия, вентиляторные установки могут быть центробежными или радиальными и осевыми. В зависимости от конструкции, они развивают давление от 1000 до 15000 Па. Поэтому мощность, потребная для привода вентилятора, рассчитывается в соответствии с давлением, которое необходимо создать.

С этой целью используется формула: Nв=Hв·Qв/1000·кпд, в которой Nв – мощность, потребная для привода (кВт), Hв – давление, создаваемое вентилятором (Па), Qв – перемещаемый объем воздуха (м 3 /с), кпд – коэффициент полезного действия.

Для расчета мощности электродвигателя используется формула:, где значения параметров будут следующие:

  • Q – производительность агрегата;
  • Н – давление на выходе;
  • ηв – коэффициент полезного действия вентилятора;
  • ηп – коэффициент полезного действия передачи;
  • кз – коэффициент запаса, зависящий от мощности электродвигателя. При мощности до 1 кВт кз = 2; от 1 до 2 кВт кз = 1,5; при 5 кВт и выше кз = 1,1-1,2.

Данная формула позволяет рассчитывать мощность электродвигателей под центробежные и осевые вентиляторы. Для центробежных конструкций КПД составляет 0,4-0,7, а для осевых – 0,5-0,85. Другие расчетные характеристики имеются в специальных каталогах для всех типов электродвигателей.

Запас мощности не должен быть слишком большим. Если он будет слишком большой, КПД привода заметно снизится. Кроме того, в двигателях переменного тока может снизиться коэффициент мощности.

Расчет пускового тока электродвигателя

В момент запуска электродвигателя его вал остается в неподвижном состоянии. Для того чтобы он начал раскручиваться, необходимо приложить усилие, значительно больше номинального. В связи с этим пусковой ток также превышает номинал. В процессе раскручивания вала происходит постепенное плавное уменьшение тока.

Читайте также:  Характеристики двигателя ВАЗ 21116 1

Влияние пусковых токов негативно сказывается на работе оборудования, в основном из-за резких провалов напряжения. Для того чтобы уменьшить их отрицательное воздействие, применяются различные способы. В процессе разгона, схемы электродвигателя переключаются со звезды на треугольник, используются частотные преобразователи и электронные устройства плавного пуска.

Вначале рассчитывается значение номинального тока двигателя, в соответствии с его типом и номинальной мощностью. Для устройств постоянного тока формула будет выглядеть следующим образом:

У электродвигателей переменного тока номинальный ток определяется по другой формуле:

Все параметры имеют соответствующие обозначения:

  • РН – значение номинальной мощности двигателя;
  • UH – значение номинального напряжения двигателя;
  • ηH–КПД электродвигателя;
  • cosfH – соответствует коэффициенту мощности двигателя.

После расчетов номинального тока можно вычислить значение пускового тока по формуле:, в которой:

  • IH – номинальное значение тока, определенное ранее;
  • Кп–кратность постоянного тока к номиналу.

Значение пускового тока рассчитывается для каждого двигателя, имеющегося в электрической цепи. В соответствии с его величиной выбирается автоматический выключатель, обеспечивающий защиту всей цепи.

Режимы работы электродвигателей

Нагрузка на электродвигатель определяется режимом его работы. Она может оставаться неизменной или изменяться в зависимости от условий эксплуатации. При выборе двигателя обязательно учитывается характер и значение предполагаемой нагрузки. С учетом этого фактора выполняется расчет мощности электродвигателя.

Режимы, в которых работают электродвигатели:

  • S1 – продолжительный режим. Нагрузка не меняется в течение всего периода эксплуатации. Температура двигателя достигает установленного значения.
  • S2 – кратковременный режим. В этом случае в период работы температура не успевает достигнуть нужного значения. При отключении происходит охлаждение двигателя до температуры окружающей среды.
  • S3 – периодически-кратковременный режим. В процессе работы двигателя производятся периодические отключения. В эти периоды температура двигателя не может достигнуть нужного значения или стать такой же, как в окружающей среде. При расчетах двигателя, в том числе и мощности, учитываются все паузы и потери, их продолжительность. Одним из важных критериев выбора агрегата, считается допустимое число включений за определенный отрезок времени.
  • S4 – периодически-кратковременный режим с частыми пусками.
  • S5 – периодически-кратковременный режим с электрическим торможением. Оба режима S4 и S5 работают также, как и S3.
  • S6 – периодически-непрерывный режим с кратковременной нагрузкой. Эксплуатация двигателя осуществляется под нагрузкой, которая чередуется с холостым ходом.
  • S7 – периодически-непрерывный режим с электрическим торможением.
  • S8 – периодически-непрерывный режим, в котором одновременно изменяется нагрузка и частота вращения.
  • S9–режим, когда нагрузка и частота вращения изменяются не периодически.

Как правильно выбрать электрический двигатель

Электрический двигатель — это электромеханическое устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую. Чаще всего эта механическая энергия характеризуется частотой вращения и крутящим моментом двигателя.

В данном руководстве по покупке будут рассмотрены только двигатели этого типа. Линейные двигатели будут рассмотрены в другом руководстве.

Считается, что на долю систем с электродвигателем приходится 46% мирового потребления электроэнергии. В промышленности электродвигатели встречаются повсеместно. Они приводят в действие насосы, компрессоры и конвейеры , а также вентиляторы, воздуходувки, дрели, мешалки. Электродвигатели по праву можно назвать трудоголиками промышленности.

Каковы критерии выбора электрического двигателя?

Электродвигатель позволяет выполнять различные типы движений: быстрые, точные, непрерывные, с переключением передач или без него. Все эти приложения требуют определенной технологии двигателя.

  1. В первую очередь, необходимо выбрать одну из трех основных групп электродвигателей :
    • Асинхронный двигатель AC (монофазовый или трехфазовый)
    • Синхронный двигатель : двигатель DC (с постоянным током), бесщеточный и т.д.
    • Шаговый двигатель
  1. Затем необходимо определить тип применения, потому что именно он определяет выбор двигателя в этих трех групп:
    • Если вы хотите, чтобы ваш двигатель работал непрерывно и без переключения передач, вам следует выбирать асинхронный двигатель.
    • Для приложений, требующих высокого ускорения, синхронный двигатель является обязательным условием.
    • Наконец, для точного позиционирования лучше выбрать шаговый двигатель.
  1. В зависимости от требуемого движения, вам также необходимо будет определить технические характеристики и размеры двигателя:
    • Что касается технических характеристик, то необходимо определить мощность, крутящий момент и скорость двигателя.
    • При определении размера следует учитывать габаритность (размер двигателя) и тип монтажа (способ крепления двигателя в системе).
  1. Выбор типоразмеров и надежности двигателя также зависит от промышленной среды, в которой будет использоваться двигатель :
    • Существует конструкция, адаптированная к любому типу рабочей среды (взрывоопасность, влажность, коррозийность, высокие температуры…).
    • Для особо сложных условий окружающей среды, существуют двигатели с армированными, герметичными, ударопрочными или грязестойкими корпусами.
  1. Наконец, энергетическая эффективность стала в последнее время важным критерием, который необходимо учитывать при выборе двигателя:
    • Электродвигатель, потребляющий меньше энергии, позволит уменьшить расходы на электричество.

Как сделать выбор между двигателем AC и двигателем DC ?

Эти два типа двигателей имеют разную конструкцию :

  • Основное различие заключается в источнике питания: переменный ток (однофазный или трехфазный) и постоянный ток (CC/DC), например, для аккумуляторов.
  • Скорость является еще одной отличительной чертой. Скорость двигателя AC регулируется изменением тока в двигателе, в то время как скорость двигателя DC регулируется изменением частоты, как правило, с помощью преобразователя частоты. Таким образом, двигатели AC работают быстрее, чем двигатели DC.

Двигатели AC являются самыми используемыми двигателями в промышленности, потому что они имеют целый ряд преимуществ:

  • Простая конструкция
  • Экономичность за счет меньшего потребления при запуске
  • Прочность, а следовательно, более длительный срок службы.
  • Отсутствие технического обслуживания

Их функционирование включает синхронизацию между вращением ротора и частотой тока, скорость двигателей AC остается постоянной. Они особенно подходят для типов использования, требующих постоянного движения и незначительного изменения скорости. Насосы, конвейеры и вентиляторы являются идеальной сферой применения для данного типа двигателя.

Они также могут быть интегрированы в системы, не требующие высокой точности, если они используются с переменной скоростью.

С другой стороны, функции регулирования скорости повышают цену двигателя.

Двигатели AC подразделяются на две группы : монофазные двигатели и трехфазовые двигатели.

  • Монофазные двигатели отличаются:
    • Электрической мощностью (в кВт), которая будет определять крутящий момент
    • Количеством полюсов, которое определит скорость вращения
    • Способом монтажа: фланец (B14, B5) или кронштейн (B3)
    • Высокой эффективностью
    • Меньшей мощностью, чем промышленные двигатели
    • Возможностью их использования в быту .
  • Трехфазовые двигатели отличаются:
    • Конструкцией, которая позволяет передавать гораздо большую электрическую мощность, чем однофазный электродвигатель.
    • Использованием в промышленной среде (примерно 80%)
    • Их использование для инфраструктур и оборудования, требует высокой мощности.

Двигатели DC также очень распространены в промышленности, поскольку имеют важные преимущества в зависимости от конструкции (см. раздел о бесщеточном двигателе):

  • Они точные и быстрые.
  • Их скорость можно регулировать путем изменения напряжения питания.
  • Они просты в установке, даже в мобильных (работающих на аккумуляторе) системах.
  • Высокий пусковой момент.
  • Запуск, остановка, ускорение или реверсирование выполняется быстро.

Они отлично подходят для приложений, требующих больших ускорений и большой точности, как в случае с лифтами, или для приложений, связанных с работой роботов или станков.
Они также могут быть интересны для применений, требующих высокой мощности (например, 10 000 кВт).

Однако, в зависимости от конструкции, они имеют определенные недостатки по сравнению с двигателями AC:

  • Они менее распространены, потому что они менее пригодны для применений, требующих высокой мощности.
  • Они состоят, в основном, из изнашивающихся деталей, замена которых является дорогостоящей.

3. Каковы сегодня тенденции на рынке?

  • Щеточные двигатели DC все меньше используются в промышленности. Для маломощных двигателей вместо них используются двигатели AC, которые не требуют особого технического обслуживания при эквивалентном использовании.
  • Поскольку детали двигателей DC слишком дороги, некоторые производители предпочитают двигатели AC, в которые они интегрируют электрический контроллер.
    • Комбинация асинхронного двигателя и преобразователя частоты стала экономически эффективным решением для большинства приложений, требующих изменения частоты вращения.

Каковы преимущества выбора бесщеточного или щеточного двигателя?

Двумя наиболее распространенными типами двигателей DC являются щеточные и бесщеточные двигатели.

Щеточные двигатели являются самыми простыми и часто используемыми двигателями, особенно для промышленного оборудования и для «малых бюджетов».

  • Щеточные двигатели имеют свои преимущества :
  • Простота в управлении
  • Крутящий момент на низких оборотах
  • Низкая цена

В зависимости от области применения существуют четыре типа щеточных двигателей.

  • Классический двигатель с возбуждением :
    • В этом типе двигателя статор соединен последовательно с ротором, а частота вращения регулируется изменением напряжения питания.
    • Однако, такое регулирование частоты вращения довольно плохое: скорость падает, как только крутящий момент на двигателе увеличивается.
    • Этот тип двигателя подходит для использования там, где требуется высокий пусковой момент, например, автомобили или краны.
  • Двигатели шунтового возбуждения :
    • В этом типе двигателя статор подключается параллельно ротору, что позволяет увеличить крутящий момент без снижения частоты вращения при увеличении тока двигателя.
    • Этот тип двигателя подходит для работы на постоянной скорости, например, в пылесосах или конвейерах.
  • Двигатели со смешанным возбуждением :
    • Данный тип двигателя сочетает в себе структуру классических двигателей с возбуждением и двигателей шунтового возбуждения.
    • Таким образом, он обеспечивает высокий пусковой крутящий момент, а также более высокие вариации частоты вращения.
    • Он идеально подходит для роторных прессов, лифтов, багажных каруселей, центробежных насосов или компрессоров.
  • Двигатель с постоянными магнитами:
    • Этот тип двигателя оснащен постоянным магнитом, который обеспечивает низкий крутящий момент.
    • Это актуально в тех случаях, когда требуется точное управление, например, в робототехнике или сервосистемах.

Однако, все щеточные двигатели имеют существенные недостатки:

  • Они менее эффективны, чем бесщеточные двигатели (75-80% по сравнению с 85-90% для бесщеточных двигателей).
  • Их срок службы короче, так как щетки из-за регулярного трения изнашиваются быстрее (от 1000 до 10 000 часов в зависимости от частоты использования, мощности, скорости, вибраций и т.д.).
  • Дуга щеток и коллектора может генерировать электромагнитные шумы, которые могут вызвать пожар.
  • Кроме того, их использование во взрывоопасной среде нежелательно из-за опасности возникновения искр в результате трения.
  • Частота вращения, как правило, ограничена из-за нагрева щеток.
  • Щетки, состоящие из графита образуют пыль, которая может повредить другие устройства, например, оптические устройства.
  • Они нуждаются в смазке, что делает невозможным их использование в пылесосах.
Читайте также:  10 английских аббревиатур, которые вам пригодятся - Секреты английского языка

Бесщеточные двигатели восполняют некоторые недостатки щеточных двигателей, например, наличие щетки. У них также есть и другие преимущества :

  • Они могут работать на более высоких скоростях (до 100 000 об/мин по сравнению с 20 000 об/мин для щеточных двигателей).
  • Они имеют более длительный срок службы (более 10 000 часов работы).
  • Они более надежны и эффективны.
  • Нет изнашиваемых деталей, за исключением подшипников, что сокращает объем работ по техническому обслуживанию.

Возможность работы этих двигателей на очень высоких скоростях делает их особенно подходящим для шлифовальных машин, вентиляторов или пил.

Бесщеточные двигатели систематически оснащаются энкодером, датчиком, который позволяет осуществлять электронное переключение и определять положения ротора. Такие двигатели идеально подходят для серводвигателей для сверхточных приложений.

Однако, у них есть некоторые недостатки:

  • Первоначальная стоимость высока, так как необходимо интегрировать специальное коммутационное устройство (контроллер).
  • Обычно они также требуют наличия редуктора в приводных системах.

Ушли ли щеточные двигатели в прошлое? Случай использования с Opportunity

Можно подумать, что в матче между бесщеточными и щеточными двигателями щетки проигрывают. Однако это не так, потому что щеточные двигатели по-прежнему популярны в промышленности и даже в космосе. Maxon, швейцарский производитель электродвигателей, постоянно разрабатывает новые технологии для щеточных двигателей, и именно их щеточные двигатели оснастили Opportunity, ровер NASA, отправленный на Марс в 2003 году.

Opportunity был оснащен 34 щеточными двигателями DC, которые успешно работают в экстремальных условиях с большими перепадами температур. Выбор NASA был прост: воспользоваться преимуществами простого управления щеточными двигателями и, следовательно, возможностью управления всеми 34 двигателями с одного контроллера. Бесщеточным двигателям потребовалось бы по одному контроллеру на двигатель с риском возникновения дополнительных затрат и осложнений.

Каковы преимущества выбора шагового двигателя?

Шаговый двигатель преобразует электрический импульс в угловое движение. Он рименяется в тех случаях, когда требуется регулирование положения в разомкнутом контуре.

Существует три категории шаговых двигателей :

  • Двигатель с переменным магнитным сопротивлением: при идентичных электрических характеристиках, такой двигатель менее мощный, но более быстрый, чем двигатели с постоянными магнитами.
  • Двигатель с постоянными магнитами : это недорогой двигатель
    со средним разрешением (до 100 шагов на оборот).
  • Гибридный двигатель : этот двигатель сочетает в себе две предыдущие технологии,
    но он более дорогой. Его преимуществом является улучшенный крутящий момент и более высокая скорость. Его разрешение составляет от 100 до 400 шагов/на оборот.

Двигатели с постоянными магнитами и гибридные двигатели являются наиболее часто используемыми, поскольку они имеют ряд определенных преимуществ:

  • Точность
  • Низкая цена
  • Прочность
  • Простота конструкции
  • Высокий крутящий момент при запуске и на низких скоростях.

Однако, у них есть и недостатки:

  • Скорость и крутящий момент относительно низкие.
  • Крутящий момент резко уменьшается по мере увеличения частоты вращения.
  • Они генерируют вибрации, которые могут создавать проблемы с резонансом.
  • Существует риск перегрева

Чтобы выбрать шаговый двигатель, обязательно обратите внимание на:

  • Пару сил и нагрузку
  • Количество шагов
  • Размеры двигателя (вес, монтажные фланцы…).
  • Цену

Каковы стандарты энергоэффективности для электродвигателей?

Перед промышленностью все чаще встает вопрос энергоэффективности . Более экологичная экономика является одной из целей Конференции по климату в Париже (COP21), на достижение которой ориентированы многие страны. Для ограничения потребления и экономии энергии в последние годы в промышленность внедряется все более энергоэффективное оборудование. Согласно исследованию Европейской Комиссии, на долю двигателей приходится 65% промышленного потребления энергии в Европе . Работа над двигателями является важным рычагом сокращения выбросов CO2. Еврокомиссия даже прогнозирует, что к 2020 году можно повысить энергоэффективность двигателей европейского производства на 20-30% . В результате выбросы CO2 в атмосферу сократились бы на 63 млн. тонн, а экономия составила бы 135 миллиардов кВтч.

Если вы хотите использовать в своей деятельности энергоэффективные двигатели и внести свой вклад в энергосбережение и развитие планеты, вам необходимо изучить в первую очередь стандарты энергоэффективности двигателей, действующие в вашей стране или в вашем географическом регионе. Но будьте внимательны, эти стандарты применимы не ко всем двигателям, а только к асинхронным двигателям AC.

Международные нормы

  • Международная электротехническая комиссия (IEC) определила классы энергоэффективности для электродвигателей, представленных на рынке, известные как код IE, которые обобщены в международном стандарте IEC.
  • IEC определила четыре уровня энергоэффективности, которые характеризуют энергоэффективность двигателя:
    • IE1 — стандартный класс
    • IE2 — высокий класс
    • IE3 — премиум класс
    • IE4 — супер-премиум класс
  • IEC также внедрила стандарт IEC 60034-2-1:2014 для испытаний двигателей. Многие страны используют национальные стандарты для испытаний двигателей, но в то же время применяют международный стандарт IEC 60034-2-1.

В Европе

ЕС уже принял ряд директив, направленных на снижение энергопотребления двигателей, включая обязательство производителей выводить на рынок энергоэффективные двигатели:

  • C 2011 года класс IE2 обязателен для всех двигателей.
  • Класс IE3 обязателен с января 2015 года для двигателей мощностью от 7,5 до 375 кВт (или IE2, если эти двигатели оснащены преобразователем частоты).
  • Класс IE3 обязателен с января 2017 года для двигателей мощностью от 0,75 до 375 кВт.

В США

В Соединенных Штатах в силе остаются стандарты, определяемые Американской ассоциацией NEMA (Национальная ассоциация производителей электрооборудования). С 2007 года минимальный требуемый уровень установлен на уровне IE2.
Эта же классификация используется в Австралии и в Новой Зеландии.

В Азии

В Китае корейские стандарты MEPS (Minimum Energy Performance Standard) применяются для малых и средних трехфазных асинхронных двигателей с 2002 года (GB 18693). В 2012 году стандарты MEPS были приведены в соответствие со стандартами IEC, переходя от IE1 к IE2, а теперь и к IE3.

Японияпривела в соответствие свое национальное законодательство с классами эффективности IEC и включила в 2014 году в программу «Top Runner» электродвигатели уровней IE2 и IE3. Действующая с 1998 года программа Top Runner обязывает японских автопроизводителей выставлять на рынок новые модели, которые более энергоэффективны, чем предыдущие поколения, заставляя тем самым внедрять инновации в энергетику.

В Индии используется сравнительная оценка эффективности с 2009 года и национальный стандарт на уровне IE2 с 2012 года.

Как правильно выбрать бесщеточный электродвигатель

При выборе бесщеточного электродвигателя для своих разработок инженеры имеют несколько вариантов. Неправильный выбор может привести к провалу проекта не только на этапе разработки – испытания, но и после выхода на рынок, что крайне не желательно. Для облегчения работы инженеров мы сделаем краткое описание преимуществ и недостатков четырех наиболее популярных видов бесщеточных электрических машин: асинхронный электродвигатель (АД), двигатель с постоянными магнитами (ПМ), синхронные реактивные электродвигатели (СРД), вентильные реактивные электродвигатели (ВРД).

Асинхронные электродвигатели

Асинхронные электрические машины смело можно назвать костяком современной промышленности. Благодаря своей простоте, относительно низкой стоимости, минимальным затратам на обслуживание, а также возможности работать напрямую от промышленных сетей переменного тока, они прочно въелись в современные производственные процессы.

Сегодня существует множество различных преобразователей частоты с самыми различными алгоритмами управления, которые позволяют регулировать скорость и момент асинхронной машины в большом диапазоне с хорошей точностью. Все эти свойства позволили асинхронной машине значительно потеснить с рынка традиционные коллекторные двигатели. Вот почему регулируемые асинхронные электродвигатели (АД) легко встретить в самых различных устройствах и механизмах, таких как тяговый асинхронный электропривод, электроприводы стиральных машин, вентиляторов, компрессоров, воздуходувок, кранов, лифтов и многом другом электрооборудовании.

АД создает вращающий момент за счет взаимодействия тока статора с индуцированным током ротора. Но токи ротора нагревают его, что приводит к нагреванию подшипников и снижению их срока службы. Замена традиционной алюминиевой обмотки на медную не устраняет проблему, а приводит к удорожанию электрической машины и может накладывать ограничения на прямой ее пуск.

Статор асинхронной машины имеет довольно большую постоянную времени, что негативно сказывается на реагировании системы управления при изменении скорости или нагрузки. К сожалению, потери связанные с намагничиванием не зависят от нагрузки машины, что снижает КПД АД при работе с малыми нагрузками. Автоматическое уменьшение потока статора возможно использовать для решения данной проблемы — для этого необходим быстрый отклик системы управления на изменения нагрузки, но как показывает практика, такая коррекция не существенно увеличивает КПД.

На скоростях превышающих номинальную поле статора ослабевает из-за ограниченного напряжения питания. Вращающий момент начинает падать, так как для его поддержания будет требоваться больший ток ротора. Следовательно, управляемые АД ограничиваются диапазоном скорости для поддержания постоянной мощности примерно 2:1.

Механизмы, которые требуют более широкого диапазона регулирования, такие как: станки с ЧПУ, тяговый электропривод, могут снабжаться асинхронными электродвигателями специального исполнения, где для увеличения диапазона регулирования могут уменьшать количество витков обмотки, снижая при этом значения крутящего момента на низких скоростях. Также возможен вариант с использованием более высоких токов статора, что требует установки более дорогих и менее эффективных инверторов.

Читайте также:  Подмосковный аналог столичного сервиса «Активный гражданин» будет запущен в сентябре — Воробьев Нов

Немаловажным фактором при работе АД является качество питающего напряжения, ведь максимальный КПД электродвигатель имеет при синусоидальной форме питающего напряжения. В реальности преобразователь частоты обеспечивает импульсное напряжение и ток, похожий на синусоидальный. Проектировщикам стоит иметь ввиду, что КПД системы ПЧ-АД будет меньше, чем сумма КПД преобразователя и двигателя в отдельности. Улучшения качества выходного тока и напряжения повышают увеличением несущей частоты преобразователя, это приводит к снижению потерь в двигателе, но при этом возрастают потери в самом инверторе. Одним из популярных решений, особенно для промышленных мощных электроприводов, является установка фильтров между преобразователем частоты и асинхронной машиной. Однако это приводит к увеличению стоимости, габаритов установки, а также к дополнительным потерям мощности.

Еще одним недостатком асинхронных машин переменного тока является то, что их обмотки распределены на протяжении многих пазов в сердечнике статора. Это приводит к появлению длинных концевых поворотов, которые увеличивают габариты и потери энергии в машине. Эти вопросы исключены в стандартах IE4 или классах IE4. В настоящее время европейский стандарт (IEC60034) специально исключает любые двигатели, требующие электронного управления.

Двигатели с постоянными магнитами

Двигатели с постоянными магнитами (английский PMMS) создают крутящий момент благодаря взаимодействию токов статора с постоянными магнитами внутри или снаружи ротора. Электродвигатели с поверхностным расположением магнитов являются маломощными и используются в IT оборудовании, офисной технике, автомобильном транспорте. Электродвигатели со встроенными магнитами (IPM) распространены в мощных машинах, используемых в промышленности.

Двигатели с постоянными магнитами (ПМ) могут использовать концентрированные (с коротким шагом) обмотки, если пульсации вращающего момента не являются критичными, но распределенные обмотки являются нормой в ПМ.

Поскольку PMMS не имеют механических коммутаторов, то преобразователи играют важную роль в процессе контроля тока обмотки.

В отличии от других видов бесщеточных электродвигателей, PMMS не требуют тока возбуждения, необходимого для поддерживания магнитного потока ротора. Следовательно, они способны обеспечить максимальный крутящий момент на единицу объема и могут быть лучшим выбором, если требования к массо-габаритным показателям выходят на первый план.

К наибольшим недостаткам таких машин можно отнести их очень высокую стоимость. Высокопроизводительные электрические машины с постоянными магнитами используют такие материалы как неодим и диспрозий. Данные материалы относятся к редкоземельным и добываются в геополитически нестабильных странах, что приводит к высоким и нестабильным ценам.

Также постоянные магниты добавляют производительности при работе на низких скоростях, но являются «Ахиллесовой пятой» при работе на высоких. Например, при увеличении скорости машины с постоянными магнитами возрастет и ее ЭДС, постепенно приближаясь к напряжению питания инвертора, при этом снизить поток машины не представляется возможным. Как правило, номинальная скорость является максимальной для ПМ с поверхностно-магнитной конструкцией при номинальном напряжении питания.

На скоростях больше номинальной, для электродвигателей с постоянными магнитами типа IPM, используют подавление активного поля, что достигается путем манипуляций с током статора при помощи преобразователя. Диапазон скорости, в котором двигатель может надежно работать, ограничен примерно 4:1.

Необходимость ослабления поля в зависимости от скорости приводит к потерям независящим от вращающего момента. Это снижает КПД на высоких скоростях, и особенно при малых нагрузках. Этот эффект наиболее актуален при использовании ПМ в качестве тягового автомобильного электропривода, где высокая скорость на автостраде неизбежно влечет за собой необходимость ослабления магнитного поля. Часто разработчики выступают за применение двигателей с постоянными магнитами в качестве тяговых электроприводов электромобилей, однако их эффективность при работе в данной системе довольно сомнительна, особенно после вычислений связанных с реальными циклами вождения. Некоторые производители электромобилей сделали переход от ПМ к асинхронным электродвигателям в качестве тяговых.

Также к существенным недостаткам электродвигателей с постоянными магнитами можно отнести их трудно управляемость в условиях неисправности из-за присущей им противо-ЭДС. Ток будет протекать в обмотках, даже при выключенном преобразователе, пока вращается машина. Это может приводить к перегреву и другим неприятным последствиям. Потеря контроля над ослабленным магнитным полем, например при аварийном отключении источника питания, может привести к неподконтрольной генерации электрической энергии и, как следствие, к опасному возрастанию напряжения.

Рабочие температуры – это еще одна не самая сильная сторона ПМ, кроме машин, изготовленных из самарий-кобальта. Также большие броски тока инвертора могут привести к размагничиванию.

Максимальная скорость PMMS ограничивается механической прочностью крепления магнитов. В случае повреждения ПМ его ремонт, как правило, осуществляется на заводе изготовителе, так как извлечение и безопасная обработка ротора практически невозможна в обычных условиях. И, наконец, утилизация. Да это тоже доставляет немного хлопот после окончания срока службы машины, но наличие редкоземельных материалов в этой машине должно упростить этот процесс в ближайшем будущем.

Несмотря на перечисленные выше недостатки, электродвигатели с постоянными магнитами являются непревзойденными с точки зрения низкоскоростных мелкогабаритных механизмов и устройств.

Реактивные синхронные двигатели

Синхронные реактивные электродвигатели всегда работают только в паре с преобразователем частоты и используют тот же тип управления потоком статора, что и обычный АД. Роторы данных машин изготавливают из тонколистной электротехнической стали с пробитыми пазами таким образом, что бы они намагничивались с одной стороны меньше, чем с другой. Стремление магнитного поля ротора «соединится» с вращающимся магнитным потоком статора и создает вращающий момент.

Основным плюсом реактивных синхронных электродвигателей являются незначительные потери в роторе. Таким образом, хорошо спроектированная и работающая с правильно подобранным алгоритмом управления синхронная реактивная машина вполне способна соответствовать европейским стандартам премиум класса IE4 и NEMA, не используя при этом постоянных магнитов. Снижения тепловых потерь в роторе повышает крутящий момент и увеличивает плотность мощности, по сравнению с асинхронными машинами. Эти двигатели имеют низкий уровень шума благодаря низкому уровню пульсаций момента и вибраций.

Основным недостатком является низкий коэффициент мощности по сравнению с асинхронной машиной, что приводит к большей потребляемой мощности из сети. Это увеличивает затраты и ставит перед инженером сложную задачу, стоит ли применять реактивную машину или нет для конкретной системы?

Сложность в изготовлении ротора и его хрупкость делает невозможным применение реактивных электродвигателей для высокоскоростных операций.

Синхронные реактивные машины хорошо подходят для широкого спектра промышленных применений, которые не требуют больших перегрузок или высоких скоростей вращения, а также все чаще применяются для частотно-регулируемых насосов из-за повышенной их эффективности.

Вентильные реактивные электродвигатели

Вентильный реактивный двигатель (с английского SRM) создает вращающий момент за счет притягивания магнитных полей зубцов ротора к магнитному полю статора. Вентильные реактивные двигатели (ВРД) имеют относительно небольшое количество полюсов обмотки статора. Ротор имеет зубчатый профиль, что упрощает его конструкцию и улучшает создаваемое магнитное поле, в отличии от реактивных синхронных машин. В отличии от синхронных реактивных двигателей (СРД), ВРД используют импульсное возбуждение постоянного тока, что требует обязательное наличие специального преобразователя для их работы.

Для поддержания магнитного поля в ВРД необходимы токи возбуждения, что уменьшает плотность мощности по сравнению с электрическими машинами с постоянными магнитами (ПМ). Однако они все же имеют габаритные размеры меньшие, чем обычные АД.

Основным преимуществом вентильных реактивных машин является то, что ослабления магнитного поля происходит естественным образом при снижении тока возбуждения. Это свойство дает им большое преимущество в диапазоне регулирования при скоростях выше номинальной (диапазон устойчивой работы может достигать 10:1). Высокая эффективность присутствует у таких машин при работе на высоких скоростях и с малыми нагрузками. Также ВРД способны обеспечить удивительно постоянную эффективность в довольно широком диапазоне регулирования.

Вентильные реактивные машины обладают также довольно хорошей отказоустойчивостью. Без постоянных магнитов эти машины не генерируют неуправляемый ток и момент при неисправностях, а независимость фаз ВРД позволяет им работать с уменьшенной нагрузкой, но с повышенными пульсациями момента при выходе из строя какой-то из фаз. Это свойство может быть полезно, если проектировщики хотят повышенной надежности разрабатываемой системы.

Простая конструкция ВРД делает его прочным и недорогим в изготовлении. При его сборке не используются дорогие материалы, а ротор из нелегированной стали отлично подходит для суровых климатических условий и высоких скоростей вращения.

ВРД имеет коэффициент мощности меньший, чем ПМ или АД, но его преобразователю не нужно создавать выходное напряжение синусоидальной формы для эффективной работы машины, соответственно такие инверторы имеют меньшие частоты коммутации. Как следствие – меньшие потери в инверторе.

Основными недостатками вентильных реактивных машин являются наличие акустических шумов и вибрации. Но с этими недостатками довольно хорошо борются путем более тщательного проектирования механической части машины, улучшения электронного управления, а также механическое объединение двигатель – рабочий орган.

ВРД хорошо подходят для широкого спектра применения и их все чаще используют для обработки сверхпрочных материалов из-за большой перегрузочной способности и большого диапазона регулирования скоростей. Большая перегрузочная способность делает их все более привлекательными для использования в качестве тяговых электроприводов современных электромобилей. Также ВРД получили широкое распространение и в электробытовой технике.

Ссылка на основную публикацию
Что показывает плотность дизельного топлива и что это такое Видео; АвтоНоватор
Плотность дизельного топлива в зависимости от температуры Начать следует с того, что плотность дизельного топлива, как и любой другой жидкости,...
Что лучше РАВ 4 или Аутлендер, мнение экспертов
Сравнительный обзор Honda CR-V и Mitsubishi Outlander XL Сравнив рыночную стоимость автомобилей одинаковых годов выпуска на вторичном рынке мы выяснили:...
Что лучше тосол или антифриз, видео о разнице между ними, какую охлаждающую жидкость заливать в сист
Охлаждающая жидкость для авто и как ее выбрать Система охлаждения – это, наверное, один из важнейших комплексов в современном автомобиле....
Что посмотреть в горах Апшеронского района
Расстояние от Пятигорска О Тебе, Кавказ, суровый царь земли… К нашему всеобщему счастью и сожалению недругов наша страна имеет огромные...
Adblock detector