Конструктивные возможности электрических двигателей обеспечивают выполнение различных требований — по мощности, механическим характеристикам, внешним условиям работы. Это позволяет электропромышленности выпускать специализированные серии двигателей, предназначенные для определенных отраслей промышленности, наиболее полно соответствующие режиму работы данных рабочих машин.
Подбор электродвигателя начинается с выбора типа двигателя, соответствующего по механическим характеристикам режиму работы приводимого механизма, с учетом экономических характеристик разных типов: стоимости, к. п. д., cos фи.
Электропромышленность выпускает следующие типы электродвигателей:
Асинхронные трехфазные электродвигатели с короткозамкнутым ротором
Из всех типов электрических двигателей это наиболее простые по конструкции, надежные механически, простые в эксплуатации и управлении, самые дешевые. Механическая характеристика "жесткая": обороты мало изменяются при всех значениях нагрузки. Большой пусковой ток (в 5 - 7 раз больше номинального). Регулировать обороты трудно, и раньше это почти никогда не делалось.
Выпускаются многоскоростные электродвигатели, которые применяются в приводах станков и различных агрегатов, не имеющих специальных устройств для изменения числа оборотов. Выпускаются они с короткозамкнутым ротором, двух, трех и четырехскоростные, с переключением числа полюсов обмотки статора.
Принципиальный недостаток асинхронных электродвигателей — коэффициент мощности (cos фи) всегда заметно меньше единицы, особенно при недогрузках.
В настоящее время проблемы связанные с большим пусковым током асинхронных трехфазных электродвигателей решаются с помощью устройств плавного пуска (софт-стартеров), а проблемы регулирования оборотов решаются подключением электродвигателей через частотные преобразователи.
Преимущества асинхронных электродвигателей, обеспечившие такое широкое и повсеместное их применение, следующие:
-
высокие экономические показатели. К. п. д. электрических двигателей массового применения находится в пределах 0,8-7-0,9, у крупных машин — до 0,95 и выше;
-
простота конструкции, механическая надежность, легкость управления;
-
возможность выпуска на любые практически необходимые мощности;
-
легкая применяемость конструктивных форм двигателя к условиям работы: при повышенной температуре, при наружной установке и воздействии разных климатических факторов, при наличии пыли или повышенной влажности, во взрывоопасных условиях и пр.
-
несложность автоматического управления, как единичной рабочей машиной, так и группой их, связанных одним производственным процессом.
Асинхронные трехфазные электродвигатели с контактными кольцами и реостатным пуском
По сравнению с короткозамкнутыми — большая сложность управлений и большая стоимость. Остальные характеристики те же, что и у асинхронных трехфазных электродвигателей с короткозамкнутым ротором.
Асинхронные однофазные электродвигатели
По сравнению с трехфазными — меньший к. п. д., более низкий cos фи. Выпускаются только в малых единичных мощностях.
Устройство и принцип работы асинхронных электродвигателей
Типы асинхронных электродвигателей
Асинхронные двигатели получили большое распространение в промышленности благодаря простоте конструкции, надежности, дешевизне и компактности. Значительный интерес представляют механические характеристики асинхронных двигателей, анализ которых дает возможность оценить свойства асинхронного двигателя в рабочем и тормозном режимах.
Многоскоростные двигатели делятся на две, три и четыре частоты вращения. Двигатели двух- и четырехполюсные выпускаются с постоянным моментом или с постоянной мощностью. У остальных двигателей мощность и вращающий момент устанавливают исходя из условий допустимого нагрева обмотки статора и получения благоприятных пусковых характеристик.
Синхронные двигатели
Конструктивно сложнее и дороже, чем асинхронные; сложнее управление. К. п. д. заметно выше, чем у асинхронных. Обороты зависят только от частоты тока и при постоянной частоте строго неизменны при всех нагрузках. Регулирование оборотов не применяется. Основное преимущество — возможность работы при cos фи = 1 и в емкостном режиме. Выпускаются и применяются в основном в единичных мощностях больше 100 кВт.
Как отличить синхронный двигатель от асинхронного
Способы и схемы пуска синхронных двигателей
Коллекторные двигатели переменного тока
Основное достоинство — хорошая регулировка оборотов. Конструктивно сложны. Наличие коллектора и щеток влияет на надежность работы электродвигателя и требует их специального обслуживания.
Двигатели постоянного тока, последовательного, параллельного и смешанного возбуждения
Конструктивно намного сложнее и значительно дороже, чем асинхронные. У них сложнее управление, требуют постоянного эксплуатационного присмотра. Основное достоинство — легкая возможность плавной и в достаточно широких пределах регулировки оборотов.
Механическая характеристика сериесных двигателей "мягкая": обороты весьма чувствительно изменяются с нагрузкой, обороты шунтового двигателя при колебаниях нагрузки изменяются мало.
Общий недостаток двигателей постоянного тока — необходимость в дополнительных устройствах для получения постоянного тока (магнитных усилителей, тиристорных регуляторов напряжения и т.п.).
Устройство электродвигателя постоянного тока
Устройсто и принцип работы современных бесколекторных двигателей постоянного тока
Электродвигатели автоматических систем управления: шаговые двигатели и сервоприводы.
Чем отличается сервопривод от шагового двигателя
Способы управления сервоприводом
В пределах выбранного типа подбирается двигатель на необходимую скорость вращения и необходимую мощность.
Правильный выбор двигателя по мощности имеет очень большее значение, заметно сказываясь на экономических показателях работы и производительности рабочих машин.
Результатом завышения установленной мощности двигателей будет работа с пониженными значениями к. п. д., а для асинхронных двигателей переменного тока и с пониженными значениями cos фи кроме того, будут завышены капиталовложения на электрооборудование.
Занижение мощности неизбежно приведет к тому, что двигатель будет перегреваться и быстро выйдет из строя.
Чем больше нагрузка двигателя, тем больше и количество выделяемого в машине тепла, а значит тем выше будет та температура, на уровне которой установится тепловое равновесие.
В конструкции электрических машин элементом, наиболее чувствительным к температуре, определяющим нагрузочную способность машины, является изоляция обмоток.
Все потери энергии в двигателе — в его обмотках ("потери в меди"), в магнитопроводах ("потери в стали"), на трение вращающихся частей о воздух и в подшипниках, на вентиляцию ("механические потери") превращаются в тепло.
По действующим нормам температура нагрева изоляционных материалов, обычно применяемых для обмоток электрических машин (изоляционные материалы класса А), не должна превышать 95°С. При этой температуре двигатель может надежно работать примерно 20 лет.
Всякое повышение температуры сверх 95°С ведет к ускоренному износу изоляции. Так, при температуре 110°С срок службы снизится до 5 лет, при температуре 145°С (которая может быть достигнута повышением силы тока по сравнению с номинальной, всего на 25%) изоляция будет разрушена за 1,5 месяца, а при температуре 225°С (что соответствует увеличению силы тока на 50%) изоляция обмотки придет в негодность в течение 3 часов.
От чего зависит срок службы электродвигателей
Выбор двигателя по мощности производится в зависимости от характера нагрузки, создаваемой приводимым механизмом. Если нагрузка равномерна, что бывает в приводе насосов, вентиляторов, двигатель берется с номинальной мощностью, равной нагрузочной.
Однако гораздо чаще график нагрузки двигателя неравномерен: повышения нагрузки чередуются с провалами, вплоть до холостого хода. В этих случаях двигатель выбирается с номинальной мощностью, меньшей максимума нагрузки, так как в периоды уменьшенных нагрузок (или остановок) двигатель будет охлаждаться.
Разработаны методы выбора мощности двигателя в соответствии с графиком его нагрузки, т. е. с режимом работы приводимого механизма. Они изложены в специальных руководствах.
Выбор электродвигателей для оборудования с различными типами нагрузки и режимами работы
Выбор электрооборудования по техническим характеристикам
Выбор схемы соединения фаз электродвигателя - соединение обмоткок звездой и треугольником