Введение в режимы работы электродвигателей
Режим работы электродвигателя это совокупность процессов, характеризующих изменение нагрузки, температуры, электрических параметров и других характеристик в течение заданного рабочего цикла. Правильное определение режима работы является критическим фактором при выборе электродвигателя, так как напрямую влияет на его долговечность, эффективность и безопасность эксплуатации.
По международной классификации IEC (International Electrotechnical Commission) и российским ГОСТам режимы работы электродвигателей обозначаются буквой S с последующим номером от 1 до 10. Каждый режим соответствует определенному характеру нагрузки, продолжительности работы и тепловому состоянию двигателя.
Неправильно выбранный режим работы электродвигателя может привести к преждевременному выходу из строя, перегреву обмоток, снижению КПД и повышенному энергопотреблению. По статистике, около 30% случаев выхода электродвигателей из строя связаны именно с несоответствием режима работы фактическим условиям эксплуатации.
Классификация режимов работы
Режим работы электродвигателей это стандартизированная характеристика, определяющая циклы нагрузки, пуска, торможения и остановки, а также периоды работы на холостом ходу. Согласно стандарту ГОСТ IEC 60034-1-2014 и международному стандарту IEC 60034-1, выделяют следующие основные режимы:
| Обозначение | Наименование | Краткое описание |
|---|---|---|
| S1 | Продолжительный режим | Работа при постоянной нагрузке длительное время |
| S2 | Кратковременный режим | Работа при постоянной нагрузке определенный период, затем остановка |
| S3 | Повторно-кратковременный режим | Последовательность идентичных циклов работы и остановки |
| S4 | Повторно-кратковременный режим с пусками | Последовательность идентичных циклов с периодами пуска |
| S5 | Повторно-кратковременный режим с электрическим торможением | Последовательность циклов с периодами пуска и электрического торможения |
| S6 | Непрерывный режим с периодической нагрузкой | Последовательность идентичных циклов работы с нагрузкой и на холостом ходу |
| S7 | Непрерывный режим с электрическим торможением | Последовательность идентичных циклов пуска, работы и электрического торможения |
| S8 | Непрерывный режим с периодическим изменением скорости | Последовательность идентичных циклов с работой при разных скоростях |
| S9 | Режим с непериодическими изменениями нагрузки и скорости | Работа при произвольно изменяющихся нагрузке и скорости |
| S10 | Режим с дискретными постоянными нагрузками | Работа с определенным числом дискретных нагрузок в течение установленного времени |
Режимы S1, S2 и S3
Режим S1 - Продолжительный режим
Режим работы электродвигателя S1 это работа при постоянной нагрузке достаточно длительное время для достижения теплового равновесия. В этом режиме двигатель работает с номинальной мощностью без перерыва настолько долго, что температура всех его частей достигает установившегося значения.
Конвейеры на производственных линиях, насосы для непрерывной перекачки жидкостей, вентиляторы систем охлаждения, компрессоры холодильных установок.
Номинальная мощность в режиме S1: Pном = Pрасч
Режим S2 - Кратковременный режим
В режиме S2 двигатель работает при постоянной нагрузке в течение определенного периода времени, недостаточного для достижения теплового равновесия, затем следует период остановки, достаточный для охлаждения двигателя до температуры окружающей среды.
Приводы шлюзовых ворот, подъемные механизмы периодического действия, станки с прерывистым циклом работы (10, 30, 60, 90 минут).
Маркировка: S2 - 30 мин (для 30-минутного кратковременного режима)
Режим S3 - Повторно-кратковременный режим
Режим S3 характеризуется последовательностью идентичных циклов, каждый из которых включает период работы при постоянной нагрузке и период остановки. При этом пусковые токи не оказывают значительного влияния на нагрев двигателя.
Подъемные механизмы, мостовые краны, приводы ворот, упаковочные машины с регулярными циклами работы.
где tр - время работы, tп - время паузы
Стандартные значения ПВ: 15%, 25%, 40%, 60%
Маркировка: S3 - 25% (для ПВ = 25%)
| Параметр | S1 | S2 | S3 |
|---|---|---|---|
| Продолжительность цикла | Непрерывно | Фиксированное время (10-90 мин) | 10 минут (стандарт) |
| Тепловое равновесие | Достигается | Не достигается | Не достигается |
| Коэффициент снижения мощности | 1.0 | 0.5 - 0.9 | Зависит от ПВ |
| Учет пусковых токов | Не требуется | Не требуется | Не требуется |
Режимы S4, S5 и S6
Режим S4 - Повторно-кратковременный режим с пусками
Режим S4 представляет собой последовательность идентичных циклов, каждый из которых включает период пуска, период работы при постоянной нагрузке и период остановки. В этом режиме учитывается влияние пусковых токов на нагрев двигателя.
Приводы лифтов, грузоподъемные механизмы с частыми пусками, станки с ЧПУ с частыми циклами старта и остановки.
где tп - время пуска, tр - время работы, tо - время остановки
Маркировка: S4 - 25% - 150 (ПВ = 25%, количество циклов в час = 150)
Режим S5 - Повторно-кратковременный режим с электрическим торможением
Режим S5 характеризуется последовательностью идентичных циклов, каждый из которых включает период пуска, период работы при постоянной нагрузке, период электрического торможения и период остановки.
Станки, требующие точного позиционирования, прецизионные подъемные механизмы, роботизированные системы с быстрым торможением.
где tт - время торможения
Маркировка: S5 - 40% - 300 (ПВ = 40%, количество циклов в час = 300)
Режим S6 - Непрерывный режим с периодической нагрузкой
Режим S6 представляет собой последовательность идентичных циклов, каждый из которых включает период работы при постоянной нагрузке и период работы на холостом ходу. Период остановки отсутствует.
Прокатные станы, деревообрабатывающие станки, вентиляционные системы с переменной нагрузкой.
где tх - время работы на холостом ходу
Маркировка: S6 - 40% (ПВ = 40%)
| Параметр | S4 | S5 | S6 |
|---|---|---|---|
| Учет пусковых токов | Да | Да | Нет |
| Наличие электрического торможения | Нет | Да | Нет |
| Наличие холостого хода | Нет | Нет | Да |
| Полная остановка в цикле | Да | Да | Нет |
Режимы S7 и S8
Режим S7 - Непрерывный режим с электрическим торможением
Режим S7 представляет собой последовательность идентичных циклов, каждый из которых включает период пуска, период работы при постоянной нагрузке и период электрического торможения. Период остановки отсутствует.
Высокоточные станки с частыми реверсами, текстильные машины, промышленные роботы с динамичными перемещениями.
Маркировка: S7 - 500 (500 циклов в час)
Режим S8 - Непрерывный режим с периодическим изменением скорости
Режим S8 характеризуется последовательностью идентичных циклов, каждый из которых включает период работы при постоянной нагрузке и заданной скорости вращения, за которым следуют один или несколько периодов работы при других постоянных нагрузках и скоростях.
Металлорежущие станки с переключением скоростей, вентиляционные системы с регулируемой производительностью, многоскоростные приводы.
Маркировка: S8 - 60% - 90% (ПВ на первой скорости = 60%, ПВ на второй скорости = 90%)
| Характеристика | S7 | S8 |
|---|---|---|
| Остановка между циклами | Нет | Нет |
| Электрическое торможение | Да | Возможно |
| Изменение скорости | Нет | Да |
| Тепловая нагрузка | Высокая | Переменная |
Режимы S9 и S10
Режим S9 - Режим с непериодическими изменениями нагрузки и скорости
Режим S9 характеризуется произвольным изменением нагрузки и скорости в пределах допустимого рабочего диапазона. Этот режим часто включает перегрузки, которые могут существенно превышать номинальную нагрузку.
Металлообрабатывающие станки с ЧПУ, роботизированные системы с переменными задачами, приводы машин с неравномерными циклами работы.
Определяется эквивалентная мощность: Pэкв = √[(P1²×t1 + P2²×t2 + ... + Pn²×tn) / (t1 + t2 + ... + tn)]
Режим S10 - Режим с дискретными постоянными нагрузками
Режим S10 характеризуется работой с определенным числом дискретных значений нагрузки или дискретных комбинаций нагрузки и скорости, каждая из которых сохраняется достаточно долго для достижения теплового равновесия.
Испытательные стенды, прессы с различными режимами работы, гибкие производственные системы.
Маркировка: S10 - 1.1/0.8/1.5 - 100/30/25 (нагрузки 1.1, 0.8 и 1.5 от номинальной в течение 100%, 30% и 25% времени соответственно)
| Характеристика | S9 | S10 |
|---|---|---|
| Периодичность изменения | Непериодическая | Дискретная |
| Достижение теплового равновесия | Не всегда | Да, для каждой нагрузки |
| Сложность расчета | Высокая | Средняя |
| Возможность перегрузки | Да | Да, контролируемая |
Тепловые расчеты и выбор двигателя
При выборе электродвигателя для конкретного режима работы необходимо учитывать тепловые процессы, происходящие в двигателе. Основные расчеты связаны с определением эквивалентной мощности и перегрузочной способности.
Расчет эквивалентной мощности
где P1, P2, ..., Pn - мощности на различных участках цикла;
t1, t2, ..., tn - продолжительности соответствующих участков цикла.
Коэффициент снижения мощности для режима S3
Pном S3 = Pном S1 / kS3
Если требуемая мощность в нагруженном состоянии составляет 10 кВт, то:
kS3 = √(40/100) = √0.4 = 0.632
Pном S1 = 10 кВт / 0.632 = 15.82 кВт
Таким образом, для работы в режиме S3-40% с нагрузкой 10 кВт необходимо выбрать двигатель с номинальной мощностью 15.82 кВт в режиме S1.
Учет пусковых токов для режимов S4 и S5
Для режимов с частыми пусками необходимо учитывать дополнительный нагрев, вызванный пусковыми токами. В этом случае используется более сложная формула расчета эквивалентной мощности:
где kп - коэффициент, учитывающий пусковые токи (обычно 2.5-3.5);
kт - коэффициент, учитывающий токи при торможении (обычно 1.5-2.0).
Практические примеры применения
Пример 1: Выбор двигателя для конвейера (режим S1)
Конвейер работает непрерывно в течение 8 часов с постоянной нагрузкой. Требуемая мощность на валу 5.5 кВт. В данном случае выбирается двигатель мощностью 5.5 кВт в режиме S1.
Пример 2: Выбор двигателя для грузового лифта (режим S4)
Грузовой лифт работает в цикле: подъем груза (10 с), остановка на этаже (20 с), спуск (8 с), остановка внизу (22 с). Мощность при подъеме 15 кВт, при спуске 5 кВт.
ПВ = (10 + 8) / 60 × 100% = 30%
Pэкв = √[(15²×10 + 5²×8) / (10 + 8)] = √[(2250 + 200) / 18] = √(2450 / 18) = √136.1 = 11.67 кВт
С учетом коэффициента снижения мощности k = √(30/100) = 0.548
Pном S1 = 11.67 / 0.548 = 21.3 кВт
Таким образом, для данного лифта требуется двигатель с номинальной мощностью в режиме S1 не менее 22 кВт.
Пример 3: Выбор двигателя для металлорежущего станка (режим S6)
Станок работает попеременно с нагрузкой 7.5 кВт в течение 4 минут и на холостом ходу с нагрузкой 1.2 кВт в течение 2 минут.
Pэкв = √[(7.5²×4 + 1.2²×2) / (4 + 2)] = √[(225 + 2.88) / 6] = √(227.88 / 6) = √38 = 6.16 кВт
Для данного станка подойдет двигатель мощностью 6.3 кВт в режиме S1 или 7.5 кВт в режиме S6-67%.
Рекомендации по выбору электродвигателя
При выборе электродвигателя для конкретного применения следует руководствоваться следующими рекомендациями:
- Определите фактический режим работы - тщательно проанализируйте циклограмму нагрузки, частоту пусков и остановок, продолжительность работы.
- Рассчитайте эквивалентную мощность - используйте соответствующие формулы в зависимости от режима работы.
- Учитывайте условия окружающей среды - температура, влажность, высота над уровнем моря влияют на охлаждение и производительность двигателя.
- Проверьте перегрузочную способность - убедитесь, что двигатель способен выдерживать максимальные нагрузки в цикле.
- Оцените пусковые характеристики - для режимов с частыми пусками (S4, S5, S7) важна способность двигателя выдерживать частые пуски без перегрева.
- Применяйте коэффициент запаса - рекомендуется выбирать двигатель с запасом по мощности 10-15% для компенсации неучтенных факторов.
Часто производители указывают номинальную мощность двигателя для режима S1. Если двигатель планируется использовать в других режимах, необходимо применять соответствующие коэффициенты пересчета или выбирать модель, специально предназначенную для данного режима работы.
Неправильно выбранный режим работы электродвигателя может привести к значительному сокращению срока службы. По данным исследований, использование двигателя в режиме с более высокой нагрузкой, чем предусмотрено его классом, может уменьшить ресурс на 40-60% из-за ускоренного старения изоляции обмоток.
Правовая информация
Данная статья носит ознакомительный характер и предназначена для общего информирования специалистов. Приведенные расчеты и рекомендации основаны на общепринятых методиках, но могут требовать корректировки для конкретных условий эксплуатации. Для точного подбора электродвигателя рекомендуется консультация со специалистами.
Автор и компания Иннер Инжиниринг не несут ответственности за любые возможные негативные последствия, возникшие в результате применения информации из данной статьи. При проектировании и эксплуатации электроприводов необходимо руководствоваться действующими нормативными документами и техническими регламентами.
Источники информации
- ГОСТ IEC 60034-1-2014 "Машины электрические вращающиеся. Номинальные данные и характеристики"
- IEC 60034-1:2017 "Rotating electrical machines - Part 1: Rating and performance"
- Справочник по электрическим машинам / Под ред. И.П. Копылова, Б.К. Клокова. - М.: Энергоатомиздат, 2022.
- Вольдек А.И., Попов В.В. Электрические машины. Машины переменного тока. - СПб.: Питер, 2021.
- Технические каталоги продукции компании Иннер Инжиниринг, 2025.
