Режимы работы электродвигателей

Что нужно для правильного выбора электродвигателя? Его основные электрические характеристики – это:

• номинальное напряжение;
• номинальная мощность;
• скорость вращения вала.

Но двигатели могут работать по-разному. Самый легкий для электромотора режим работы описывается выражением «запустил и забыл». В момент запуска двигатель потребляет ток, в несколько раз больший номинального. Затем ток не изменяется во времени, механическая нагрузка на валу стабильна. При этом обмотки и магнитопроводы нагреваются до рабочей температуры, которая также остается постоянной.

Но двигатели приводят во вращение механизмы различного назначения. Некоторые из них требуют частых запусков и остановок, изменений направления вращения. Наглядный пример – работа электродвигателей в составе грузоподъемных механизмов: кранов, лебедок, тельферов. Оператор не даст отдохнуть электромотору, а будет манипулировать им столько, сколько потребуется для выполнения работы по перемещению груза. То же происходит с электродвигателями металлообрабатывающих станков: при установке детали, подгонке ее положения и в процессе обработки требуется неоднократные запуски и остановки станка и изменения направления вращения.

Нагрузка на валу также не всегда остается постоянной. В технологических процессах нередки случаи работы электродвигателей с резкопеременной загрузкой. Есть продукт – двигатель загружен, закончился – работает в холостую.

Все это приводит к изменению во времени электрических характеристик электродвигателей: тока и мощности. Но главное – изменяется характер нагрева обмоток и магнитопроводов. Потери на нагрев обмоток называются мощностью потерь в меди, а железа магнитопроводов – мощностью потерь в стали. Первые происходят за счет выделения тепла на активном сопротивлении обмотки, вторые – нагрева вихревыми токами, возникающими под действием магнитного поля. Для снижения потерь от вихревых токов магнитопроводы изготавливают из пакета тонких пластин. Их изолируют друг от друга, покрывая лаком. Но полностью избавиться от вихревых токов невозможно.

Так как при запуске двигатель потребляет повышенный ток, то и мощность, рассеиваемая в виде потерь в стали и меди, в момент пуска возрастает. Если после запуска мотор продолжает работу с постоянной нагрузкой, то пусковой нагрев не успевает оказать существенного влияния на его температуру. Если же запуски происходят постоянно, то установившаяся температура становится больше той, что была бы в случае продолжительной работы.

Перегрев электродвигателя снижает срок службы изоляции обмоток и стальных листов магнитопровода. При изготовлении ее рассчитывают на определенную температуру, а при ее превышении изоляция быстрее теряет свои характеристики.

Другим фактором, влияющим на срок службы электродвигателя, является механические воздействия на его детали. На проводник с током в магнитном поле действует сила, стремящаяся его переместить, сдвинуть с места. Прохождение пускового тока через обмотки приводит к увеличению на них механических нагрузок. Усилие передается на элементы, фиксирующие обмотки в пазах статора и ротора, расшатывает их.

Механические усилия испытывают и другие элементы конструкции электродвигателя: вал ротора, места крепления магнитопроводов, подшипники.

Почему нельзя учесть все эти факторы и изготавливать все электродвигатели способными им противостоять? Все дело в стоимости. Для ровной и продолжительной работы электродвигатель можно изготовить дешевле. А для эксплуатации в тяжелых условиях потребуются дополнительные усиления конструкции, изоляции, что вызовет удорожание двигателя в целом.

Поэтому, помимо основных электрических характеристик, электродвигателям устанавливают типовые режимы работы. Обозначаются они сокращениями от S1 до S10, и для каждого из них есть свое описание.

Рассмотрим основные особенности каждого из них.

S1 — продолжительный режим

Самый легкий и простой режим работы. Электродвигатель, будучи включенным, работает продолжительное время с неизменной нагрузкой. Он разогревается до рабочей температуры, после чего параметры работы не изменяются.

S2 — кратковременный режим

Электродвигатель включается на непродолжительное время и постоянную нагрузку. Времени работы недостаточно для того, чтобы был достигнут номинальный тепловой режим, а времени паузы после нее хватает, чтобы двигатель остыл практически до температуры окружающей среды.

В обозначение режима после S2 добавляется числовое значение продолжительности нагрузки в минутах.

S3 — повторно-кратковременный периодический режим

Последовательность режимов S2, повторяющихся с определенной частотой. При этом двигатель работает с неизменной нагрузкой, время покоя сменяется временем работы. То пуска не влияет на установившуюся температуру.

После обозначения S3 в маркировке указывается коэффициент циклической продолжительности включения (К=∆tр/Т) в процентах.

S4 — режим S3 с пусками

В этом режиме продолжительность работы становится соизмеримой с продолжительностью пуска. В результате цикл работы выглядит так: «пуск-работа-остановка». Он циклически повторяется.

Параметрами режима являются:

• коэффициент К=∆tр/Т;
• момент инерции двигателя (Jд), в кг∙м²
• момент инерции нагрузки (Jн), в кг∙м²

Их значения указываются после знака S4.

S5 — режим S3 с электрическим торможением

По сравнению с предыдущим в цикл работы добавляется электрическое торможение, физический смысл которого – преобразование механической энергии вращения вала двигателя обратно в электрическую. При этом происходит отбор энергии от вала, и он быстрее останавливается.

Виды электрического торможения:

• реверсивное (запуск вращающегося электродвигателя в обратную сторону);
• реостатное (отключенная от сети обмотка статора подключается к тормозным резисторам);
• рекуперативное (энергия вращающегося мотора заряжает аккумуляторы или отдается в сеть);
• динамическое (отключенная от сети переменного тока отмотка статора подключается к источнику постоянного тока);
• комбинации способов между собой.

После обозначения S5 указываются параметры, аналогичные режиму S4.

S6 — непрерывный периодический режим с кратковременной нагрузкой

Электродвигатель постоянно вращается, но циклически чередуется холостой ход и работа под нагрузкой.

Режим характеризуется коэффициентом К=∆tр/Т.

S7 — режим S6 с электрическим торможением

К режиму S6 добавляется торможение. Параметры те же, что и у S4.

S8 — режим S6 с взаимозависимыми изменениями скорости вращения и нагрузки

Как видно из названия, в этом режиме циклически изменяются нагрузка двигателя и частота его вращения. Причем эти два параметра связаны между собой. Измерение частоты вращения производится, например, путем изменения числа пар полюсов для асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором.

Параметры режима аналогичны S4, но приводятся для всех возможных частот вращения вала двигателя.

S9 — режим с непериодическими изменениями нагрузки и частоты вращения

Угловая скорость и нагрузка изменяются произвольным образом, при этом возможна работа с перегрузкой, превышающей базовую нагрузку.

S10 — режим с дискретными постоянными нагрузками и скоростями вращения

Режим характеризуется наличием большого числа дискретных постоянных нагрузок. Им соответствуют определенные частоты вращения вала двигателя.