Подбор электродвигателей: сопротивление, кабели, конденсаторы и тепловые реле

Электротехнические параметры и эксплуатационные характеристики современных электродвигателей

Выбор и эксплуатация электродвигателей для различных производственных задач требует глубокого понимания их электрических и механических характеристик. Сопротивление обмоток, характеристики пуска, требования к силовой и защитной аппаратуре и другие параметры имеют существенное значение для обеспечения надежной, безопасной и экономичной работы электропривода. В данной статье мы проанализируем ключевые параметры современных электродвигателей и их взаимосвязь с условиями эксплуатации.

Сопротивление обмоток электродвигателей и его значение для диагностики

Значение сопротивления обмоток является одним из основных диагностических параметров, позволяющих оценить состояние электрической части двигателя. Измерение сопротивления обмоток позволяет выявить такие дефекты, как межвитковые замыкания, обрывы, нарушения в соединениях и другие неисправности. Для трехфазных двигателей особенно важно равенство сопротивлений между фазами — разница более 5% может свидетельствовать о проблемах в обмотке.

Сопротивление обмоток статора асинхронного двигателя зависит от мощности двигателя, напряжения питания и конструктивных особенностей. Как видно из таблицы сопротивления обмоток, с увеличением мощности двигателя сопротивление обмоток статора уменьшается. Это обусловлено тем, что при увеличении мощности увеличивается сечение провода обмотки, что ведет к снижению ее сопротивления.

При измерении сопротивления необходимо учитывать температуру обмоток, поскольку сопротивление меди имеет положительный температурный коэффициент. Для пересчета сопротивления обмоток на другую температуру используется формула:

где R_t – сопротивление при температуре t°C, R₂₀ – сопротивление при 20°C, α – температурный коэффициент сопротивления меди (примерно 0,004 1/°C).

Выбор сечения кабеля для подключения электродвигателей

Правильный выбор сечения кабеля является важнейшим условием безопасной и эффективной работы электропривода. Недостаточное сечение кабеля приводит к повышенному нагреву, падению напряжения и, как следствие, к снижению момента на валу двигателя и увеличению потребляемого тока. При выборе сечения кабеля необходимо учитывать несколько факторов:

1. Длительно допустимый ток кабеля должен быть не менее номинального тока двигателя с учетом коэффициента запаса. Согласно ПУЭ, этот коэффициент принимается равным 1.25 для двигателей с режимом работы S1.

2. Потеря напряжения в кабеле не должна превышать допустимых значений (обычно 2-5% от номинального). Потеря напряжения рассчитывается по формуле:

где ΔU – потеря напряжения (В), I – ток (А), l – длина кабеля (км), r – активное сопротивление кабеля (Ом/км), x – реактивное сопротивление кабеля (Ом/км), cos φ и sin φ – коэффициент мощности двигателя и его синус.

3. Проверка на термическую устойчивость при пуске – особенно важна для двигателей большой мощности с тяжелыми условиями пуска, когда возможны длительные пусковые токи.

В представленной таблице выбора сечения кабеля приведены рекомендуемые сечения медных и алюминиевых кабелей для различных мощностей двигателей с учетом стандартных условий прокладки. Для трехфазных двигателей с номинальным напряжением 380В сечение кабеля может быть меньше, чем для однофазных двигателей с напряжением 220В той же мощности, поскольку при той же мощности ток в однофазной сети примерно в 1.73 раза выше.

Подбор конденсаторов для электродвигателей

Конденсаторы в электроприводах используются для нескольких целей: для создания вращающегося магнитного поля в однофазных двигателях, для пуска трехфазных двигателей от однофазной сети, а также для компенсации реактивной мощности в трехфазных установках.

Для однофазных двигателей используются два типа конденсаторов:

Пусковой конденсатор – подключается последовательно с пусковой обмоткой только на время пуска. Он имеет большую емкость и кратковременный режим работы. Обычно это электролитические конденсаторы с рабочим напряжением 400-450В.

Рабочий конденсатор – остается подключенным постоянно и обеспечивает сдвиг фаз между токами в основной и вспомогательной обмотках во время работы. Это пленочные конденсаторы (обычно типа CBB60 или CBB61) с рабочим напряжением 400-450В.

Емкость рабочего конденсатора для однофазного двигателя можно приближенно рассчитать по формуле:

где P – мощность двигателя в кВт, U – напряжение питания в В.

Для пуска трехфазных двигателей от однофазной сети применяются схемы с конденсаторами, подключенными по схеме "треугольник" или "звезда". В схеме "треугольник" требуется меньшая емкость конденсаторов, но напряжение на них выше. Выбор схемы зависит от доступных конденсаторов и особенностей применения.

Для компенсации реактивной мощности трехфазных двигателей используются конденсаторные батареи, подключаемые параллельно двигателю. Величина реактивной мощности, требующей компенсации, может быть рассчитана как:

где P – активная мощность двигателя, tg φ₁ – тангенс угла до компенсации, tg φ₂ – тангенс угла после компенсации.

Пусковые токи электродвигателей и методы их ограничения

Пусковой ток является одним из наиболее критичных параметров при выборе и эксплуатации электродвигателей. Для асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором пусковой ток может в 5-7.5 раз превышать номинальный, что создает значительную нагрузку на питающую сеть и коммутационную аппаратуру.

Высокие пусковые токи могут вызывать следующие проблемы:

• Падение напряжения в сети, которое может влиять на работу других потребителей • Срабатывание защитных устройств от перегрузки и короткого замыкания • Тепловые и электродинамические воздействия на обмотки и конструктивные элементы двигателя • Повышенный износ изоляции обмоток из-за нагрева при частых пусках

Для ограничения пусковых токов используются различные методы:

1. Пуск переключением обмоток со звезды на треугольник – позволяет снизить пусковой ток в 3 раза, но одновременно в 3 раза снижается и пусковой момент. Применяется для двигателей, которые запускаются без нагрузки или с легкой нагрузкой.

2. Использование устройств плавного пуска (УПП) – позволяет плавно увеличивать напряжение на обмотках двигателя, что обеспечивает ограничение пускового тока. При этом также снижается пусковой момент, но это происходит более плавно, чем при пуске переключением.

3. Применение частотных преобразователей – обеспечивает наиболее эффективный контроль пускового тока и момента. Частотный преобразователь позволяет начать разгон двигателя с низкой частоты и напряжения, постепенно увеличивая их до номинальных значений.

4. Автотрансформаторный пуск – снижает пусковые токи при помощи автотрансформатора, через который подается пониженное напряжение на двигатель при пуске.

5. Реостатный пуск – для двигателей с фазным ротором, позволяет ограничивать пусковой ток введением дополнительных сопротивлений в цепь ротора.

Выбор метода пуска зависит от характеристик двигателя, характера нагрузки, требований к пусковому моменту и условий питающей сети. В таблице пусковых токов приведены типичные значения отношения пускового тока к номинальному для различных типов двигателей, а также рекомендуемые методы пуска.

Частота вращения электродвигателей и методы ее регулирования

Частота вращения является одной из основных характеристик электродвигателя, определяющей его применимость для конкретных задач. Для асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, которые составляют основу современного электропривода, синхронная частота вращения определяется по формуле:

где n₀ – синхронная частота вращения (об/мин), f – частота питающего напряжения (Гц), p – число пар полюсов двигателя.

Номинальная частота вращения асинхронного двигателя всегда меньше синхронной на величину скольжения, которое для двигателей общего назначения составляет 2-8% в зависимости от мощности и конструкции. Чем больше мощность двигателя, тем меньше обычно его скольжение. Увеличение нагрузки на валу приводит к увеличению скольжения и соответствующему снижению частоты вращения.

Для регулирования частоты вращения электродвигателей используются различные методы:

1. Изменение частоты питающего напряжения – наиболее универсальный метод, применяемый в современных частотных преобразователях. Позволяет плавно регулировать частоту вращения в широком диапазоне как вверх, так и вниз от номинальной.

2. Изменение числа пар полюсов – ступенчатое регулирование частоты вращения для специальных многоскоростных двигателей. Используется, когда требуется работа на нескольких фиксированных скоростях.

3. Регулирование напряжения на статоре – для асинхронных двигателей позволяет регулировать скорость только вниз от номинальной и сопровождается существенным снижением КПД. Применяется в простых регуляторах для вентиляторов и насосов малой мощности.

4. Введение дополнительного сопротивления в цепь ротора – для двигателей с фазным ротором. Позволяет регулировать скорость только вниз от номинальной с потерей КПД.

5. Изменение напряжения на якоре и/или тока возбуждения – для двигателей постоянного тока. Обеспечивает широкий диапазон регулирования с хорошими энергетическими показателями.

Как видно из таблицы оборотов электродвигателей, наибольшую гибкость в регулировании частоты вращения имеют вентильные двигатели (BLDC) и двигатели постоянного тока, в то время как асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором без преобразователя частоты имеют наиболее узкий диапазон регулирования.

Тепловые реле и пускатели для защиты электродвигателей

Надежная защита электродвигателей от аварийных режимов работы является необходимым условием их долговечной эксплуатации. Основными видами защиты электродвигателей являются: защита от коротких замыканий, обеспечиваемая автоматическими выключателями или предохранителями, и защита от перегрузки, обеспечиваемая тепловыми реле или электронными устройствами защиты.

Тепловые реле представляют собой относительно простые и надежные устройства, принцип действия которых основан на изгибе биметаллической пластины при ее нагреве током, протекающим через нагревательный элемент. При превышении током заданного значения в течение определенного времени происходит срабатывание реле и размыкание цепи управления контактора, что приводит к отключению двигателя от сети.

Время срабатывания теплового реле зависит от величины тока перегрузки и характеризуется классом расцепления. Наиболее распространенным является класс 10А, соответствующий времени срабатывания 10 секунд при токе, равном 7.2 номинального тока уставки. Для механизмов с тяжелыми условиями пуска могут применяться реле класса 20А или 30А с более длительным временем срабатывания.

При выборе теплового реле необходимо учитывать следующие факторы:

1. Номинальный ток двигателя – уставка теплового реле устанавливается равной номинальному току двигателя, указанному на его заводской табличке. При отсутствии точных данных можно руководствоваться значениями из таблицы соответствия мощности и тока.

2. Условия эксплуатации – если температура окружающей среды отличается от 20°C, необходимо корректировать уставку теплового реле. При повышенной температуре уставка уменьшается, при пониженной – увеличивается.

3. Режим работы двигателя – для двигателей с частыми пусками или реверсами необходимо выбирать тепловые реле с соответствующей тепловой характеристикой или устанавливать электронные устройства защиты.

Магнитные пускатели (контакторы) используются для коммутации силовых цепей электродвигателей и должны выбираться с учетом категории применения. Для двигателей с короткозамкнутым ротором применяется категория AC-3, которая предусматривает коммутацию цепей при пуске, останове и реверсе двигателя.

Номинальный ток пускателя выбирается равным или большим номинального тока двигателя с учетом условий эксплуатации. Если пускатель устанавливается в шкафу с повышенной температурой или предполагается работа с частыми пусками, рекомендуется выбирать пускатель с запасом по току.

В таблице тепловых реле и пускателей приведены рекомендуемые типоразмеры для двигателей различной мощности. Следует отметить, что с развитием электроники классические тепловые реле все чаще заменяются электронными устройствами защиты, которые обеспечивают более точную и многофункциональную защиту, включая контроль асимметрии фаз, защиту от обрыва фазы, защиту от заклинивания ротора и другие функции.

Сравнительный анализ двигателей постоянного тока и асинхронных двигателей

Выбор между двигателями постоянного тока и асинхронными двигателями переменного тока представляет собой важную инженерную задачу, от решения которой зависит эффективность, надежность и экономичность электропривода. Каждый тип двигателей имеет свои преимущества и недостатки, которые проявляются в различных областях применения.

Двигатели постоянного тока традиционно отличаются отличными регулировочными характеристиками. Они позволяют легко и экономично регулировать частоту вращения в широком диапазоне (до 1:100 и более), обладают высоким пусковым моментом и хорошими динамическими характеристиками. Эти свойства делают их незаменимыми в следующих областях:

• Тяговый привод транспортных средств (электропогрузчики, электротележки) • Станки с требованием точного регулирования скорости • Роботы и манипуляторы • Высокоточные следящие системы

Основными недостатками двигателей постоянного тока являются наличие щеточно-коллекторного узла, требующего регулярного обслуживания, более высокая стоимость и большие габариты по сравнению с асинхронными двигателями той же мощности. Кроме того, искрение на коллекторе ограничивает возможность их применения во взрывоопасных помещениях.

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, в свою очередь, отличаются простотой конструкции, надежностью, низкой стоимостью и минимальными требованиями к обслуживанию. Однако без использования частотных преобразователей они имеют ограниченные возможности регулирования скорости и меньший пусковой момент по отношению к номинальному. Асинхронные двигатели наиболее эффективны в следующих областях:

• Общепромышленные приводы с постоянной скоростью (насосы, вентиляторы, конвейеры) • Оборудование, работающее в тяжелых условиях окружающей среды • Взрывозащищенное оборудование • Приводы с редкими пусками и постоянной нагрузкой

С развитием силовой электроники и появлением доступных частотных преобразователей разрыв в регулировочных характеристиках между двигателями постоянного тока и асинхронными двигателями существенно сократился. Современные преобразователи частоты позволяют реализовать векторное управление асинхронными двигателями, обеспечивая регулирование скорости в диапазоне до 1:100 с высокой точностью и хорошими динамическими характеристиками.

Вентильные двигатели (BLDC) объединяют лучшие качества двигателей постоянного и переменного тока. Они имеют отличные регулировочные характеристики, высокий КПД, компактные размеры и не требуют обслуживания коллекторно-щеточного узла. Основным их недостатком является высокая стоимость и необходимость в электронном контроллере. Вентильные двигатели находят применение в:

• Сервоприводах • Бытовой технике • Компьютерной технике • Медицинском оборудовании • Электротранспорте нового поколения

При выборе типа двигателя необходимо анализировать не только технические характеристики самого двигателя, но и учитывать стоимость системы управления, требования к техническому обслуживанию, условия эксплуатации и общую стоимость владения на протяжении всего срока службы. В таблице сравнения двигателей постоянного тока и асинхронных приведены основные характеристики различных типов двигателей, которые могут служить отправной точкой при предварительном выборе.

Заключение

Правильный выбор и эксплуатация электродвигателей требуют комплексного подхода с учетом множества факторов, включая электрические, механические, тепловые характеристики, а также особенности питающей сети и приводимого механизма. Приведенные в статье таблицы и рекомендации представляют собой справочный материал, который может быть полезен инженерам-электрикам, проектировщикам электроприводов и специалистам по эксплуатации электрооборудования.

Современные тенденции в развитии электродвигателей направлены на повышение их энергоэффективности, интеграцию с цифровыми системами управления и мониторинга, а также на адаптацию к требованиям концепции Индустрии 4.0. Появление новых материалов, совершенствование технологий производства и развитие силовой электроники открывают новые возможности для оптимизации характеристик электродвигателей и расширения областей их применения.

Выбор оптимального типа электродвигателя, правильный расчет параметров системы электропривода, грамотный подбор защитной и коммутационной аппаратуры, а также соблюдение правил эксплуатации позволяют обеспечить надежную, безопасную и экономичную работу электроприводов в различных отраслях промышленности и бытовых применениях.