Асинхронные электродвигатели

Асинхронные двигатели - наиболее распространенный вид электрических машин, потребляющих в настоящее время около 40% всей вырабатываемой электроэнергии. Их установленная  мощность постоянно возрастает.

Асинхронный двигатели широко применяются  в приводах металлообрабатывающих, деревообрабатывающих и других видов  станков, кузнечно-прессовых, ткацких, швейных, грузоподъемных, землеройных  машин, вентиляторов, насосов, компрессоров, центрифуг, в лифтах, в ручном электроинструменте, в бытовых приборах и т.д. Практически нет отрасли техники и быта, где не использовались бы асинхронные двигатели.

Потребности народного хозяйства  удовлетворяются главным образом  двигателями 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 двигателей, 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 двигателями единых серий. Для таких приводов созданы  специализированные двигатели, например электробуровые, краново-металлургические и др.

Основные направления совершенствования  асинхронных электродвигателей  общего назначения.

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. Их совершенствованию 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

Ведущие фирмы-производители выпускают  энергосберегающие стандартные  асинхронные двигатели мощностью 15-30 кВт и более. В этих двигателях 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)], (1)

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. (2)

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. В  Российской Федерации Владимирский электромоторный завод начиная  с 1998 г. выпускает энергосберегающие  двигатели 5А280 и с 1999 г. 5А315 мощностью  от 110 до 200 кВт, с 200 г.энергосберегающие двигатели 5А355 мощностью 315 кВт, а с 2003 готовиться к выпуску асинхронных двигателей серии 6А.

ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА. СНИЖЕНИЕ УРОВНЯ ШУМА.

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)] (3)

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 мин-1 является определяющим.

СЕРВИС-ФАКТОР

Декларирование сервис-фактора  означает, что двигатель, 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.

 

УНИВЕРСАЛЬНОСТЬ ПИТАНИЯ

В настоящее время большинство  стандартных асинхронных двигателей в России выпускают на напряжение сети 380 В при частоте 50 Гц.

Вместе с тем МЭК предусматривает  к 2003 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.

При работе от преобразователя частоты (ПЧ) в ряде случаев необходимо предусматривать  защиту двигателя 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  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 независимого теплоотвода  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.

Новые серии асинхронных электродвигателей. Их характеристики.

К новым сериям выпускаемых асинхронных  электродвигателей с короткозамкнутым ротором можно, без сомнений, отнести  двигатели семейства 5А и 6А.Эти типы двигателей начали выпускать с конца 90-х годов на российских машиностроительных заводах – Владимирский моторный завод и Ярославский машиностроительный завод ОАО Eldin.

                                                двигатели серии А

   Двигатели серии А - унифицированная серия асинхронных трехфазных закрытого обдуваемого исполнения с короткозамкнутым ротором двигателей. Двигатели серии А охватывают диапазон мощностей от 0,06 до 100 кВт, диапазон высоты оси вращения от 50 до 250 мм, частоты вращения 3000, 1500, 1000, 750.

Структура серии предусматривает  следующие группы исполнений:

Модификации по условиям окружающей среды (тропическое, химически стойкое, для сельского хозяйства)

По точности установочных размеров (высокой точности и повышенной точности),

С дополнительными устройствами (с  фазным ротором, со встроенным электромагнитным тормозом)

С повышенным пусковым моментом

С повышенным скольжением

Многоскоростные

Узкоспециальные (для судовых механизмов, для привода моноблочных насосов, рудничное исполнение, для привода бессальниковых компрессоров и др.)

   Двигатели основного исполнения  предназначены для работы от  сети переменного тока частоты  50 Гц и изготавливаются на номинальные  напряжения, указанные в таблице:

Номинальное напряжение, В	220, 380	220, 380, 660	220/380,  380/660
Мощность, кВт	0,06-0,37	0,55-11,0	15,0-110,0

Структура условного обозначения

АИХХХХХХХХХХХ

А - асинхронный;

И - унифицированная серия (И - Интерэлектро);

Х - привязка мощностей к установочным размерам (Р по ГОСТ, С - по CENELEK);

Х - Р - с повышенным пусковым моментом, С - с повышенным скольжением;

ХХХ - габарит, мм;

Х - установочный размер по длине станины (S, M, L);

Х - длина сердечника статора (А  или В, отсутствие буквы означает только одну длину сердечника статора - первую);

Х - число полюсов: 2, 4, 6, 8;

Х - дополнительные буквы для модификаций  двигателя (Б - со встроенной температурной  защитой; П - с повышенной точностью по установочным размерам; Х2 - химически стойкие; С - сельскохозяйственные);

ХХ - климатическое исполнение (У, Т, ХЛ) и категория размещения (1, 2, 3, 4, 5).

Двигатели асинхронные трехфазные закрытого обдуваемого исполнения с короткозамкнутым ротором серии 5А привязаны по мощности к установочным размерам по ГOCT 28330-89.

Электродвигатели серии АИР полностью взаимозаменяемы с соответствующими типами электродвигателей серий 5А Двигатели предназначены для работы в режимах S1-S6 ГОСТ 183-74 (номинальная мощность указана для длительного режима S1) от сети переменного тока 50Гц, напряжением 220, 380, 660В.

Двигатели используются в различных  отраслях промышленности и в сельском хозяйстве: для привода станков, насосов, компрессоров, вентиляторов, мельниц, кормоизмельчителей, транспортных механизмов и т.д.