В данной статье осветим тему механических и электрических характеристик электродвигателей. На примере асинхронного двигателя рассмотрим такие параметры как мощность, работа, КПД, косинус фи, вращающий момент, угловая скорость, линейная скорость и частота. Все эти характеристики оказываются важными при проектировании оборудования, в котором электродвигатели служат в качестве приводных.
Механические характеристики электродвигателя представляют собой зависимость угловой скорости ω от развиваемого им момента на валу, т.е. ω = f (M). Различают естественные и искусственные механические характеристики электродвигателя.
Естественная механическая характеристика соответствует работе электродвигателя с номинальными параметрами при нормальной схеме включения. Искусственная механическая характеристика соответствует работе электродвигателя с параметрами, отличающимися от номинальных, например, при введении сопротивления, изменении питающего напряжения, частоты и др.
Механические характеристики электродвигателей: 1 — абсолютно жесткая характеристика, 2 — жесткая характеристика, 3 — мягкая механическая характеристика
Сегодня особенно широко распространены в промышленности именно асинхронные электродвигатели, поэтому на их характеристиках и остановимся.
Естественная механическая характеристика асинхронного двигателя
Для примера рассмотрим АИР80В2У3.
Номинальная механическая мощность асинхронного электродвигателя
На шильдике (на паспортной табличке) электродвигателя указывается всегда номинальная механическая мощность на валу данного двигателя. Это не та электрическая мощность, которую данный электродвигатель потребляет из сети.
Так, например, для двигателя АИР80В2У3, номинал в 2200 ватт соответствует именно механической мощности на валу. То есть в оптимальном рабочем режиме данный двигатель способен выполнять механическую работу 2200 джоулей каждую секунду. Обозначим эту мощность как P1 = 2200 Вт.
Номинальная активная электрическая мощность асинхронного электродвигателя
Чтобы определить номинальную активную электрическую мощность асинхронного электродвигателя, опираясь на данные с шильдика, необходимо принять в расчет КПД. Так, для данного электродвигателя КПД составляет 83%.
Что это значит? Это значит, что только часть активной мощности, подаваемой из сети на обмотки статора двигателя, и безвозвратно потребляемой двигателем, преобразуется в механическую мощность на валу. Активная мощность равна P = P1/КПД. Для нашего примера, по представленному шильдику видим, что P1 = 2200, КПД = 83%. Значит P = 2200/0,83 = 2650 Вт.
Номинальная полная электрическая мощность асинхронного электродвигателя
Полная электрическая мощность, подаваемая на статор электродвигателя от сети всегда больше механической мощности на валу и больше активной мощности, безвозвратно потребляемой электродвигателем.
Для нахождения полной мощности достаточно активную мощность разделить на косинус фи. Таким образом, полная мощность S = P/Cosφ. Для нашего примера P = 2650 Вт, Cosφ = 0,87. Следовательно полная мощность S = 2650/0,87 = 3046 ВА.
Номинальная реактивная электрическая мощность асинхронного электродвигателя
Часть полной мощности, подаваемой на обмотки статора асинхронного электродвигателя, возвращается в сеть. Это реактивная мощность Q.
- Q = √(S2 — P2)
- Реактивная мощность связана с полной мощностью через sinφ, и связана с активной и с полной мощностью через квадратный корень. Для нашего примера:
- Q = √(30462 — 26502) = 1502 ВАР
- Реактивная мощность Q измеряется в ВАР — в вольт-амперах реактивных.
- Теперь давайте рассмотрим механические характеристики нашего асинхронного двигателя: номинальный рабочий момент на валу, угловую скорость, линейную скорость, частоту вращения ротора и ее связь с частотой питания электродвигателя.
- Частота вращения ротора асинхронного электродвигателя
Скорость вращательного движения на практике часто оценивается частотой вращения, то есть числом оборотов вала двигателя в минуту. Угловая скорость выражается в радианах в секунду (рад/с). Угловой скоростью удобнее пользоваться при выводе формул и проведении расчетов, частотой вращения — при практической оценке скоростных свойств двигателей.
На шильдике мы видим, что при питании переменным током частотой в 50 Гц, ротор двигателя совершает при номинальной нагрузке 2870 оборотов в минуту, обозначим эту частоту как n1.
Что это значит? Поскольку магнитное поле в обмотках статора создается переменным током частотой 50 Гц, то для двигателя с одной парой полюсов (коим является АИР80В2У3) частота «вращения» магнитного поля, синхронная частота n, оказывается равной 3000 оборотов в минуту, что тождественно 50 оборотам в секунду.
Но поскольку двигатель асинхронный, то появление в обмотке ротора ЭДС и вращающего момента возможно только при наличии разности между скоростями магнитного поля и ротора. Это различие называют скольжением (s). Ротор вращается с отставанием на величину скольжения.
- Значение s можно определить, разделив разность синхронной и асинхронной частот на синхронную частоту, и выразив это значение в процентах:
- s = ((n – n1)/n)*100%
- Для нашего примера s = ((3000 – 2870)/3000)*100% = 4,3%.
- Угловая скорость асинхронного двигателя
Угловая скорость ω выражается в радианах в секунду. Для определения угловой скорости достаточно частоту вращения ротора n1 перевести в обороты в секунду (f), и умножить на 2 Пи, поскольку один полный оборот составляет 2 Пи или 2*3,14159 радиан. Для двигателя АИР80В2У3 асинхронная частота n1 составляет 2870 оборотов в минуту, что соответствует 2870/60 = 47,833 оборотам в секунду.
Умножая на 2 Пи, имеем: 47,833*2*3,14159 = 300,543 рад/с. Можно перевести в градусы, для этого вместо 2 Пи подставить 360 градусов, тогда для нашего примера получится 360*47,833 = 17220 градусов в секунду. Однако подобные расчеты обычно ведут именно в радианах в секунду. Поэтому угловая скорость ω = 2*Пи*f, где f = n1/60.
- Линейная скорость асинхронного электродвигателя
- Линейная скорость v относится к оборудованию, на котором асинхронный двигатель установлен в качестве привода. Так, если на вал двигателя установлен шкив или, скажем, наждачный диск, известного радиуса R, то линейная скорость точки на краю шкива или диска может быть найдена по формуле:
- v = ωR
- Номинальный вращающий момент асинхронного двигателя
- Каждый асинхронный электродвигатель характеризуется номинальным вращающим моментом Мн. Вращающий момент М связан с механической мощностью P1 через угловую скорость следующим образом:
- P = ωМ
- Вращающий момент или момент силы, действующей на определенном расстоянии от центра вращения, для двигателя сохраняется, причем с ростом радиуса уменьшается сила, а чем радиус меньше, тем больше сила, поскольку:
- М = FR
- Так, чем больше радиус шкива, тем меньшая сила действует на его краю, а наибольшая сила действует непосредственно на валу электродвигателя.
Для приведенного в качестве примера двигателя АИР80В2У3 мощность P1 равна 2200 Вт, а частота n1 равна 2870 оборотов в минуту или f = 47,833 оборота в секунду. Следовательно угловая скорость составляет 2*Пи*f, то есть 300,543 рад/с, и номинальный вращающий момент Мн равен P1/(2*Пи*f). Мн = 2200/(2*3,14159*47,833) = 7,32 Н*м.
- Таким образом, исходя из данных, указанных на шильдике асинхронного электродвигателя, можно найти все основные электрические и механические его параметры.
- Надеемся, что данная статья помогла вам разобраться в том, как связаны между собой угловая скорость, частота, вращающий момент, активная, полезная и полная мощность, а также КПД электродвигателя.
- Андрей Повный
Справочник | Приводное и электротехническое оборудование | Техпривод
Типы электродвигателей По виду питающего тока Синхронные электродвигатели Асинхронные электродвигатели Вентильные электродвигатели Расчет мощности Расчет пускового тока Режимы работы Климатическое исполнение Энергоэффективность
Электродвигатель – механизм, преобразующий энергию электрического тока в кинетическую энергию. Современное производство и быт сложно представить без машин с электроприводом. Они используются в насосном оборудовании, системах вентиляции и кондиционирования, в электротранспорте, промышленных станках различных типов и т.д.
При выборе электродвигателя необходимо руководствоваться несколькими основными критериями:
- вид электрического тока, питающего оборудование;
- мощность электродвигателя;
- режим работы;
- климатические условия и другие внешние факторы.
Типы двигателей
Электродвигатели постоянного и переменного тока
В зависимости от используемого электрического тока двигатели делятся на две группы:
- приводы постоянного тока;
- приводы переменного тока.
Электродвигатели постоянного тока сегодня применяются не так часто, как раньше. Их практически вытеснили асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором.
Главный недостаток электродвигателей постоянного тока – возможность эксплуатации исключительно при наличии источника постоянного тока или преобразователя переменного напряжения в постоянный ток. В современном промышленном производстве обеспечение данного условия требует дополнительных финансовых затрат.
Тем не менее, при существенных недостатках этот тип двигателей отличается высоким пусковым моментом и стабильной работой в условиях больших перегрузок. Приводы данного типа чаще всего применяются в металлургии и станкостроении, устанавливаются на электротранспорт.
Принцип работы электродвигателей переменного тока построен на электромагнитной индукции, возникающей в процессе движения проводящей среды в магнитном поле. Для создания магнитного поля используются обмотки, обтекаемые токами, либо постоянные магниты.
Электродвигатели переменного тока подразделяются на синхронные и асинхронные. У каждой подгруппы есть свои конструктивные и эксплуатационные особенности.
Синхронные электродвигатели
Синхронные двигатели – оптимальное решение для оборудования с постоянной скоростью работы: генераторов постоянного тока, компрессоров, насосов и др.
Технические характеристики синхронных электродвигателей разных моделей отличаются. Скорость вращения колеблется в диапазоне от 125 до 1000 оборотов/мин, мощность может достигать 10 тысяч кВт.
В конструкции приводов предусмотрена короткозамкнутая обмотка на роторе. Ее наличие позволяет осуществлять асинхронный пуск двигателя. К преимуществам оборудования данного типа относятся высокий КПД и небольшие габариты. Эксплуатация синхронных электродвигателей позволяет сократить потери электричества в сети до минимума.
Асинхронные электродвигатели
Асинхронные электродвигатели переменного тока получили наибольшее распространение в промышленном производстве. Особенностью данных приводов является более высокая частота вращения магнитного поля по сравнению со скоростью вращения ротора.
В современных двигателях для изготовления ротора используется алюминий. Легкий вес этого материала позволяет уменьшить массу электродвигателя, сократить себестоимость его производства.
КПД асинхронного двигателя падает почти вдвое при эксплуатации в режиме низких нагрузок – до 30-50 процентов от номинального показателя. Еще один недостаток таких электроприводов состоит в том, что параметры пускового тока почти втрое превышают рабочие показатели. Для уменьшения пускового тока асинхронного двигателя используются частотные преобразователи или устройства плавного пуска.
Асинхронные электродвигатели удовлетворяют требованиям разных промышленных применений:
- Для лифтов и другого оборудования, требующего ступенчатого изменения скорости, выпускаются многоскоростные асинхронные приводы.
- При эксплуатации лебедок и металлообрабатывающих станков используются электродвигатели с электромагнитной тормозной системой. Это обусловлено необходимостью остановки привода и фиксации вала при перебоях напряжения или его исчезновения.
- В процессах с пульсирующей нагрузкой или при повторно-кратковременных режимах могут использоваться асинхронные электродвигатели с повышенными параметрами скольжения.
Вентильные электродвигатели
Группа вентильных электродвигателей включает в себя приводы, в которых регулирование режима эксплуатации осуществляется посредством вентильных преобразователей.
К преимуществам данного оборудования относятся:
- Высокий эксплуатационный ресурс.
- Простота обслуживания за счет бесконтактного управления.
- Высокая перегрузочная способность, которая в пять раз превышает пусковой момент.
- Широкий диапазон регулирования частоты вращения, который почти вдвое выше диапазона асинхронных электродвигателей.
- Высокий КПД при любой нагрузке – более 90 процентов.
- Небольшие габариты.
- Быстрая окупаемость.
Мощность электродвигателя
В режиме постоянной или незначительно изменяющейся нагрузки работает большое количество механизмов: вентиляторы, компрессоры, насосы, другая техника. При выборе электродвигателя необходимо ориентироваться на потребляемую оборудованием мощность.
Определить мощность можно расчетным путем, используя формулы и коэффициенты, приведенные ниже.
Мощность на валу электродвигателя определяется по следующей формуле:
- где: Рм – потребляемая механизмом мощность;
- ηп – КПД передачи.
- Номинальную мощность электродвигателя желательно выбирать больше расчетного значения.
- Формула расчета мощности электродвигателя для насоса
- где: K3 – коэффициента запаса, он равен 1,1-1,3; g –ускорение свободного падения; Q – производительность насоса; H – высота подъема (расчетная); Y – плотность перекачиваемой насосом жидкости; ηнас – КПД насоса;
- ηп – КПД передачи.
- Давление насоса рассчитывается по формуле:
Формула расчета мощности электродвигателя для компрессора
Мощность поршневого компрессора легко рассчитать по следующей формуле:
- где: Q – производительность компрессора; ηk – индикаторный КПД поршневого компрессора (0,6-0,8); ηп – КПД передачи (0,9-0,95);
- K3 – коэффициент запаса (1,05 -1,15).
- Значение A можно рассчитать по формуле:
или взять из таблицы
| p2, 105Па | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| A, 10-3 Дж/м³ | 132 | 164 | 190 | 213 | 230 | 245 | 260 | 272 |
Формула расчета мощности электродвигателя для вентиляторов
где: K3 – коэффициент запаса. Его значения зависят от мощности двигателя:
- до 1 кВт – коэффициент 2;
- от 1 до 2 кВт – коэффициент 1,5;
- 5 и более кВт – коэффициент 1,1-1,2.
- Q – производительность вентилятора; H – давление на выходе; ηв – КПД вентилятора;
- ηп – КПД передачи.
Приведенная формула используется для расчета мощности осевых и центробежных вентиляторов. КПД центробежных моделей равен 0,4-0,7, а осевых вентиляторов – 0,5-0,85.
Остальные технические характеристики, необходимые для расчета мощности двигателя, можно найти в каталогах для каждого типа механизмов.
ВАЖНО! При выборе электродвигателя запас мощности должен быть, но небольшой. При значительном запасе мощности снижается КПД привода. В электродвигателях переменного тока это приводит еще и к снижению коэффициента мощности.
Пусковой ток электродвигателя
Зная тип и номинальную мощность электродвигателя, можно рассчитать номинальный ток.
Номинальный ток электродвигателей постоянного тока
Номинальный ток трехфазных электродвигателей переменного тока
- где: PH – номинальная мощность электродвигателя; UH — номинальное напряжение электродвигателя, ηH — КПД электродвигателя;
- cosfH — коэффициент мощности электродвигателя.
- Номинальные значения мощности, напряжения и КПД можно найти в технической документации на конкретную модель электродвигателя.
- Зная значение номинального тока, можно рассчитать пусковой ток.
- Формула расчета пускового тока электродвигателей
- где: IH – номинальное значение тока;
- Кп – кратность постоянного тока к номинальному значению.
Пусковой ток необходимо рассчитывать для каждого двигателя в цепи. Зная эту величину, легче подобрать тип автоматического выключателя для защиты всей цепи.
Режимы работы электродвигателей
Режим работы определяет нагрузку на электродвигатель. В некоторых случаях она остается практически неизменной, в других может изменяться. Характер предполагаемой нагрузки обязательно учитывается при выборе двигателя. Действующими стандартами предусмотрены следующие режимы эксплуатации:
Режим S1 (продолжительный). При таком режиме эксплуатации нагрузка остается постоянной в течение всего времени, пока температура электродвигателя не достигнет необходимого значения. Мощность привода рассчитывается по формулам, приведенным выше.
Режим S2 (кратковременный). При эксплуатации в этом режиме температура двигателя в период его включения не достигает установившегося значения. За время отключения электродвигатель охлаждается до температуры окружающей среды. При кратковременном режиме эксплуатации необходимо проверять перегрузочную способность электропривода.
Режим S3 (периодически-кратковременный). Электродвигатель работает с периодическими отключениями.
В периоды включения и отключения его температура не успевает достигнуть заданного значения или охладиться до температуры окружающей среды.
При расчете мощности двигателя обязательно учитывается продолжительность пауз и потерь в переходные периоды. При выборе электродвигателя важным параметром является допустимое количество включений за единицу времени.
Режимы S4 (периодически-кратковременный, с частыми пусками) и S5 (периодически-кратковременный с электрическим торможением). В обоих случаях работа двигателя рассматривается по тем же параметрам, что и в режиме эксплуатации S3.
Режим S6 (периодически-непрерывный с кратковременной нагрузкой). Работа электродвигателя в данном режиме предусматривает эксплуатацию под нагрузкой, чередующуюся с холостым ходом.
- Режим S7 (периодически-непрерывный с электрическим торможением)
- Режим S8 (периодически-непрерывный с одновременным изменением нагрузки и частоты вращения)
- Режим S9 (режим с непериодическим изменением нагрузки и частоты вращения)
- Большинство моделей современных электроприводов, эксплуатируемых продолжительное время, адаптированы к изменяющемуся уровню нагрузки.
Климатические исполнения электродвигателей
При выборе электродвигателя учитываются не только его технические характеристики, но и условия окружающей среды, в которых он будет эксплуатироваться.
Современные электроприводы выпускаются в разных климатических исполнениях. Категории маркируются соответствующими буквами и цифрами:
- У – модели для эксплуатации в умеренном климате;
- ХЛ – электродвигатели, адаптированные к холодному климату;
- ТС – исполнения для сухого тропического климата;
- ТВ – исполнения для влажного тропического климата;
- Т – универсальные исполнения для тропического климата;
- О – электродвигатели для эксплуатации на суше;
- М – двигатели для работы в морском климате (холодном и умеренном);
- В – модели, которые могут использоваться в любых зонах на суше и на море.
Цифры в номенклатуре модели указывают на тип ее размещения:
- 1 – возможность эксплуатации на открытых площадках;
- 2 – установка в помещениях со свободным доступом воздуха;
- 3 – эксплуатация в закрытых цехах и помещениях;
- 4 – использование в производственных и других помещениях с возможностью регулирования климатических условий (наличие вентиляции, отопления);
- 5 – исполнения, разработанные для эксплуатации в зонах повышенной влажности, с высоким образованием конденсата.
Энергоэффективность
Рациональное потребление энергии при сохраняющейся высокой мощности сокращает текущие производственные затраты при одновременном увеличении производительности электродвигателя. Поэтому при выборе привода обязательно учитывается класс энергоэффективности.
В технической документации и каталогах обязательно указывается класс энергоэффективности двигателя. Он зависит от показателя КПД.
Проводимые в тестовом и рабочем режимах экспериментальные исследования показывают, что электродвигатель мощностью 55 кВт высокого класса энергоэффективности сокращает потребление электроэнергии на 8-10 тысяч кВт ежегодно.
Другие полезные материалы: Редуктор от «А» до «Я» Как выбрать мотор-редуктор Выбор преобразователя частоты Подключение и настройка частотного преобразователя
Выбор мощности электродвигателя насосной установки
Для того чтобы выбрать тип и мощность электронасосной установки, необходимо исходя из местных условий решить вопрос о схеме водоснабжения. Подачу воды осуществляют в основном через водонапорный котел или водонапорный бак с приводом центробежных насосов от асинхронных двигателей.
Непосредственная подача воды от насоса в распределительную сеть осуществляется в открытых оросительных системах с приводом от асинхронных двигателей.
Для принятой схемы водоснабжения выбирают насос (в большинстве случаев надежный и простой в эксплуатации насос центробежного типа).
Для выбора насоса и определения его мощности по водопотреблению определяют требуемые подачу и напор.
Подачу Qн (л/ч) насоса находят из следующего соотношения:
Qн = Qmaxч = (kч х kсут х Qср.сут ) / (24 η),
где Qmaxч — возможный максимальный часовой расход воды, л/ч, kч — коэффициент неравномерности часового расхода, kсут — коэффициент неравномерности суточного расхода (1,1 — 1,3), η — КПД установки, учитывающий потери воды), Qср.сут — среднесуточный расход воды, л/сут.
Напор насоса выбирают таким, чтобы он мог подавать воду при необходимом давлении в заданную точку. Требуемый напор насоса Ннтр определяется высотой всасывания Нвс и высотой нагнетания Ннг, сумма которых определяет статический напор Нс, потерями в трубопроводах Hп и разностью давлений на верхнем Рву и нижнем Рну уровнях.
Учитывая, что напор H = P/ρg, где Р — давление, Па, ρ — плотность жидкости, кг/м3, g — 9,8 м/с2 — ускорение свободного падения, g — удельный вес жидкости, к/м3, получаем:
Ннтр = Hc + Hп + (1/ρ) х (Рву — Рну)
Зная требуемые расход и напор, по каталогу выбирают насос подходящих параметров с учетом возможной частоты вращения приводного двигателя. Далее определяют мощность электродвигателя насоса.
По универсальной характеристике выбранного насоса уточняют его подачу Qн напор Нн и определяют коэффициент полезного действия ηн и мощность насоса Рн.
Мощность (кВт) двигателя привода насоса Pдв = (kз х ρ х Qн х Нн) / (ηн х ηп),
где — kз коэффициент запаса, зависящий от мощности электродвигателя насоса: Р, кВт — (1,05 — 1,7), т.к. в реальных условиях работы насосов могут происходить утечки воды из напорного трубопровода (вследствие неплотностей соединений, разрывов трубопровода и пр, поэтому электродвигатели для насосов выбирают с некоторым запасом мощности.
Чем больше мощность, тем меньше коэффициент запаса можно принять. Так для мощности электродвигателя насоса 2 кВт — kз = 1,5, 3 кВт — kз = 1,33, 5 кВт — kз =1,2, при мощности больше 10 кВт- kз = 1,05 — 1,1.
ηп — КПД передачи (для прямой передачи 1, клиноременной 0,98, зубчатой 0,97, плоскоременной 0,95), ηн — КПД насосов поршневых 0,7 — 0,9, центробежных 0,4 — 0,8, вихревых 0,25 — 0,5.
Для центробежных насосов особенно важен правильный выбор угловой скорости насоса, так как его производительность пропорциональна угловой скорости, напор и момент — квадрату угловой скорости, мощность — ее кубу: Q ≡ ω, H ≡ ω2, М≡ ω2, P ≡ ω3
Из этих соотношений следует, что при увеличении угловой скорости насоса мощность его возрастает, что может привести к перегреву электродвигателя. При занижении угловой скорости двигателя напор насоса может оказаться недостаточным для расчетной подачи.
Выбирая электронасосный агрегат по каталогу, необходимо учитывать его рабочие характеристики (рис.
1) и характеристику магистрали, на которую работает насос, то есть зависимость между подачей и суммарным значением напора, требуемого для подъема воды на заданную высоту, преодоления гидравлических сопротивлений и создания избыточного давления на выходе из нагнетательного трубопровода. Нужно стремиться к тому, чтобы рабочая точка А находилась в зоне максимальных значений КПД агрегата.
Рис. 1. Характеристики насоса при различных частотах вращения (1, 2, 3, 4), магистрали при различных степенях дросселирования (5, 6) и КПД (7) насоса при номинальной частоте вращения.
Тип электродвигателя выбирают, исходя из условии окружающей среды и особенностей монтажа.
Например, для привода погружных насосов типа ЭЦВ применяют электродвигатели мощностью 0,7 — 65 кВт специального исполнения типа ПЭДВ, рассчитанные для работы в буровых скважинах диаметром от 100 до 250 мм с подачей на высоту до 350 м. Обмотка статора двигателя выполнена проводом с полихлорвиниловой влагостойкой изоляцией.
Электродвигатель вместе с насосом устанавливается в скважине погруженным в откачиваемую воду (рис. 3).
Пример условного обозначения агрегата: ЭЦВ-6-10-80-М, где ЭЦВ-6 — электронасосный скважинный агрегат для воды с характеристикой «6» по диаметру скважины, а именно — для скважины с внутренним диаметром 149,5 мм, 10 — номинальная подача насоса, м3/ч, 80 — номинальный напор, м, М — вид климатического исполнения по ГОСТ 15150-69.
Условное обозначение электродвигателя, применяемого в агрегате: ПЭДВ4-144 (ПЭДВ — погружной электродвигатель водозаполненный, 4 — номинальная мощность, кВт, 144 — максимальный размер в поперечном сечении, мм).
Рис. 2. Электронасосный центробежный скважинный агрегат для воды: 1 — насос, 2 — обойма, 3 — головка, 4 — обратный клапан, 5 — рабочее колесо, 6 — лопаточный отвод, 7 — муфта, 8 — двигатель, 9 — верхний подшипниковый щит, 10 — статор, 11 — ротор, 12 — нижний подшипниковый щит, 13 — днище, 14 — пробка, 15 — пробка-фильтр, 16 — шпилька, 17 — сетка, 18 — кожух
Рис. 3. Схема расположения агрегата в скважине: 1 — агрегат, 2 — водоподъемная колона, 3 — датчик «сухого хода», 4 — кабель, 5 — муфта, 6 — опорная плита или оголовок, 7 — колено, 8 — кран трехходовой, 9 — манометр, 10 — задвижка, 11 — станция управления и защиты, 12 — хомут, 13 — фильтр
В приводе непогружных центробежных и вихревых насосов используют асинхронные короткозамкнутые двигатели я и двигатели с фазным ротором с влагостойкой изоляцией мощностью 1,5 — 55 кВт.
Погружные электронасосы в зависимости от уровня залегания водоносного слоя эксплуатируют на глубинах 40 — 230 м.
Механическая характеристика центробежного насоса имеет вентиляторный вид. Момент сопротивления трения в подшипниках насоса Мс — 0,05 Мн.
Средний момент поршневого насоса при работе на магистраль, где поддерживается постоянный напор, не зависит от угловой скорости вращения. Пуск поршневого насоса осуществляется при открытой задвижке на напорном трубопроводе. Иначе может произойти авария.
Центробежный насос можно пускать как при открытой, так и при закрытой задвижке на напорном трубопроводе.
С учетом условий окружающей среды, особенностей монтажа, необходимой мощности и частоты вращения насоса по справочным таблицам выбирают электродвигатель соответствующего типа.
Что представляют собой рабочие характеристики асинхронных моторов?
Асинхронные электродвигатели представляют собой полноценные системы, качество работы которых определяется техническими характеристиками. Для чего они нужны и каким образом измеряются и изменяются, мы опишем далее. Параметры двигателя – первое, что необходимо знать перед началом его эксплуатации.
Для того, чтобы обеспечить нормальную слаженную работу асинхронных силовых агрегатов, необходимо знать все об этих моторах, в частности, их рабочие и механические характеристики.
Это необходимо, как при покупке компонентов в магазине, так при реализации их своими руками.
Также, при помощи правильного регулирования этих показателей, вы сможете успешно управлять работой двигателя, обеспечивая не только высокую продуктивность, но и снижение энергозатрат.
Общие параметры
По умолчанию, стандартная машина асинхронного типа (без доработок и модификаций) включает 2 основных компонента:
- статор – неподвижную деталь;
- ротор – деталь, поддающаяся вращениям.
В трехфазных моделях 3 отдельные фазы представляют собой статорную обмотку. С1, С2, С3 на рисунке – это их начало, а С3, С4, С5 – концы. Абсолютно все они подключаются к клеммным разъемам, с использованием одной из двух схем: «звезда» или «треугольник». На изображении их можно видеть под вариантам Б и В.
Схема устройства асинхронного мотора
Конкретная схема для построения, выбирается с учетом паспортных данных электродвигателя и показателей сетевого напряжения, от которого будет производиться питания.
Основная задача статора – создание магнитного поля внутри мотора, которое бесперебойно вращается. Ротор же бывает двух видов – фазный и короткозамкнутый. Последний имеет скорость оборотов, которая не поддается регулированию.
Применение такого компонента в силовом агрегате делает конструкцию проще и дешевле. Момент запуска у таких устройств, правда, низкий, чего не скажешь о моторах с ротором фазным.
У него скорость вращения управляется при помощи ввода вспомогательного сопротивления.
Принцип действия мотора
Первое, что осуществляется – на статорную обмотку подается электрическое напряжение. По каждой отдельной фазе можно видеть постоянно меняющиеся магнитные потоки, смещенные по отношению друг к другу на угол 120 градусов. В результате получается общий результирующий поток, который также вращаемый, а с его помощью создается электродвижущая сила внутри роторных проводников.
Именно так в результате получается ток, который совмещается с потоком результирующим, что создает момент пуска. А он в свою очередь приводит ротор в движение.
Это общее, упрощенное описание принципа действия силового агрегата с разными скоростями оборотов. Для того, чтобы рассмотреть работу мотора, стоит углубиться в механические и рабочие характеристики, точно влияющие на вышеописанный алгоритм срабатывания.
Механическая характеристика
Суть данного параметра состоит в прямой зависимости частоты оборотов ротора от показателей нагрузки. То есть, от момента вращения на валу. Когда нагрузка находится на номинальном уровне, то частота вращений для разнотипных моторов варьируется в диапазоне от 92,5 до 98% от частоты оборотов n1. Скольжение (Sном) при этом не превышает уровень в 2 – 7,5%.
Механическая характеристика
Чем выше уровень нагрузки, с которой работает мотор, тем ниже частота оборотов электрического мотора. Частота оборотов асинхронного двигателя несущественно снижается при усилении нагрузки в пределах от нуля до максимального значения. Визуально это можно видеть выше, на рисунке А. из этого следует, что электрический агрегат относится к моторам с жесткой механической характеристикой.
М макс., то есть наибольший крутящий момент, агрегат развивает, когда имеется определенное скольжение (Skp), который находится на уровне от 10 до 20 процентов. Соотношение величин Ммакс и Мном указывает на перегрузочную способность мотора. Отношение же Мп к М номинальному, указывает на пусковые качества электродвигателя.
Электрический мотор способен стойко и бесперебойно работать при условии обеспечения самостоятельного регулирования, когда будет автоматически установлено равновесие между моментом нагрузки, нацеленным на вал (Мвн) и М моментом, который развивает непосредственно двигатель. Это условие отлично отображается на верхней части характеристики, при достижении максимального показателя М. Другими словами — до уровня точки В.
В ситуациях, когда момент нагрузки М превышает показатель М макс., то мотор имеет сниженную устойчивость и останавливается. Параллельно с этим по машинным обмоткам будет довольно долго подаваться ток в несколько раз выше номинального, что может привести к перегоранию. Температура деталей растет, из-за превышенного электричества.
При подключении в электрическую цепь роторных обмоток от пускового реостата, на выходе мы получим полный набор механических характеристик.
Первый параметр при эксплуатации мотора без стартового реостата, называют естественной характеристикой.
Второй, третий и четвертый показатель, которые получаются при подсоединении к роторной обмотке двигателя реостата, обладают сопротивлениями R1п (2п и 3п соответственно), относятся к механическим характеристикам реостатного типа.
Когда же проводится запуск пускового реостата, механическую характеристику называют мягкой или крутопадающей.
Это обусловливается тем, что существенно возрастает показатель активного сопротивления роторной цепи R2 и увеличивается Sкр. Параллельно с этим снижается ток запуска. Данная величина (Мп) также регулируется R2.
При этом, существует возможность подобрать реостат с определенным сопротивлением, для того, чтобы момент пуска (Мп) равнялся максимальному М.
Электромеханическая характеристика
Показатель является зависимостью угловой скорости оборотов от статорного тока. При использовании сразу нескольких опорных точек можно создать такую характеристику. Для этого проводят расчет таких величин:
- уровень тока в начальные моменты старта.
Все эти значения максимально точно отображают электромеханическую характеристику.
Рабочие характеристики
Данные параметры указывают на зависимости от полезной мощности Р2 = Р макс. таких показателей:
- частот вращений (n) или скольжения (S);
- валового момента (М2);
- статорного тока I1 ;
- КПД (коэффициента полезного действия).
При этом значения частоты f1 и напряжения U1 должны быть на номинальных уровнях. Они реализуются для областей устойчивого срабатывания мотора. Это означает, что диапазон должен быть от нулевого скольжения до того, которое превышает номинальное на 10 – 20%.
Частота оборотов при растущей отдаваемой мощности мало поддается изменениям. Это уже можно было видеть в механической характеристике, тогда, когда валовый момент М2 пропорциональный показателю мощности Р2. Крутящий момент ниже, чем электромагнитный момент, разница представляет собой значение момента торможения Мтр, который генерируется силами трения.
Статорный ток I1 увеличивается вместе с отдаваемой мощностью, но, когда показатель Р2 равен нулю, присутствует определенный ток для работы на холостых оборотах – I0. Уровень КПД также снижается, практически идентично, как у трансформатора, сохраняя довольно-таки высокое значение, в относительно широком спектре нагрузок.
Наибольший коэффициент полезного действия для асинхронных силовых агрегатов со средними и большими мощностями, варьируется в пределах 0,75 – 0,95. Чем выше мощность машины, тем больше у нее КПД.
Мощностной коэффициент косинус ϕ1 у асинхронных моторов аналогичных характеристик при наличие максимальной нагрузки составляет 0,7 – 0,9.
Исходя из этого, можно видеть, что силовые агрегаты перегружают электрические подстанции и сети питания своими довольно внушительными токами, которые могут достигать от 40 до 70% от номинальных токов. Это – один из самых весомых недостатков установок такого типа.
Если же моторные нагрузки на порядок меньше, например 25 – 50% от рабочих, то мощностной коэффициент падает до недостаточных значений – 0,5 – 0,75.
Когда осуществляется снятие нагрузки с мотора, коэффициент мощности уменьшается еще и новые показатели составляют 0,25 – 0,3.
Именно поэтому нельзя допускать, чтобы асинхронный двигатель функционировал длительное время на холостых оборотах, а также при существенных недогрузках.
Работа на пониженных напряжениях или с обрывами фаз
Сниженное напряжение в питающей сети существенно не влияет на показатели частоты оборотов роторных элементов асинхронного мотора.
При этом также уменьшается показатель наивысшего крутящего момента, который позволяет развить ресурс мотора. К примеру, когда происходит понижение на 30%, момент вращения сокращается приблизительно в два раза.
Это обусловливает то, что когда напряжение падает несущественно, мотор может остановиться, а при низком – не запуститься.
На эквивалентное последовательное сопротивление (Э.П.С) переменного тока питания при снижении напряжения в сети контактного типа параллельно снижается уровень напряжении в сетях с тремя фазами.
От таких источников питаются двигатели асинхронного типа, которые приводят в движение вспомогательные компоненты производственного оборудования: гидравлические и пневматические насосы, компрессорные установки, вентиляторы и др.
Для обеспечения нормальной работы моторов на пониженных уровнях напряжения (их рабочий процесс должен осуществляться без сбоев при падении напряжения до 0,75 U ном), величины мощности должны быть с определенными показателями. Эти данные сводятся к тому, что мощности всех вспомогательных компонентов на Э.П.С берутся с показателями, приблизительно в полтора раза большими, чем требуется для приведения их в действие с номинальным напряжением.
Такой высокий запас ресурса необходим через наличие несимметрии напряжений фазного типа. Это обусловливается тем, что на последовательном сопротивлении, двигатели питаются от фазного расцепителя, а не от генератора на 3 фазы.
Асимметричность напряжений обусловливает различия в напряжениях фазовых токов, а также сдвиги между ним, которые не будут иметь углы в 120 градусов.
Такое явление обусловливает то, что по одной фазе будет подаваться ток с более высокими показателями, что вызовет нагрев намоток этой же фазы.
Чтобы этого не возникало, необходимо ограничивать нагрузку на мотор, сравнительно с его работой при напряжениях симметричного типа.
Обрывы фаз также имеют место в работе асинхронного двигателя. При возникновении такой ситуации мотор работает и дальше, но, при этом, по целым фазам будут идти токи на повышенных уровнях.
Это в свою очередь также вызовет нагрев катушек, из-за чего функционирование в таких режимах не допускается.
Запуск агрегата с поврежденными обмотками невозможен, что обусловливается недостаточным магнитным полем, которое не приведет в движение ротор.
Когда в контактной части количество оборотов уменьшается то, как правило – подача вспомогательного оборудования остается неизменной. В моторах постоянного тока, частоты оборотов прямо пропорциональны напряжению питания, исходя из этого, подача машин меняется.
Двигатели насосов: типы, особенности
18.04.2018 4581
Перекачивающие устройства (установки) работают на разных видах энергии, а потому и комплектуются соответствующими двигателями.
Зная, в чем их различия, плюсы и минусы, несложно оценить целесообразность приобретения изделия.
И хотя классификация технических средств, являющихся активаторами насосов, довольно сложная, она существенно упрощается применительно к оборудованию для бытового использования.
Один из самых распространенных в частном секторе типов силового привода. Если насосная установка автоматизирована – единственно верное решение.
Плюсы: электрические двигатели не нуждаются в периодическом обслуживании, простое сочленение с насосом, компактность, низкие затраты на эксплуатацию.
Минус: чувствительность к параметрам сети. При нестабильности напряжения КПД отклоняется от заявленной величины, иногда значительно. Повышение энергопотребления, перегрев обмоток, сбои в работе инженерной системы – и это не все негативные последствия проблем с эн/снабжением.
Требования к эл/двигателям для насосов:
- Способность вала вращаться в обратном направлении, причем длительное время. Например, при остановке насоса из-за отключения питающего напряжения, необходимости слива среды из емкости (магистрали).
- Двигатель должен выдерживать повторные пуски даже при минимальном интервале между ними.
- Возможность выхода на режим под нагрузкой.
Электрические двигатели подразделяются на асинхронные и синхронные, последние – на модификации с короткозамкнутым или фазным ротором. Выбор серии определяется в зависимости от мощности насосной установки и характеристик источника питания.
Особенности работы:
- Синхронные двигатели. Плюсы: высокий КПД, компактность, устойчивость к повышенным нагрузкам, инертность к нестабильности питающего напряжения. Минусы: сложный пуск, стоят дороже устройств иных типов.
- Асинхронные двигатели. Плюсы: постоянство функционирования в любых условиях, простота конструкции, демократичная цена. Минусы: изменение нагрузки влияет на крутящий момент, при запуске мощность падает. Для стабильной работы насоса двигатель этой модификации следует включать через преобразователь частоты, что повышает общие расходы на приобретение.
К ним относятся бензиновые, дизельные и газовые агрегаты, обозначаемые общей аббревиатурой. Классифицируются двигатели внутреннего сгорания по нескольким признакам (см. таблицу).
Такие силовые установки используются в случае проблем с организацией эл/питания строения от ЛЭП или с качеством напряжения в сети. Рассматривать их как основной вариант активатора насоса не стоит. Не говоря о сложности присоединения, нюансы эксплуатации делают применение таких двигателей ограниченным: только для резервирования (исключение – дизельные установки).
Выбор двигателя в качестве привода для насоса – вопрос сложный. Например, при оценке электрических моделей нужно учитывать степень защищенности, температурные условия эксплуатации и ряд иных особенностей. Чтобы приобретение впоследствии не разочаровало, а насос исправно работал, желательно проконсультироваться с профессионалом.
«АЛЬФАТЭП» более 10 лет работает на рынке инженерных систем. В нашем интернет-магазине внушительный сортамент насосов различных типов и модификаций. Все устройства ведущих производителей по их цене.
При необходимости выбора двигателя для перекачивающего прибора специалисты компании готовы дать профессиональную консультацию. Связь с ними на сайте alfatep.ru (опция «Контакты») или по телефону 8 (495) 109 00 95 (по РФ звонки бесплатные). Доставка товара в короткие сроки независимо от региона.
Предоставляем гибкую систему скидок, услуги по кредитованию клиентов, удобные способы оплаты, техническую поддержку оборудованию.
Насос и его двигатель. Принцип работы асинхронного электродвигателя
Мы каждый день узнаем о насоса что-нибудь новенькое, такое, о чем мы раньше, по многим причинам, и не задумывались. У нас есть насос, он прекрасно качает воду из источника, которой хватает на полив сада-огорода и пользование ею всеми членами семьи и на работу всей бытовой техники. Зачем нам знать еще больше об этом удивительном агрегате?
Мы даже знаем сейчас, что каждый, в принципе, бытовой насос, в зависимости от его конструкции, можно использовать, как в качестве перекачивающего устройства, придав ему механическую энергию внешнего привода, так и в качестве двигателя, через который можно получить дополнительную энергию. Например, раскручивая ротор электродвигателя насоса струей поступающей жидкости, можно, при некотором изменении конструкции, получить источник электроэнергии в доме.
Если взять более простые конструкции, то можно привести пример водяной мельницы, где двигателем и своеобразным механическим насосом можно рассматривать ее водное колесо. Многие, если не сказать, большинство гидронасосов имею возможность обратного применения.
Но сейчас речь пойдет совсем о другом. Мы поговорим о стандартном применении гидронасосов и источниках энергии для них, которые применяются в бытовых и промышленных агрегатах перекачки воды.
Мы будем говорить о самом выгодном виде механических двигателей для насосов – электродвигателях, которые имеют самое широкое распространение в насосах, как бытовых, так и во всех отраслях промышленности.
Асинхронный электродвигатель. Плюсы и минусы применения. Конструкции типов
Положительные стороны от применения электродвигателей в работе насосов видны с первого раза: это частые включения (повторные пуски) двигателей в работу в зависимости от водных параметров в магистрали, малое энергопотребление, простота конструкций и выгодность производства, динамичность и малые размеры электродвигателей и многое другое.
Мы разберем самый «выгодный» в производстве и простой в бытовом применении асинхронный электродвигатель (индукционный двигатель), как электрическую машину переменного тока с частотой вращения ротора меньшим по сравнению с частотой магнитного поля, которое создается токами в обмотке статора:
-
Он прост в изготовлении;
-
Имеет относительно низкую цену;
-
Надежен и неприхотлив при работе;
-
Энерго- и эксплуатационно малозатратен;
-
Имеет простой доступ к подключению в домашнюю электросеть без дополнительных преобразующих устройств;
-
Нет необходимости регулировать частоту вращения ротора.
Загрузка...
