Как подобрать электродвигатель?

Внедрение частотно-регулированного привода приобретает всё большие масштабы. Помимо возможности изменения скорости в широком диапазоне, сглаживания ударных нагрузок и увеличения срока службы оборудования, преобразователи частоты позволяют в ряде применений получить значительное сбережение энергии, а значит, сократить издержки бизнеса.

В случае внедрения частотно-регулируемого привода всегда встаёт вопрос по оптимизации подбора электромотора: должен ли он обладать особенностями?

Специалисты по электроприводу единодушны в том, что для работы с преобразователем частоты нужны специальные электродвигатели. Причём, поскольку внедрение частотно-регулируемого управления концептуально идёт по нескольким направлениям, универсальных решений не существует.

Так, даже в рамках одной станкостроительной отрасли требования к главному приводу и приводам подач существенно различаются: в одном случае требуется как можно более широкая зона постоянства мощности, в другом – момента.

В чём же всё же специфика двигателей, характерная для конкретных применений?

На что специалистам стоит обратить внимание и как оптимизировать выбор привода?

Задача данной статьи – помочь разобраться в поставленных вопросах и сориентировать в решениях, которые способна предоставить компания «НТЦ Приводная Техника».

Ниже приведены общие закономерности, выявленные специалистами компании в результате изучения соответствующей литературы, более чем 15-летним опытом работы на рынке промышленного привода и собственных лабораторных исследований.

6 особенностей электродвигателей для частотно-регулированного управления

1.    Охлаждение

Общепромышленные асинхронные электродвигатели, предназначенные для прямого пуска от сети с частотой 50 Гц и постоянного режима работы S1, оснащены по умолчанию вентилятором на валу двигателя, для кратковременного S2 и повторно-кратковременного S3 поставляются без такового, поскольку подразумевается достаточность самоохлаждения через корпус.

Наличие частотного преобразователя предполагает работу на частотах, отличных от 50 Гц в меньшую или большую сторону.

На графике ниже представлена иллюстрация критерия выбора типа вентилятора.

По горизонтальной оси показана частота тока питающей сети, по вертикальной – нагруженность привода: отношение момента нагрузки к номинальному моменту двигателя.

Первая зона характерна для цикличной нагрузки, момент которой кратковременно превышает номинальный момент двигателя. В зависимости от величины паузы между циклами может быть достаточно самоохлаждения через корпус, а может потребоваться независимое воздушное или водяное охлаждение.

Во второй зоне подразумевается длительная работа достаточно нагруженного привода на частотах вращения ниже номинальной. В данном случае штатный вентилятор на валу двигателя из-за низкой скорости не успевает охладить двигатель до рабочей температуры и происходит аварийное отключение.

Во избежание описанной проблемы устанавливается вентилятор с собственным приводом, скорость которого не зависит от скорости мотора.

Работа в третьей зоне характерна для приводов, или существенно недогруженных, или работающих на скоростях выше номинальной. В этом случае штатный вентилятор на валу двигателя успевает охлаждать до нужной температуры.

Существуют приводные механизмы, требующие в длительном режиме достигать скорости, более чем двукратно превосходящую номинальную.

В таких случаях вентилятор, вращающийся со скоростью вала двигателя, будет создавать дополнительное аэродинамическое сопротивление, ухудшающее эксплуатационные свойства двигателя.

Как следствие, в таких приводах также используется независимый вентилятор, скорость вращения которого постоянна.

Это особенно характерно для главных приводов металлорежущих станков и для задач по замене приводов постоянного тока.

2.    Подшипники

В случае требований к повышенной частоте вращения двигателя возникают две разнородные проблемы:

- обычно ресурс стандартных серий подшипников, которыми комплектуются двигатели, рассчитывается при скоростях не более 2800 об/мин, следовательно, при необходимости достижения больших ставятся нестандартные,

- на повышенных частотах тока (!) возникает паразитный продольный контур вихревых токов, что может привести к перегреву подшипников, выборке зазора и заклиниванию,

в таких случаях используются подшипники с дополнительным изолирующим элементом.

3. Номинальное напряжение двигателя

При повышенных требованиях к зоне постоянства мощности двигателю может не хватать напряжения на выходе ПЧ.

В этих случаях обмотки двигателя при 50 Гц рассчитываются на нестандартное напряжение, например, 360 В.

4. Синусоидальность напряжения и тока двигателя

Поскольку выходной сигнал преобразователя частоты представляет собой широтно-импульсно-моделированную (ШИМ) последовательность меандров (импульсов), а стандартный двигатель рассчитан на синусоидальные законы изменения напряжения и тока, на низких частотах может возникнуть «эффект шагания», который заключается в заметных пульсациях момента и скорости.

В адаптированных двигателях для борьбы с упомянутым нежелательным явлением используется укороченный шаг обмотки.

5. Изоляция обмоток двигателя

По причине волновых переходных процессов, вызванных ШИМ-модуляцией, обмотки двигателя при работе с ПЧ подвергаются импульсным скачкам напряжения и тока, что может вызвать в итоге перегрев и пробой изоляции.

Специалисты ПГ «Приводная Техника» не рекомендуют использовать двигатели с классом изоляции обмоток менее F.

6. Балансировка и вибрации

На высоких скоростях вращения возможны, во-первых, механический контакт ротора и статора, во-вторых, вибрации аэродинамической природы, во избежание чего осуществляется балансировка (по мере увеличения требуемой скорости) для обеспечения удовлетворения оборудования классам вибрации: N, R, S.

 Электродвигатели Neri Motori (серии IN, IT)

Компанией «Neri Motori» выпускаются серии электродвигателей, или адаптированных для работы (модификация IN),

или объединенных с преобразователем частоты в едином корпусе (модификации IT).

Общей особенностью вышеперечисленных серий электродвигателей является то, что имеется возможность в зоне постоянства мощности поднять частоту вращения вала двигателя примерно в 2 раза (например, для 2р – 6000 об/мин).

См. график на рис. 1.

                            Рис.1

Преобразователи частоты устанавливаются на 2-х и 4-х полюсные двигатели при коммутации обмоток в «звезду» в диапазоне мощностей 0,55…7,5 кВт.

Электродвигатели этой серии могут быть также соединены по типу «треугольник» и вращаться под управлением преобразователя частоты на скорости до 87 Гц с постоянным номинальным моментом.

С точки зрения механики, учитывая балансировку ротора G6.3 по стандарту ISO 1940-UNI 4218, возможно достижение частоты вращения приблизительно втрое выше номинальной без риска механического контакта ротора со статором.

Подшипники из ряда, устанавливаемого «Neri Motori» на эту серию электродвигателей, способны работать при скоростях приблизительно 10 000 об/мин – это дополнительная страховка в целях увеличения срока службы двигателя и уменьшения уровня шума во время работы.

В электродвигателях рассматриваемых серий подшипники устанавливаются со специальным эластичным кольцом, которое предохраняет их от остаточных механических деформаций и выступает в роли изолирующего элемента, разрушающего паразитный контур продольных вихревых токов.

Стальная дистанционная втулка, вставляемая в посадочное место подшипника, предотвращает радиальные перемещения внешнего кольца в рамках, установленных требованиями безопасности.

С точки зрения электротехники, большинство двигателей построены со специальными двухслойными обмотками с укороченным шагом для устранения нежелательной пульсации вращающего момента и удовлетворения требований, предъявляемыми приборами измерения скорости. Для изоляции используются специальные высокопрочные материалы.

В качестве материалов посадки статора ротора используются металлы с низкой магнитной проницаемостью.

Доступные мощности электродвигателей: 0,06-37 кВт в зависимости от количества полюсов. Количество полюсов: 2-6.

Если электродвигатель работает от сети с частотой ниже 50 Гц или с характеристиками, отличными от номинальных, то требуется установка специального независимого охлаждения, критерий необходимости которого был проиллюстрирован в первой части данной статьи.

Дополнительную информацию по применению, приобретению, эксплуатации описанных электродвигателей возможно получить у специалистов компании ОДО «”Энергопривод” по тел.: 8 (017) 373-33-70, 373-33-71; 8 (029) 653 65 02, e-mail: energoprivod@yandex.ru; сайт.