Как работают электродвигатели: выбор, расчеты и устранение неисправностей

Как работают электродвигатели переменного тока

Электродвигатели переменного тока преобразуют электрическую энергию переменного тока в механическое вращение посредством электромагнитной индукции. Принцип работы основан на двух основных компонентах: статор (стационарный внешний блок из намотанных медных катушек) и ротор (вращающийся узел внутреннего вала). Когда переменное напряжение подается на обмотки статора, оно создает вращающееся магнитное поле. Ротор — будь то беличья клетка, фазный ротор или узел постоянного магнита — реагирует на это вращающееся поле и приводится в движение.

В асинхронном двигателе (наиболее распространенный тип переменного тока) вращающееся поле статора индуцирует ток в проводниках ротора по закону электромагнитной индукции Фарадея. Этот индуцированный ток создает собственное магнитное поле, которое взаимодействует с полем статора, создавая крутящий момент. Ротор никогда не догоняет вращающееся поле статора — разница в скорости называется скольжение , обычно 2–5% от синхронной скорости. Именно это скольжение поддерживает индуцированный ток и, следовательно, крутящий момент. При точно синхронной скорости индукция прекратится, а крутящий момент упадет до нуля.

Синхронная скорость (в об/мин) определяется частотой питания и количеством магнитных полюсов: Н = (120 × f) ÷ P , где f — частота в Гц, а P — количество полюсов. 4-полюсный двигатель с питанием частотой 60 Гц работает с синхронной скоростью 1800 об/мин; при типичном скольжении фактическая скорость вала составляет примерно 1725–1760 об/мин.

Как работает трехфазный двигатель

Трехфазные двигатели являются рабочей лошадкой промышленного применения. Они работают по тому же индукционному принципу, что и однофазные двигатели, но с важным преимуществом: три отдельных напряжения переменного тока, смещенные во времени на 120°, подаются на три комплекта статорных обмоток, расположенных симметрично вокруг отверстия статора. Это создает естественно вращающееся магнитное поле без каких-либо вспомогательных пусковых компонентов — три фазы по своей сути обеспечивают плавное, самозапускающееся вращение с момента подачи питания.

В результате получается двигатель, который надежно запускается под нагрузкой, работает с очень низкими пульсациями крутящего момента (сумма трехфазных сигналов почти постоянна) и обеспечивает более высокий КПД и удельную мощность, чем эквивалентная однофазная конструкция. На долю трехфазных двигателей приходится примерно 70% всего промышленного потребления электроэнергии во всем мире, в первую очередь из-за такого сочетания надежности, эффективности (обычно 90–97% при полной нагрузке в классах эффективности IE3/IE4) и простого управления скоростью с помощью преобразователей частоты (ЧРП).

Трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором не имеют щеток, коммутатора и минимального количества движущихся частей, кроме ротора и подшипников, — именно поэтому они обычно работают в течение 20 000–40 000 часов между основными интервалами технического обслуживания в хорошо обслуживаемых установках.

Как работают бесщеточные двигатели

Бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC) заменяют механический коммутатор и узел угольной щетки традиционных двигателей постоянного тока с электронной коммутацией. Ротор оснащен постоянными магнитами; статор несет обмотки. Контроллер, использующий датчики Холла или датчик обратной ЭДС для определения положения ротора, последовательно переключает ток на соответствующие фазы статора, поддерживая вращающееся электромагнитное поле, за которым следует ротор с постоянными магнитами. Поскольку физический контакт щетки с коммутатором отсутствует, бесщеточные двигатели не вызывают искрения на щетках, выделяют меньше тепла и не требуют замены щеток. Они достигают эффективности 85–95 % и являются стандартными для сервоприводов, тяговых систем с электроприводом, компрессоров систем отопления, вентиляции и кондиционирования, а также прецизионной автоматизации, где требуется точность регулирования скорости и длительный срок службы.

Как рассчитать крутящий момент двигателя, мощность и эффективность

Расчет крутящего момента

Крутящий момент двигателя (T) — это вращательная сила, которую создает вал, измеряемая в Ньютон-метрах (Нм) или фунт-футах (фунт-футах). Связь между крутящим моментом, мощностью и скоростью следующая:

T (Нм) = P (ватты) ÷ ω (рад/с) — или эквивалентно — T (Нм) = (9550 × P в кВт) ÷ Н (об/мин)

Пример: двигатель мощностью 7,5 кВт, работающий со скоростью 1450 об/мин, производит T = (9550 × 7,5) ÷ 1450 = 49,4 Нм крутящего момента вала. В британских единицах измерения: T (фунт·фут) = (5252 × л.с.) ÷ об/мин. Двигатель мощностью 10 л.с. при 1750 об/мин обеспечивает T = (5252 × 10) ÷ 1750 = 30 фунт·фут .

Расчет лошадиных сил

Выходную мощность электродвигателя можно рассчитать по измеренному крутящему моменту и скорости вала: HP = (T, фунт·фут × об/мин) ÷ 5,252 . Исходя из электрического входа, выход HP = (V × I × PF × η × 1,732 для 3-фазного двигателя) ÷ 746, где V — напряжение сети, I — ток сети, PF — коэффициент мощности, а η — эффективность. Коэффициент 1,732 (√3) учитывает трехфазную связь между линейными и фазовыми величинами.

Расчет эффективности

КПД электродвигателя (η) представляет собой отношение выходной механической мощности к входной электрической мощности: η (%) = (Выходная мощность ÷ Входная мощность) × 100 . На практике: измерьте входную мощность (Вт) с помощью анализатора мощности и выходную мощность на валу (крутящий момент × угловая скорость); разделять. Потери в двигателе включают потери в меди (нагрев I²R в обмотках), потери в железе (вихревые токи и гистерезис в сердечнике), механические потери (трение подшипников, ветровая нагрузка) и потери от паразитных нагрузок. Двигатель, работающий значительно ниже своей номинальной нагрузки (скажем, при 30–40% номинальной мощности), работает с пониженным КПД, поскольку постоянные потери в железе и механические потери остаются постоянными, а полезная доля мощности уменьшается.

Как изменить направление вращения двигателя

Реверс трехфазного двигателя

Реверс трехфазного асинхронного двигателя прост: поменять местами любые два из трёх выводов фазы питания на клеммной коробке или пускателе двигателя. Замена двух фаз меняет последовательность фаз (например, с ABC на ACB), что меняет направление вращающегося магнитного поля статора — и, следовательно, направление вращения ротора. Это можно сделать, переставив L1 и L2, оставив L3 неизменным, или любым другим двухфазным обменом. Двигатель не требует внутренней модификации. Реверсивные контакторы в цепи пускателя двигателя автоматизируют это, подавая питание на альтернативные наборы контактов с переключением фаз.

Как реверсировать однофазный двигатель

Однофазные двигатели нельзя реверсировать, просто поменяв местами провода питания — им не свойственно чередование фаз, которое можно было бы изменить. Направление определяется относительной полярностью основной обмотки и пусковой (вспомогательной) обмотки. Чтобы реверсировать однофазный двигатель, поменяйте местами соединения либо основной обмотки, либо пусковой обмотки, но не обеих одновременно. . На практике у большинства однофазных двигателей выводы пусковой обмотки выведены на клеммную колодку специально для этой цели и имеют маркировку T5/T8 в двигателях с конденсаторным пуском и конденсаторным двигателем. Перед заменой ознакомьтесь со схемой подключения двигателя (обычно напечатанной на крышке паспортной таблички или внутри крышки клеммной коробки), чтобы определить правильные провода. Изменение направления вращения во время работы двигателя приведет к повреждению пускового конденсатора и пускового выключателя — всегда полностью останавливайте двигатель перед изменением направления.

Как проверить двигатель постоянного тока

Систематическое тестирование двигателя постоянного тока позволяет выявить проблемы в обмотках, изоляции, щетках или коммутаторе, прежде чем двигатель будет выведен из эксплуатации или отправлен на перемотку. Используйте цифровой мультиметр (DMM), а для проверки изоляции — мегаомметр (мегомметр) на напряжение 500 В или 1000 В постоянного тока.

Проверка сопротивления обмотки

Отсоедините все силовые и разрядные конденсаторы. Измерьте сопротивление на клеммах якоря с помощью цифрового мультиметра. Сравните показания с паспортной табличкой двигателя или техническими характеристиками двигателя. Разрыв цепи (бесконечное сопротивление) указывает на обрыв обмотки или поднятую щетку. ; очень низкое сопротивление (около нуля) указывает на закороченный виток. Показания сопротивления должны быть одинаковыми для всех сегментов коммутатора при последовательном измерении — показания сегмента, значительно выше или ниже, указывают на локализованную неисправность.

Проверка сопротивления изоляции

С помощью мегомметра на 500 В или 1000 В измерьте сопротивление изоляции между каждой обмоткой и корпусом двигателя (землей). Минимум 1 МОм на кВ рабочего напряжения является базовым критерием приемки. (стандарт IEEE 43); значения ниже 1 МОм указывают на загрязнение влагой, пробой изоляции или повреждение обмотки, что приведет к замыканиям на землю при эксплуатации. Новые двигатели обычно имеют сопротивление 100 МОм или выше. Любое показание ниже 5 МОм на работающем двигателе требует проверки перед его возвращением в эксплуатацию.

Осмотр щеток и коммутатора

Визуально проверьте длину щеток (замените, если они изношены до длины менее половины исходной длины или минимальной длины, установленной производителем), и убедитесь, что держатели щеток обеспечивают свободное перемещение без заеданий. Поверхности коммутатора должны быть гладкими и равномерно окрашенными (темная равномерная патина является нормальным явлением; следы точечной коррозии, подгорания или неравномерного износа указывают на искрение из-за закороченного сегмента якоря или неправильный класс щетки). Измерьте давление пружины щетки с помощью пружинного манометра — низкое давление вызывает искрение и ускоренный износ; избыточное давление вызывает износ коллектора.

Как устранить неисправности электродвигателей

Систематический поиск неисправностей следует логике неисправности-симптома — определение того, что двигатель делает (или не делает), и проработка наиболее вероятных причин в порядке упрощения проверки.

Двигатель не запускается

• Проверьте напряжение питания на клеммах двигателя — низкое напряжение (ниже 90 % от паспортного значения) не позволяет обеспечить достаточный пусковой момент. Падение напряжения под нагрузкой является распространенной проблемой на объекте.
• Проверьте предохранители, автоматические выключатели и состояние срабатывания реле перегрузки. Сброс производится только после определения причины перегрузки по току.
• В однофазных двигателях частой причиной является выход из строя пускового конденсатора — двигатель гудит, но не вращается. Проверьте емкость с помощью цифрового мультиметра с возможностью работы с конденсаторами.
• Проверьте наличие механического заедания в приводной нагрузке — отключите нагрузку и попытайтесь повернуть вал вручную, прежде чем подавать питание.

Двигатель работает, но отключается из-за перегрузки

• Измерьте рабочий ток на всех фазах с помощью клещей. Сравните с номинальной силой тока при полной нагрузке (FLA). Превышение тока перегрузки на 10–15 % выше FLA при нормальной нагрузке указывает на то, что мощность двигателя недостаточна для данного применения.
• Проверьте наличие перекоса фаз — несимметрия напряжений между фазами более 2% увеличивает несимметрию токов примерно в 6–10 раз, быстро перегружая обмотки.
• Убедитесь, что настройка реле перегрузки соответствует фактическому FLA и коэффициенту эксплуатации двигателя.

Чрезмерная вибрация или шум

• Выход из строя подшипника приводит к характерному пронзительному вью или грохоту, который усиливается с увеличением скорости. Проверьте температуру подшипников с помощью инфракрасного термометра — подшипники, работающие при температуре выше 90°C (194°F), близки к выходу из строя.
• Дисбаланс ротора вызывает вибрацию с рабочей частотой 1×. Несоосность муфты обычно приводит к вибрации с рабочей частотой 1× и 2×.
• Ослабленные крепежные болты или мягкая опора (неровная монтажная поверхность) усиливают все признаки вибрации и должны быть устранены перед дальнейшей диагностикой.

Чрезмерное нагревание является основной причиной отказа двигателя

Термическая деградация изоляции обмоток является основной причиной отказа двигателя. , что составляет примерно 30–40% всех отказов двигателей в промышленных исследованиях. Широко цитируемое правило Аррениуса для электроизоляции гласит, что каждые 10°C превышения номинального температурного класса изоляции сокращают срок ее эксплуатации вдвое. . Двигатель с изоляцией класса F (номинальный до 155°C), постоянно работающий при температуре 165°C, прослужит вдвое меньше, чем двигатель, работающий в пределах своего теплового предела.

К источникам чрезмерного нагрева двигателя относятся: перегрузка, превышающая эксплуатационный коэффициент, блокировка или ограничение потока охлаждающего воздуха (грязные ребра, засорение входного отверстия, недостаточная вентиляция в зоне корпуса двигателя), высокая температура окружающей среды, дисбаланс напряжений, вызывающий повышенный ток в одной или нескольких фазах, частые запуски в час, превышающие термический номинал двигателя, и отказы подшипников, которые увеличивают механическое трение. Двигатели, оснащенные термисторами или датчиками температуры обмотки RTD, могут инициировать останов до того, как накопится тепловое повреждение. Модернизация температурной защиты на критически важных двигателях является экономически эффективной мерой обеспечения надежности.

В качестве практики технического обслуживания измеряйте температуру обмотки во время работы, используя инфракрасный термометр на корпусе двигателя в качестве ориентира, и сравнивайте ее с номинальным значением повышения температуры двигателя, скорректированным с учетом окружающей среды. Прежде чем произойдет сбой, двигатель, постоянно работающий на своем температурном пределе или близком к нему в условиях нормальной нагрузки, должен быть проверен на предмет ограничения охлаждения, неправильного выбора размера или проблем с качеством питания.

Как выбрать двигатель

Выбор двигателя – это многовариантный процесс. Выбор только мощности (наиболее распространенный вариант) часто приводит к появлению двигателей слишком большого размера, плохо соответствующих профилю нагрузки или несовместимых с системой управления. Проработайте следующие критерии по порядку:

1. Определите тип нагрузки и рабочий цикл.

Нагрузки с постоянным крутящим моментом (конвейеры, объемные насосы, миксеры) требуют двигателя, который обеспечивает номинальный крутящий момент во всем диапазоне скоростей. Нагрузки с переменным крутящим моментом (центробежные насосы, вентиляторы, воздуходувки) подчиняются закону куба — потребляемая мощность резко падает при снижении скорости, что делает их отличными кандидатами на ЧРП со значительным потенциалом экономии энергии. Приложения с периодическим режимом работы (краны, прессы, компрессоры) требуют двигателей с соответствующими классами эксплуатации (от S1 до S9 согласно IEC 60034-1), чтобы выдерживать циклические изменения температуры без преждевременного ухудшения изоляции.

2. Определите необходимый крутящий момент и скорость.

Рассчитайте требуемый крутящий момент нагрузки на рабочей скорости (см. формулы крутящего момента выше). Добавьте 10–25 % запаса прочности по пусковому моменту, механическим потерям и изменчивости применения. Выберите двигатель, номинальный крутящий момент которого при рабочей скорости соответствует этому значению или превышает его. Избегайте превышения размера корпуса более чем на один стандартный размер — двигатель слишком большого размера работает с низким коэффициентом мощности, снижает эффективность и приводит к напрасной трате капитальных затрат.

3. Выберите тип двигателя для приложения.

• Трехфазная индукция переменного тока — первый выбор для промышленных приложений с фиксированной скоростью или ЧРП. Надежные, не требующие особого обслуживания, широко доступны в классах эффективности IE3/IE4.
• Однофазная индукция переменного тока — для применений, где трехфазное питание недоступно. Доступны варианты с конденсаторным запуском, конденсаторным запуском и PSC в зависимости от требований к пусковому моменту.
• Бесщеточный постоянный ток (BLDC) — для прецизионных приложений с регулируемой скоростью, сервосистем или там, где важен длительный срок службы при минимальном обслуживании.
• Шунт постоянного тока/сложная рана — где требуется точное регулирование скорости при изменяющейся нагрузке и имеется источник постоянного тока; реже встречается в новых установках из-за необходимости обслуживания щеток.
• Взрывозащищенные (Ex) двигатели — В средах с горючим газом, пылью или парами требуются корпуса, сертифицированные ATEX или UL/CSA. Классификация зон и групп должна соответствовать обозначению опасной зоны.

4. Укажите класс корпуса и изоляции.

Выбор корпуса определяется рабочей средой. TEFC (полностью закрытый корпус с вентиляторным охлаждением, IP55) является стандартом для большинства промышленных применений на открытом воздухе и в пыльных помещениях. ODP (открытая защита от капель, IP23) подходит для чистых и сухих помещений и обеспечивает лучшее охлаждение при высоких температурах окружающей среды. Для влажных или промывных сред требуется степень защиты IP66 или IP67. Класс изоляции — F (155°С) стандартен для большинства промышленных двигателей; Класс H (180°C) предназначен для эксплуатации в условиях высоких температур или тяжелых условий эксплуатации.

5. Проверьте монтаж, раму и напряжение питания.

Убедитесь, что размер корпуса IEC или NEMA соответствует способу монтажа (крепление на лапах B3, крепление на фланце B5 или комбинация B35). Убедитесь, что напряжение и частота, указанные на паспортной табличке, соответствуют имеющемуся источнику питания, а также убедитесь, что двигатель соответствует требованиям VFD (режим инвертора), если будет использоваться преобразователь частоты. Стандартные двигатели, работающие от частотно-регулируемого привода без изоляции инвертора, испытывают ускоренную деградацию обмотки из-за скачков напряжения.