Надежная ВЧ-технология 400 Гц — Pentruder

400 Гц — Высокая частота

Высокочастотный — это популярный термин используемый для описания определенного вида электрического тока, а именно тока с большей частотой, чем стандартные 50 — 60 Гц в большинстве нормальных однофазных или 3-фазных сетях питания.

Стандартная частота = 50 или 60 Гц = 50 или 60 циклов в секунду.

Высокие частоты, в случае многих других поставщиков высокочастотного оборудования для резки бетона, составляет 1000 Гц = 1000 циклов в секунду.

Почему частота более 50 Гц?

Причина почему мы используем частоту более 50 Гц заключается в том, что мы хотим чтобы электродвигатели вращались с большей скоростью чем стандартные двигатели.

Если крутящий момент постоянен, то более высокая частота (Гц) -> Более высокая скорость оборотов в минуту -> Большая мощность.

Электрический асинхронный 3-фазный двигатель определенного размера, создавая определенный момент, может привести к более высокой выходной мощности, если скорость вращения двигателя увеличивается. Для того, чтобы мотор вращался быстрее, магнитное поле должно вращаться быстрее, и это делается за счет увеличения частоты тока.

Если крутящий момент двигателя остается постоянным, мощность будет возрастать пропорционально с увеличением частоты. Если частота удваивается, скорость двигателя удваивается, и если момент является постоянным, то и выходная мощность удваивается.

400 Гц против 1000 Гц

Как уже говорилось, если скорость вращения двигателя удваивается, а крутящий момент остается постоянным, то выходная мощность удваивается. Таким образом, в теории, чем выше частота, тем меньше и легче, двигатель будет с той же выходной мощностью.

Но есть и обратная сторона всего и мы смотрим больше на надежность, чем на оптимизацию веса к мощности. В отличие от большинства других производителей, мы решили работать с 400 Гц, как с нашей основной частотой. Это промышленный стандарт для двигателей, используемых в авиационной промышленности. 4-полюсный двигатель управляемый от 400 Гц тока будет вращаться с номинальной скоростью 12 000 об. /мин. 4-полюсный двигатель управляемый от 1000 Гц тока будет вращаться с номинальной скоростью 30 000 об./мин.

Мы стараемся основываться в нашем производстве на разумных принципах, поэтому вариант двигатели с частотой 1000 Гц никогда не рассматривался. Изготовление мотора с частотой 1000 Гц является дешёвым способом  получения относительно мощного мотора с небольшим весом. Но в такой системе слишком много недостатков.

Срок работы подшипников в таких тяжелых условиях мал, что означает возникновение проблем у пользователя при длительном использовании оборудования.

Основная частота наших двигателей от 400 Гц до 440 Гц максимум. Такая частота продлевает срок службы подшипников и снижает частоту необходимого технического обслуживания.

Наши моторы достигают скорости 12000 об/мин, что может сказаться на весе продукции, но это может быть компенсировано за счет использования более качественных моторов, а именно, моторов с медным ротором.

Производительность медного ротора ручного изготовления на 30% выше, чем у алюминиевого литого, но и изготовление медного ротора обходится дороже. Тем не менее, мы уверены, что это правильное направление, т.к. надежность и прочность являются очень важными факторами нашего производства.

IREN

Серия IREN: Высокочастотные глубинные вибраторы для получения первоклассных результатов в сфере уплотнения бетона

Производительность и длительный срок службы являются отличительными признаками серии IREN компании Wacker Neuson. Высокочастотные глубинные вибраторы впечатляют своими показателями в том числе и в тяжелых условиях эксплуатации на всей производственной линии и при этом обеспечивают постоянную высокую эффективность уплотнения.

Электродвигатель со стабильным числом оборотов и высоким крутящим моментом Электродвигатель собственной разработки, отвечающий высочайшим стандартам качества – сделано в Германии Встроенный термовыключатель Индукционно закаленные вибробулавы обеспечивают высокую износоустойчивость. При замене вибробулав специальный инструмент не требуется

Технические характеристики

IREN 30       IREN 38       IREN 45    Диаметр вибробулавы мм 30 38 45 Длина вибробулавы мм 353 353 382 Вес вибробулавы кг 1,4 2,2 3,5 защитный шланг  м 5 5 5 Рабочая масса  кг 8,9 10,5 11,8 Эффективный диаметр * см 40 50 60 Колебания  1/мин 12. 000 12.000 12.000 двигатель **  Высокочастотный короткозамкнутый электродвигатель Высокочастотный короткозамкнутый электродвигатель Высокочастотный короткозамкнутый электродвигатель Напряжение *** В 42 42 42 Ток  А 3,5 7 10 Частота  Гц 200 200 200 электрический кабель  м 15 15 15

IREN 57       IREN 65    Диаметр вибробулавы мм 57 65 Длина вибробулавы мм 400 490 Вес вибробулавы кг 5,8 9,2 защитный   шланг  м 5 5 Рабочая   масса  кг 16,2 22,5 Эффективный   диаметр * см 85 100 Колебания  1/мин 12. 000 12.000 двигатель **  Высокочастотный   короткозамкнутый электродвигатель Высокочастотный короткозамкнутый   электродвигатель Напряжение *** В 42 42 Ток  А 17,3 25 Частота  Гц 200 200 электрический   кабель  м 15 15

*Эти данные предоставлены без гарантии достоверности, они основываются на практическом опыте наших клиентов при определенных условиях эксплуатации. При особых условиях эксплуатации эти данные могут отличаться. Мы всегда рекомендуем перед началом работы проводить пробное бетонирование в условиях эксплуатации. ** Идеально подходит для подключения к преобразователям частоты и напряжения компании Wacker Neuson. *** Также предлагается исполнение вибраторов для напряжения 250 В.

Стенорезная машина WS-451 EE

Технические характеристики стенорезной машины WS-451 EE

Макс. глубина резки	530 мм
Диаметр диска	600–1200 мм
Mакс. диам. диска без предварительного шва	800 мм
Посадочное отв.	60 мм
Двигатель привода диска	Высокочастотный электромотор HFM-18.1, 400 В/50 Гц
Мощность блока HF	27 кВт
Подача/заглубление	электропривод
Вес приводного механизма	35 кг

Габариты

Вес HFM-18	17 кг
Габариты Д*/Ш/В	325/350/400 мм

*длина без учёта двигателя диска

Дополнительное описание к cтенорезной машине WS-451 EE

Как альтернатива гидроприводу диска настенной пилы WS-451EH (с электрическими двигателями подачи и заглубления) существует стенорезная машина WS-451 EE с электродвигателем привода диска HFM-18, где используется полностью электрический привод, так что на строительной площадке будет использоваться только электроэнергия и можно совсем отказаться от применения гидравлических компонентов.

Управляющий и соединительный кабели длиной 10 м к универсальному блоку управления CEDIMA® HF-28 закреплены на HFM-18.

Электромотор фирмы CEDIMA® с водяным охлаждением HFM-18 стенорезной машины WS-451 EE является высокочастотным двигателем со встроенным механическим редуктором, работающим в масляной ванне (со встроенным элементом сцепления и местом слома, защищающими от ударных перегрузок). HFM-18 объединяет долговременную и кратковременные мощности с очень высоким КПД при незначительном весе и компактных размерах. От перегрузки и перегрева защищает встроенный термовыключатель. HFM-18 выдает полную мощность в широком диаппазоне частот (от 75 до 100 %), т.е. при уменьшении частоты вращения получается увеличение крутящего момента (свойство постоянства энергии).

Стенорезная машина WS-451 EE оснащена закрытой зубчатой передачей в поворотной стреле, не требующей сложного технического обслуживания. Электроника соответствует действующим директивам по электромагнитной сочетаемости.

Легко закрепляемые направляющие ролики всегда гарантируют точное направление алмазного диска для стенорезных машин даже в самых тяжелых условиях резки. Отклонив ролики крепления можно установить корпус настенной пилы в любом месте на направляющей шине.

WS-451 EE имеет модульную конструкцию, т.е. отдельные компоненты, например, вспомогательные приводы в сервисном случае, могут быть легко заменены.

Особенности конструкции и специфика работы высокочастотных асинхронных двигателей

Страница 6 из 20

ГЛАВА ТРЕТЬЯ
ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ С РОТОРАМИ РАЗЛИЧНОЙ КОНСТРУКЦИИ
3-1. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ И СПЕЦИФИКА РАБОТЫ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ.

а),           б),                   в).
Рис. 3-1. Схематическое изображение высокочастотных двигателей с роторами различной конструкции.

Высокочастотные асинхронные машины весьма разнообразны по конструкции. Однако они могут быть сведены к трем основным конструктивным схемам, отличающимся конструкцией роторов (рис. 3-1): а — с обмоткой в закрытых или полузакрытых пазах шихтованного пакета ротора; б — с массивным ферромагнитным (стальным) ротором; в — с зубчатым ротором без обмоток, пакет которого набран из изолированных листов тонколистовой электротехнической стали. Двигатели индукторного типа выполняют трехфазными и однофазными (рис. 3-2).

В индукторных электрических машинах рациональное использование площади паза статора и экономия обмоточных материалов является актуальной задачей.

Рис. 3-2. Схематическое изображение индукторных двигателей.
а — с раздельными обмотками; б — с совмещенными обмотками; в — однофазный конденсаторный; а —однофазный с короткозамкнутым витком.

Рис. 3-3. Электрошпиндель, частота вращения (120—144)-10+3 об/мин, мощность 100—250 Вт.
а — общий вид; б — вид в разрезе.
В индукторных преобразователях частоты и индукторных двигателях с несколькими первичными и вторичными отдельными обмотками требуется значительное увеличение площади паза для их размещения.

Поэтому целесообразно применение совмещенных, электрически связанных обмоток (рис. 3-2,б), в проводниках которых протекает результирующий ток (Л. 38]. В этом случае достигается уменьшение диаметра проводников обмотки и площади паза. При совмещении обмоток выбирается такое число зубцов ротора и соответствующее укорочение шага обмотки, при которых в ней одновременно индуктируются э. д. с. основной гармоники и зубцовой рабочей гармоники поля, обусловленной зубчатостью ротора.

Двигатель с частотой вращения 48·10+3 об/мин. мощность 1—2 кВт.

Согласно ГОСТ 6697-67 установки переменного тока, предназначенные для работы в диапазоне частот до 10·103 Гц, должны изготовляться на следующие номинальные частоты: 400, 500, 600, 800, 1000, 1 200, 1600, 2400, 4800, 8000, 9600 Гц.
Частота вращения высокочастотного электродвигателя должна быть согласована по частоте тока с приведенной шкалой частот.
Электродвигатель, на выступающем конце вала которого закреплен шлифовальный круг, называют электрошпинделем. Его назначение — чистовое шлифование деталей. При выборе скорости вращения электрошпинделя исходят из того, что чистовое шлифование наилучшим образом осуществляется при линейной скорости шлифовального круга 25—50 м/с. Следовательно, чем меньше диаметр обрабатываемого кольца подшипника, тем больше должна быть скорость вращения электрошпинделя.

Таблица 3-1

При участии автора во Всесоюзном научно-исследовательском институте подшипниковой промышленности (ВНИИПП) был спроектирован ряд электрошпинделей, конструкции которых показаны на рис. 3-3, 3-4. Их основные данные приведены в табл. 3-1. Электрошпиндель с частотой вращения 120·103 об/мин имеет закрытую конструкцию, водяное охлаждение, выполнен на шариковых опорах.
Для уменьшения потерь энергии от полей рассеяния лобовых частей крышки и подшипниковые щиты целесообразно делать из немагнитной стали. Для отвода тепла в корпусе двигателя сделан кольцевой канал (рис. 3-4), в котором циркулирует вода, поступающая из водопроводной сети через резиновый шланг и штуцер. Смазка подшипников осуществляется масляным туманом, который подводится через специальные каналы к переднему и заднему подшипникам.
Сверхвысокоскоростные асинхронные электрошпиндели изготовляют итальянская фирма Gamfior, американская фирма Brayant и др.
С целью уменьшения окружных скоростей шарикоподшипников во ВНИИПП был создан и испытан электродвигатель на сателлитовых шариковых подшипниках (рис. 3-5) с частотой вращения до 200·103 об/мин. Основные размеры этого двигателя: диаметр ротора 24,5 мм; внутренний диаметр расточки статора 25,6 мм; активная длина пакета статора 28 мм; диаметр вала ротора под подшипниками 14 мм. Вал ротора опирается на внешние кольца трех сателлитовых шарикоподшипников с коэффициентом редукции по скорости для шарикоподшипников — около трех. При частоте 3,5 кГц синхронная частота вращения поля двигателя 210·103 об/мин. При частоте вращения ротора 200·103 об/мин линейная скорость на периферии ротора 270 м/с. Пусковые характеристики двигателя приведены в гл. 6, рис. 6-6—6-9.
Наряду с массивным ферромагнитным ротором в настоящее время применяют пакет ротора из сплава меди и стали, который имеет достаточную магнитную проводимость для рабочего поля и удовлетворительную электрическую проводимость для тока ротора, причем указанный сплав должен иметь достаточную механическую прочность по пределу текучести.

Рис. 3-5. Двигатель с сателлитным расположением шарикоподшипников, частота вращения 200-103 об/мин.
Применение высокочастотных машин экономически весьма выгодно, поскольку их основные размеры обратно пропорциональны частоте вращения поля. При этом частота вращения ротора может быть значительно меньше частоты вращения поля n1, например в двигателях индукторного типа.
Пакет ротора должен быть прежде всего рассчитан по механическим условиям, исходя из запаса прочности по пределу текучести материала. В первые годы создания сверхвысокоскоростных машин предпочитали выбирать массивный стальной ротор. В последующем выяснилась возможность применения ротора с короткозамкнутой обмоткой в шихтованном пакете. С повышением содержания кремния увеличивается предел текучести листовой электротехнической стали, поэтому для пакета ротора следует выбирать сталь марок Э31, Э41. Толщина листа для пакета ротора по причинам механической прочности не должна быть слишком малой; ее принимают равной 0,5 или 0,35 мм.
Материал для обмотки ротора следует выбирать со сравнительно большим пределом текучести и. малым удельным электрическим сопротивлением, например магниевую или кадмиевую бронзу. Однако более доступными материалами являются латунь, медь, сплавы алюминия. На современных электромашиностроительных заводах изготовление роторов с алюминиевой обмоткой хорошо освоено даже при сравнительно малых пазах и осуществляется на высокопроизводительной машине, что особенно важно при серийном производстве.
Изготовление ротора с медными и латунными стержнями связано с ручным трудом и является трудоемким процессом. Такие роторы в процессе работы склонны к разбалансировке вследствие того, что стержни перемещаются в пазах ротора.
В сверхвысокоскоростных асинхронных двигателях при большой частоте тока сравнительно велики индуктивные сопротивления рассеяния обмоток, поэтому с целью улучшения пусковых характеристик приходится выбирать материал обмотки ротора с большим удельным электрическим сопротивлением. В этом случае алюминий является более приемлемым, чем медь, поскольку он имеет большое удельное электрическое сопротивление.
Механическая прочность обмотки ротора является очень важным показателем двигателя с высокой частотой вращения и тяжелым пуском. Если принять при расчете допустимое напряжение на растяжение для меди 3 000 Н/см2, а для алюминия — 1000 Н/см2, то напряжение от центробежных сил в алюминиевой клетке получается на 30% ниже, чем в медной.
Поскольку электрошпиндели предназначены для шлифования поверхностей с высоким классом чистоты (8—12 классы), они должны иметь достаточную жесткость. Желательно иметь первую критическую скорость выше номинальной, что при весьма больших скоростях возможно только при сравнительно коротком роторе и достаточно большом его диаметре. В сверхвысокоскоростном двигателе целесообразно определять диаметр ротора, исходя из допустимого коэффициента запаса прочности материала ротора по пределу текучести.
Растягивающее напряжение σt в материале ротора, возникающее от действия центробежных сил, обусловленных собственной массой, не должно быть больше предела текучести σs материала. В противном случае произойдет «разбухание» пакета ротора.
Работоспособность сверхвысокоскоростного двигателя зависит от того, насколько правильно спроектирована его электрическая часть, какова прочность ротора, насколько эффективна система охлаждения двигателя и правильно ли выбраны опоры. Срок службы шариковых опор при больших окружных скоростях шарикоподшипников даже при смазке масляным туманом сравнительно невелик.
Больший ресурс времени работы оказывается у сверхвысокоскоростных машин на газовых опорах. Подшипники с газовой смазкой в СССР теоретически разработаны и внедряются при участии проф. С. А. Шейнберга и его учеников. Конструкции таких опор им описаны в [Л. 87]. В проблемной лаборатории МЭИ был спроектирован двигатель на длинных газовых подшипниках мощностью до 4 кВт с частотой вращения 48· 103об/мин. Он предназначен для турбокомпрессора. Такая конструкция позволяет обработать подшипники за один установ. Ротор с бортиком диаметром 20 мм вставляется справа и закрепляется подпятником. Наличие бортика позволяет фиксировать ротор с помощью подпятника в аксиальном направлении. При сборке и разборке двигателя не требуется снятия подшипников. Так как двигатель предназначен для турбокомпрессора, то на роторе имеются газовые турбины (газовые колеса). При данной конструкции они могут быть размещены или на обоих концах вала ротора, или с одной стороны. При расположении газовой турбины с одной стороны ее целесообразно разместить с той же стороны, где имеется бортик, так как в этом случае при сборке и разборке не потребуется снятия газовой турбины и не будет нарушена выполненная балансировка ротора вместе с газовой турбиной. Для охлаждения двигателя можно использовать газ, но более эффективно охлаждение водой. Поэтому в корпусе двигателя имеется канал для воды, создающий водяную рубашку. Двигатель спроектирован с трехфазной первичной обмоткой на напряжение 380 В с частотой 800 Гц. Вторичная роторная обмотка — короткозамкнутая. Данные таких двигателей при величине воздушного зазора 0,2 мм и закрытых пазах на роторе приведены в табл. 3-2 и 3-3.

Таблица 3-2

При работе двигателя на вентиляторную нагрузку его пусковой момент оказывается вполне достаточным, а перегрузочная способность по моменту около двукратной.
Табл и ц а 3-3

Материал подшипников — графит, пропитанный баббитом. Подпятник изготовлен из графита без пропитки. По окружности подшипника имеются два ряда отверстий диаметром 0,3—0,4 мм. Зазор между валом ротора и подшипником 10—30 мкм. Перед пуском двигателя сухой очищенный воздух подается в подшипники и проходит через отверстия в зазор между валом и подшипником, в результате чего создается несущая воздушная подушка. В момент пуска такие подшипники работают как аэростатические, затем по мере увеличения скорости и возникновения «воздушного клина» они начинают работать как аэродинамические. Однако при весьма больших частотах вращения длинные газовые опоры не годятся, так как в этом случае возникает полускоростной вихрь, шип (цапф) ротора задевает подшипник и разрушает его поверхность, двигатель выходит из строя. Поэтому при создании электромашин с частотой вращения (200—300)-103 об/мин и более следует применять короткие газовые опоры. 

Рис. 3-6. Электрошпиндель на коротких воздушных опорах, частота вращения 300-103 об/мин, продольный разрез.

Рис 3-7. Поперечный разрез ротора.
1 — цилиндрический бандаж из немагнитной стали; 2 — стержни обмотки; 3 — ферромагнитный

Исследования таких коротких подшипников были проведены в СССР Λ. Ш. Кабулашвили и С. А. Шейнбергом [Л. 87]. При отношении длины подшипника к диаметру шипа в коротких опорах удается избежать полускоростного вихря и обеспечить работоспособность двигателя при указанных частотах вращения ротора.
Спроектированный в Проблемной лаборатории электромеханики МЭИ микроэлектродвигатель с частотой вращения 300·103 об/мин, на частоту f1=5 кГц, с первичной обмоткой на напряжение U1=127 В представлен на рис. 3-6, 3-7. Этот двигатель выполнен на коротких газовых опорах. Его назначение — чистовое шлифование отверстий колец диаметром около одного миллиметра. Конструкция двигателя позволяет осуществлять обработку и доводку коротких газовых подшипников за один установ. При сборке и разборке подшипники остаются в неприкосновенности. Фиксация ротора в аксиальном направлении осуществляется торцевым подпятником так же, как и в предыдущей конструкции двигателя. На валу 3 ферромагнитного ротора (рис. 3-7) профрезерованы пазы-шлицы, в которых помещены стержни 2 короткозамкнутой обмотки, закрытые цилиндрическим немагнитным бандажом 1. Преимущество данного микроэлектрошпинделя перед пневмошпинделем заключается в том, что он обеспечивает сравнительно жесткую механическую характеристику. В пневмошпинделе очень мягкая механическая характеристика, которая неприемлема по условиям чистового шлифования. Исправить ее, сделать более жесткой не представляется возможным из-за трудности создания газовой установки с обратными связями по скорости.

Рис. 3-8. Асинхронный двигатель индукторного типа без обмоток на роторе, частота 1 000 Гц, мощность 100 Вт. а — статор; б — ротор.
Для экспериментальных исследований на кафедре электрических машин МЭИ были спроектированы асинхронные двигатели индукторного типа (АИД), построенyые на московских заводах и в Проблемной лаборатории электромеханики МЭИ, где они и были исследованы. Показанный на рис. 3-8 АИД предназначался для замены высокочастотного обычного двигателя с механическим редуктором.
Отдельные данные экспериментальных образцов АИД приведены в табл. 3-4.
Впервые электродвигатели с магнитной редукцией скорости вращения ротора нашли применение в часовых механизмах и электроприборах в виде однофазного индукторного синхронного двигателя Уорена. В настоящее время во многих областях техники широко применяют синхронные двигатели с магнитной редукцией скорости.

Таблица 3-4

Теоретические и экспериментальные исследования этих двигателей широко проводятся в СССР и в других странах [Л. 55, 57, 63, 64, 69].
Индукторные синхронные двигатели выполняют с открытыми пазами на роторе и статоре, причем на статоре, кроме малых зубчиков (гребенки) на внутренней поверхности расточки статора, имеются большие полузакрытые пазы для размещения проводников первичной обмотки (рис. 3-9). Из общей классической теории электрических машин известно, что в машине переменного тока с открытыми пазами на статоре возникает наибольший электромагнитный момент от основных зубцовых гармоник магнитных полей (Л. 23, 69, 73—77] при условии, когда z1=z2±p1. В индукторном двигателе указанные зубцовые поля являются рабочими полями. При заданных синхронной частоте вращения (п2с) ротора и частоте электросети определяется число зубцов ротора: z1=60f1/п2с, где п2с=пγ. После этого находят число зубцов гребенки z1 статора по вышеприведенному уравнению. Что касается числа больших статорных пазов z0 для размещения обмотки, то они выбираются исходя из числа полюсов (2p1) первичной обмотки.
Индукторные синхронные двигатели изготовляются в СССР и за рубежом в основном двух видов: однофазный конденсаторный (рис. 3-2,в; рис. 3-9) и однофазный с короткозамкнутым витком на статоре (рис. 3-2,г). В том и другом виде двигателей массивный ротор — зубчатый. При асинхронном пуске магнитное поле индуктирует в массиве зубчатого ротора токи, в результате чего возникает электромагнитный вращающий момент и ротор достигает той скорости, при которой он втягивается в синхронизм. Характеристики этих двигателей улучшены путем возбуждения постоянным кольцевым магнитом, помещенным на роторе.

Рис. 3-9. Синхронный индукторный двигатель с двумя зубчатыми поверхностями.
а — лист стали статора; б — продольный разрез ротора; в — взаимное расположение зубцов пакетов ротора; 1 — зубцы; 2 — постоянный магнит; 3 — вал;
При двусторонней зубчатости поверхностей в индукторном двигателе можно выбрать весьма малое зубцовое деление гребенки (рис. 3-9), выполнить сравнительно большое число зубцов ротора. В результате магнитной редукции скорости удается получить весьма низкие частоты вращения ротора. Например, для получения 60 об/мин ротора при частоте сети 50 Гц необходимо выполнить ротор с числом зубцов 50, а число зубцов гребенки статора при четырехполюсной первичной обмотке можно выбрать 48 или 52.
Когда z2>z1, ротор вращается в направлении основного поля, когда z2<z1, в противоположную сторону относительно основного поля; в последнем случае возникают большие потери мощности в стали ротора от основного поля.
Основные размеры: внутренний диаметр и длина пакета определяются исходя из электромагнитных нагрузок, мощности, так же как в обычных двигателях, но с учетом специфики конструкции и условий работы данной машины. При этом чем выше частота питающей сети, тем меньше основные размеры двигателя, которые в индукторном двигателе не зависят от скорости ротора, а определяются скоростью основного поля, которое индуцирует э. д. с. в обмотке двигателя.
Изготовление микродвигателей с двусторонней зубчатостью должно быть весьма точным, так как ширина зубца гребенки около одного миллиметра (рис. 3-9). Малейшая неточность в изготовлении и сборке индукторной машины сведет на нет пульсации магнитного поля от зубцов, и машина станет неработоспособной.
Для текстильных фабрик требуется огромное количество сверхвысокоскоростных веретен — вьюрков с частотой вращения свыше полумиллиона оборотов в минуту. В существующих в данное время конструкциях такая частота вращения достигается в результате механической редукции порядка десяти. Назначение вьюрка — обеспечение ложной крутки нити. Крепление — подвеска вьюрка осуществляется с помощью постоянного магнита, при этом он вращается в результате механического соприкосновения его шеек с двумя дисками.
Система с механической редукцией скорости имеет целый ряд недостатков: ненадежность, большой износ шеек шпинделя в результате сухого трения о диски, наличие громоздких постоянных магнитов для магнитной подвески — вьюрка, большие потери мощности на трение. Эти недостатки в значительной мере могут быть устранены в случае внедрения малогабаритного сверхвысокоскоростного электродвигателя. В направлении создания таких электродвигателей для текстильных машин ведутся работы в ряде организаций. Например, в Московском текстильном институте создан миниатюрный электровьюрковый двигатель на газовых подшипниках с частотой вращения до (200—300)·103 об/мин, потребляющий мощность около 5—10 Вт.
Выше были рассмотрены двигатели с цилиндрическим ротором. Наряду с ними в настоящее время применяют и торцевые электромашины. Торцевой сверхвысокоскоростной электродвигатель с дисковым безвальным ротором 2 на газовом подпятнике 4 показан на рис. 3-10. Он предназначен для крутильной головки текстильной машины. В верхней части безвального ротора имеется чашка 5 для материала нити. Магнитная стабилизация вращающегося ротора в радиальном направлении осуществляется основным магнитным полем машины с помощью дисковых выступов и кольцевых канавок, сделанных на активных поверхностях статора 1 и ротора 2. Такая магнитная стабилизация ротора имеет целый ряд недостатков и в первую очередь то, что кольцевые канавки на поверхности пакета статора уменьшают магнитную проводимость в зазоре и полезную поверхность пакета для рабочего магнитного потока машины. 

Рис. 3-10. Торцевой асинхронный двигатель с дисковым ротором.
При отключении обмотки 3 статора от электросети ротор оказывается в состоянии неустойчивого равновесия, так как в этом случае исчезают магнитные силы, которые удерживали его в радиальном направлении. Ротор приобретает хаотическое движение и может произойти поломка двигателя. В конструкции такого двигателя следует предусмотреть наряду с направляющими опорами 6, 7 постоянный кольцевой магнит или питание постоянным током статорной обмотки через выпрямитель от сети переменного тока, чтобы осуществить стабилизацию вращающегося ротора при выбеге, когда нет переменных токов в его обмотках. Более надежна магнитная стабилизация вращающегося ротора в радиальном направлении с помощью отдельной дисковой стабилизирующей обмотки, обтекаемой постоянным током, которая рассмотрена в § 5-4.
В электрической машине с безвальным ротором неоспоримо преимущество применения магнитного подвеса ротора, позволяющего повышать частоту вращения роторов, совмещать рабочие органы с телом ротора, осуществлять герметизацию статора от рабочей области ротора. Вместе с тем в ряде случаев эффективно использование магнитной стабилизации ротора совместно с другими видами опор, например с газовыми (см. гл. 6).

высокочастотный электродвигатель — Prix | Aliexpress

Offres spéciales sur les высокочастотный электродвигатель on aliexpress

Quel que soit l’objet de votre désir, la plateforme d’AliExpress est une véritable mine d’or. Une envie de высокочастотный электродвигатель? N’allez pas plus loin! Nous proposons des milliers de produits dans toutes les catégories de vente, afin de satisfaire toutes vos envies. Des grandes marques aux vendeurs plus originaux, du luxe à l’entrée de gamme, vous trouverez TOUT sur AliExpress, avec un service de livraison rapide et fiable, des modes de paiement sûrs et pratiques, quel que soit le montant et la quantité de votre commande.

Sans oublier les économies dont vous pouvez bénéficier grâce aux prix les plus bas du marché et à des remises sensationnelles. Votre высокочастотный электродвигатель va faire envie à tous vos proches, croyez-nous!»

AliExpress compare pour vous les différents fournisseurs et toutes les marques en vous informant des prix et des promotions en vigueur. Notre site regroupe également des commentaires de véritables clients, chaque produit étant noté selon plusieurs critères commerciaux. Tous les éléments sont réunis pour vous aider à prendre la meilleure décision, en fonction de vos besoins et de vos envies. Il vous suffit de suivre les conseils des millions de clients satisfaits par nos services.»

Alors n’attendez plus, offrez-vous votre/vos высокочастотный электродвигатель! Qualité et petits prix garantis, il ne vous reste plus qu’à valider votre panier et à cliquer sur «Acheter maintenant». C’est simple comme bonjour. Et parce que nous adorons vous faire plaisir, nous avons même prévu des coupons pour rendre votre achat encore plus avantageux. Pensez à les récupérer pour obtenir ce(s) высокочастотный электродвигатель à un prix imbattable.»

Chez AliExpress, rien ne nous rend plus fier que la lecture des retours positifs de notre chère clientèle, c’est pourquoi nous nous engageons à leur offrir le meilleur.

Появление электродвигателей переменного тока — Control Engineering Russia

АЛЕКСАНДР МИКЕРОВ, д. т. н., проф. каф. систем автоматического управления СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

В предыдущих статьях [1, 2] описывались первые электрические двигатели с питанием от гальванических батарей. Однако во второй половине XIX века в связи с развитием электрического освещения и дальней передачи электроэнергии появились сети однофазного переменного тока [3]. Это и дало толчок к изобретению электродвигателей переменного тока.

Рис. 1. Двигатель Уитстона

Первый однофазный двигатель был предложен в 1841 г. английским физиком Чарльзом Уитстоном (Charles Wheatstone), известным также своими изобретениями в области электрогенераторов и измерительной техники. Такой двигатель подключается к источнику переменного тока и содержит (рис. 1) статор с шестью электромагнитами (1) и ротор (2) в виде медного диска с тремя подково­образными магнитами (3) полярностью N и S.

Все электромагниты включены последовательно так, что при любой полярности питающего напряжения в промежутках между ними формируются магнитные потоки или полюса чередующейся полярности n и s, показанные на рис. 1 в начальный момент времени t₁ для положительного полупериода питающего напряжения. Предположим, что ротор вращается против часовой стрелки, и рассмотрим силы, действующие на верхний магнит ротора (аналогично работают и остальные магниты). Поскольку разноименные полюса магнитов притягиваются, а одноименные отталкиваются, вращающий момент ротора будет направлен против часовой стрелки, поддерживая его вращение. Если ротор двигателя успеет за полупериод напряжения повернуться на 60°, то в следующий полупериод все полюса статора поменяют полярность и ротор повернется еще на 60°. Таким образом, ротор будет поворачиваться синхронно с частотой перемагничивания электромагнитов (частотой сети), отчего подобные двигатели по предложению Чарльза Штейнмеца и получили название синхронных.

Рис. 2. Векторная диаграмма двигателя

Магнитное поле статора такого двигателя можно изобразить в виде вектора (рис. 2), где Ф₁, Ф₂,… Ф₆ — магнитные потоки статора, взаимодействующие с ротором в последовательные моменты времени t₁, t₂, … t₆, когда питающее напряжение меняет свой знак. Получается, что вектор магнитного потока статора шагает по окружности синхронно с ротором, поэтому такое магнитное поле можно назвать шагающим.

При реальных частотах сети 50–60 Гц такой двигатель, конечно, запуститься не сможет, но если его ротор раскрутить, например, вручную или другим двигателем до синхронной скорости, то он будет устойчиво работать с частотой вращения, пропорциональной частоте сети. При электрификации Лондона посредством однофазного напряжения в 1889 г. в качестве такого «раскруточного» двигателя применили так называемый универсальный двигатель (рис. 3) с обмотками якоря (1) и возбуждения (2). Его конструкция была разработана в 1884–85 гг. независимо друг от друга Вернером Сименсом и соавторами трансформатора, венгерскими инженерами Микша Дери и Отто Блати [4–6].

Рис. 3. Универсальный двигатель

Универсальные двигатели до сих пор широко применяются при мощности до нескольких киловатт, особенно в бытовой технике. Они привлекают производителей легкостью изменения скорости с помощью регулирования напряжения, как в обычном двигателе постоянного тока. Однако для мощных приводов такое регулирование было в то время затруднительным. Поэтому для электрической тяги на железных дорогах и в лифтах с питанием от сети переменного тока стали применять так называемый репульсионный двигатель, изобретенный в 1885 г. знаменитым американским электротехником Илайю Томсоном (Elihu Thomson) и усовершенствованный позднее Микша Дери [3, 5, 6].

Рис. 4. Репульсионный двигатель

Илайю Томсон (1853–1937), родом из Англии, соединял в себе таланты блестящего университетского профессора, крупного инженера, плодовитого изобретателя (696 патентов) и успешного предпринимателя [7]. Он разработал различные системы электрического освещения, высокочастотные генератор и трансформатор, самопишущий ваттметр, один из способов электросварки, а также, например, улучшил рентгеновские трубки. Томсон основал электротехнические компании в Англии, Франции и США. В 1892 г. его компания Thomson–Houston слилась с компанией Эдисона, образовав крупнейшую электротехническую компанию мира — General Electric.

По конструкции репульсионный двигатель, схема которого показана на рис. 4, похож на универсальный двигатель с якорем (1) и возбуждением в виде электромагнита (2). Отличие состоит в том, что щетки двигателя (3) закорочены и могут вручную поворачиваться [8]. При питании переменным напряжением в закороченной обмотке якоря наводится ЭДС и идет ток, направление которого, в соответствии с законом Ленца, таково, что создаваемый им поток противодействует магнитному потоку статора.

Тогда, если в некоторый полупериод питающего напряжения электромагнит (2) имеет полюс N внизу, то якорь (1) — такой же полюс наверху, как показано на рис. 4, что приведет к их взаимному отталкиванию и вращению ротора по часовой стрелке. Это и объясняет название двигателя, которое в дословном переводе означает «отталкивающийся». При этом величина наводимой ЭДС, а значит, и вращающего момента определяются положением щеток. Когда они горизонтальны, ЭДС и момент максимальны (режим пуска). Далее при повороте щеток против часовой стрелки момент будет падать, а скорость нарастать. Таким образом, пуск и скорость репульсионного двигателя легко регулируются разворотом щеток без изменения напряжения питания.

Тем не менее проблемы всех коллекторных двигателей, связанные с искрением, помехами и быстрым износом, были решены лишь после создания асинхронного двигателя. По своему устройству он гораздо проще любого двигателя постоянного тока, поэтому удивительно, что он был изобретен почти на полстолетия позже, несмотря на то, что, как отмечал Илайю Томсон: «Трудно составить такую комбинацию из магнитов переменного тока и кусков меди, которая не имела бы тенденции к вращению» [5].

Рис. 5. Галилео Феррарис (1847–1897)

Асинхронный двигатель базируется на концепции вращающегося магнитного поля, выдвинутой практически одновременно в середине 1880-х гг. двумя выдающимися учеными — Николой Теслой [3] и итальянским профессором физики Галилео Феррарисом (Galileo Ferraris) (рис. 5). Последний родился на севере Италии в семье фармацевта и после окончания Туринского университета стал профессором Музея индустрии, где изучал трансформаторы, многофазные цепи, линии передачи переменного тока, а также оптические приборы. Он прожил короткую жизнь, но успел заслужить в Европе звание «отца трехфазного тока» [5, 9, 10].

Если вернуться к концепции, то во вращающемся магнитном поле вектор магнитного потока статора постоянен по величине, но, в отличие от шагающего поля (рис. 2), непрерывно (равномерно) вращается с синхронной скоростью. Тогда очевидно, что ротор в виде магнита, помещенный внутри такого поля, будет вовлекаться им в синхронное вращение, что и происходит в рассмотренном выше двигателе Уитстона. Однако выяснилось, что аналогично будет вращаться и немагнитный ротор из любого проводящего металла. Еще в 1824 г. известный французский физик академик Доминик Араго (Dominique Arago) продемонстрировал опыт, названный им «магнетизмом вращения» [5] и показанный на рис. 6.

Рис. 6. Опыт Араго

Диск (1) из меди или стали на стеклянной пластине (2) вращался в том же направлении, что и вращающийся магнит (3). Объяснение этому загадочному явлению нашел Майкл Фарадей в 1831 г. после открытия закона электромагнитной индукции (закона Фарадея). Согласно ему, вращающееся магнитное поле магнита индуцирует в диске вихревые токи, создающие собственное магнитное поле, взаимодействующее с вращающимся.

Рис. 7. Опыт Бейли

Этот принцип и лежит в основе современных асинхронных двигателей (в английской литературе — индукционных), имеющих металлический ротор и отличающихся только тем, что в них вращающееся магнитное поле образуется неподвижной обмоткой статора. Первый шаг к созданию такого двигателя был сделан английским физиком Уолтером Бейли (Walter Bailey) в 1879 г., заменившим в опыте Араго вращающийся магнит на четыре электромагнита (2–5), токи в которых переключались последовательно вручную (рис. 7) [5, 10]. Но такое устройство создавало шагающее через 90^o магнитное поле. А как получить непрерывно (равномерно) вращающееся магнитное поле?

На этот вопрос ответил вышеупомянутый Феррарис в 1888 г. в докладе Туринской академии наук, математически сформулировав два условия [5, 10]:

1. Обмотка двигателя должна содержать две независимые части (называемые теперь фазами), магнитные потоки которых геометрически взаимно перпендикулярны.
2. Фазы должны быть запитаны двумя гармоническими напряжениями, сдвинутыми на четверть периода (синус и косинус).

Позднее Михаил Осипович Доливо-Добровольский предложил называть такую систему токов Drehstrom, что в дословном переводе с немецкого означает «вращательный ток» [6].

Рис. 8. Двухфазный двигатель Феррариса

Свою теорию Феррарис блестяще подтвердил макетом двигателя мощностью 3 Вт (рис. 8), имеющего ротор (1) в виде полого медного стаканчика и статор (2) с фазами A и B. Фазы разделены на две секции с разным числом витков, намотанных проводом разного диаметра так, чтобы создавать индуктивный сдвиг фаз токов в 90° при питании от однофазной сети.

В 1890 г. французские инженеры Морис Хитин (Maurice Hutin) и Морис Леблан (Maurice Leblanc) предложили использовать для сдвига фаз токов конденсатор [6]. В таком виде двухфазный двигатель дожил до наших дней под названием конденсаторного двигателя. При этом габариты конденсатора соизмеримы с размерами самого двигателя, поэтому данное техническое решение пригодно только для маломощных двигателей.

Сам Феррарис также заявлял, что «…аппарат, основанный на исследованном нами принципе, не может иметь никакого промышленного значения как двигатель» [10]. Поэтому он его не запатентовал (как, впрочем, и остальные свои открытия) и отклонил, в отличие от Теслы, предложение Вестингауза о сотрудничестве. Тем не менее его работы дали впоследствии повод оспаривать патенты Теслы в некоторых из 25 судебных процессов компании Вестингауза [5, 9]. Пессимистический вывод о перспективах своего двигателя Феррарис сделал, оценив величину его КПД в точке максимума мощности на валу — ниже 50%. Однако в данной точке это справедливо и для двигателей постоянного тока. Поэтому в дальнейшем рабочие точки стали выбирать ближе к скорости холостого хода, где в идеале КПД любого электродвигателя стремится к 100%.

Рис. 9. Двигатель Теслы

Совершенно по другому пути пошел Тесла, предложив в 1887 г. многофазные системы, где сдвинутые напряжения питания фаз вырабатывались питающим генератором, как показано, например, на рис. 9, где: 1 — генератор, 2 — двухфазный двигатель, 3 — контактные кольца генератора, 4 — обмотка ротора (кольца двигателя не показаны) [5, 10].

При положении переключателя ON ротор запитывается постоянным напряжением, и это двухфазный синхронный двигатель с электромагнитным возбуждением. В положении OFF обмотка ротора закорачивается, и получается асинхронный двигатель, названный Теслой индукционным. Эксперт патентного ведомства поначалу не поверил в работоспособность такого странного двигателя, пока Тесла не продемонстрировал ему действующий макет (рис. 10).

Рис. 10. Макет двигателя Теслы

Двигатели Теслы и Феррариса легко запускались от питающей сети, однако с увеличением нагрузки их скорость падала, что подтверждается принципиальным отличием асинхронного двигателя от синхронного. Действительно, асинхронный двигатель развивает вращающий момент лишь при наличии тока, а следовательно, и ЭДС, индуцируемой в роторе. А, по закону Фарадея, это возможно лишь тогда, когда ротор пересекает силовые линии поля статора, т. е. когда скорости их вращения не одинаковы (не синхронны).

Как описано в статье [3], Тесла вместе с Вестингаузом начали активно внедрять асинхронные двигатели в жизнь, однако они были доведены до совершенства и приняли современный вид лишь благодаря трудам нашего соотечественника Михаила Осиповича Доливо-Добровольского, которые будут рассмотрены в следующих статьях.

Что касается многофазных синхронных двигателей, то они нашли широкое применение там, где требуется стабильная скорость вращения, например в компрессорах, приводах генераторов и т. д. Синхронные двигатели с постоянными магнитами входят в состав современных вентильных двигателей, создающих все большую конкуренцию пока еще наиболее распространенным электродвигателям постоянного тока.

• Потребность в двигателях переменного тока возникла при внедрении однофазных осветительных сетей. Первым стал синхронный двигатель Уитстона с постоянными магнитами (1841 г.).

• Однако такие двигатели не имели пускового момента, поэтому на практике применялись универсальные двигатели Сименса и репульсионные двигатели Томсона (1884-5 гг).

• Достаточно мощные двигатели для промышленности были созданы только в середине 1880-х гг., после того как концепция вращающегося магнитного поля была математически сформулирована Феррарисом и реализована в многофазных синхронных и асинхронных двигателях Теслы, запущенных в производство на заводах Вестингауза.

Facebook

Twitter

Вконтакте

Google+

13 распространенных причин неисправности электродвигателей

4 Февраля 2018

В промышленности электродвигатели используются повсеместно, они становятся технически все сложнее, что часто может осложнять поддержание их работы на пике эффективности. Важно помнить, что причины неисправностей электродвигателей и приводов не ограничиваются одной областью специализации: они могут быть как механического, так и электрического характера. И только нужные знания разделяют дорогостоящий простой и продление срока службы.

Наиболее частые неисправности электродвигателей — повреждения изоляции обмоток и износ подшипников, возникающие по множеству разных причин. Эта статья посвящена заблаговременному обнаружению 13 наиболее распространенных причин повреждений изоляции и выхода из строя подшипников.

Качество электроэнергии

1. Переходное напряжение
2. Асимметрия напряжений
3. Гармонические искажения

Частотно-регулируемые приводы

4. Отражения на выходных ШИМ-сигналах привода
5. Среднеквадратичное отклонение тока
6. Рабочие перегрузки

Механические причины

7. Нарушение центрирования
8. Дисбаланс вала
9. Расшатанность вала
10. Износ подшипника

Факторы, связанные с неправильной установкой

11. Неплотно прилегающее основание
12. Напряжение трубной обвязки
13. Напряжение на валу

Качество электроэнергии

1. Переходное напряжение

Переходные напряжения могут происходить из множества источников как на самом предприятии, так и за его пределами. Включение и выключение нагрузки поблизости, батареи конденсаторов коррекции коэффициента мощности или даже погодные явления — все это может создавать переходные напряжения в распределительных сетях. Эти процессы с произвольной амплитудой и частотой могут разрушать или повреждать изоляцию обмоток электродвигателей.

Обнаружение источника переходных процессов может оказаться сложной задачей, поскольку они происходят нерегулярно, а их последствия могут проявляться по-разному. Например, переходные процессы могут проявиться в контрольных кабелях и необязательно нанесут вред непосредственно оборудованию, но они могут нарушить его работу.

Воздействие: повреждение изоляции обмотки электродвигателя приводит к раннему возникновению неисправностей и незапланированному простою.

Прибор для измерения и диагностики: трехфазный анализатор качества электроэнергии Fluke 435-II.

Критичность: высокая.

2. Асимметрия напряжений

Трехфазные распределительные сети часто питают однофазные нагрузки. Асимметрия сопротивления или нагрузки может быть причиной асимметрии напряжений на всех трех фазах. Возможные неисправности могут находиться в проводке электродвигателя, на клеммах электродвигателя, а также в самих обмотках. Эта асимметрия может вызывать перегрузки в каждой фазной цепи трехфазной сети. Одним словом, напряжение на всех трех фазах всегда должно быть одинаковым.

Воздействие: асимметрия является причиной сверхтоков в одной или нескольких фазах, которые вызывают перегрев и повреждение изоляции.

Инструмент для измерения и диагностики: трехфазный анализатор качества электроэнергии Fluke 435-II.

Критичность: средняя.

3. Гармонические искажения

Проще говоря, гармоники — это любые нежелательные дополнительные высокочастотные колебания напряжения или тока, поступающие на обмотки электродвигателя. Эта дополнительная энергия не используется для вращения вала электродвигателя, а циркулирует в обмотках и в конечном итоге приводит к потере внутренней энергии. Эти потери рассеиваются в виде тепла, которое со временем ухудшает изолирующие свойства обмоток. Некоторые гармонические искажения формы тока являются нормой для систем, питающих электронную нагрузку. Гармонические искажения можно измерить с помощью анализатора качества электроэнергии, проконтролировав величины токов и температуры на трансформаторах и убедившись, что они не перегружены. Для каждой гармоники утвержден приемлемый уровень искажений, который регламентируется стандартом IEEE 519-1992.

Воздействие: снижение эффективности электродвигателя приводит к дополнительным расходам и увеличению рабочей температуры.

Инструмент для измерения и диагностики: трехфазный анализатор качества электроэнергии Fluke 435-II.

Критичность: средняя.

Частотно-регулируемые приводы

4. Отражения на выходных ШИМ-сигналах привода

Частотно-регулируемые приводы используют широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) для управления выходным напряжением и частотой питания электродвигателя. Отражения возникают из-за несогласованности полных сопротивлений источника и нагрузки. Несогласованность полных сопротивлений может произойти в результате неправильной установки, неправильного выбора компонентов или ухудшения состояния оборудования со временем. Пик отражения в цепи электропривода может достигать уровня напряжения шины постоянного тока.

Воздействие: повреждение изоляции обмотки электродвигателя приводит к незапланированному простою.

Прибор для измерения и диагностики: Fluke 190-204 ScopeMeter® , 4-канальный портативный осциллограф с высокой частотой выборки.

Критичность: высокая.

5. Среднеквадратичное отклонение тока

По своей сути среднеквадратичное отклонение тока — это паразитные токи, циркулирующие в системе. Среднеквадратичное отклонение тока образуется как результат частоты сигнала, уровня напряжения, емкости и индуктивности в проводниках. Эти циркулирующие токи могут выйти через системы защитного заземления, вызывая ложное размыкание или, в некоторых случаях, нагревание обмотки. Среднеквадратичное отклонение тока можно обнаружить в проводке электродвигателя, это сумма тока с трех фаз в любой момент времени. В идеальной ситуации сумма этих трех токов должна равняться нулю. Иными словами, обратный ток от привода будет равняться току, поступающему на привод. Среднеквадратичное отклонение тока можно также представить в виде асимметричных сигналов в нескольких проводниках, имеющих емкостную связь с заземляющим проводником.

Воздействие: произвольное размыкание цепи из-за прохождения тока по защитному заземлению.

Прибор для измерения и диагностики: изолированный 4-канальный портативный осциллограф Fluke 190-204 ScopeMeter с широкополосными (10 кГц) токовыми клещами (Fluke i400S или аналогичные).

Критичность: низкая.

6. Рабочие перегрузки

Перегрузка электродвигателя возникает, когда он работает под повышенной нагрузкой. Основными признаками перегрузки электродвигателя являются чрезмерное потребление тока, недостаточный крутящий момент и перегрев. Избыточное тепловыделение электродвигателя является главной причиной его неисправности. При перегрузке электродвигателя его отдельные компоненты — включая подшипники, обмотки и другие части — могут работать нормально, но электродвигатель будет перегреваться. Поэтому начинать поиски неисправности следует с проверки именно перегруженности электродвигателя. Поскольку 30% всех неисправностей электродвигателей происходят именно из-за их перегруженности, важно понимать, как измерять и определять перегрузку электродвигателя.

Воздействие: преждевременный износ электрических и механических компонентов электродвигателя, ведущий к необратимому выходу из строя.

Инструмент для измерения и диагностики: цифровой мультиметр Fluke 289.

Критичность: высокая.

7. Нарушение центрирования

Нарушение центрирования возникает при неправильном выравнивании вала привода относительно нагрузки или смещении передачи, которая их соединяет. Многие специалисты считают, что гибкое соединение устраняет и компенсирует смещение, тем не менее, гибкое соединение защищает от смещения только саму передачу. Даже с гибким соединением не отцентрированный вал будет передавать повреждающие циклические усилия по своей длине на электродвигатель, вызывая повышенный износ электродвигателя и увеличивая фактическую механическую нагрузку. Кроме того, нарушение центрирования может быть причиной вибрации валов как нагрузки, так и электропривода. Существует несколько типов нарушения центрирования:

• Угловое смещение: оси валов пересекаются, но не параллельны;
• Параллельное смещение: оси валов параллельны, но не соосны;
• Сложное смещение: сочетание углового и параллельного смещений. (Примечание: практически всегда нарушение центрирования является сложным, но практикующие специалисты рассматривают их как сумму составляющих смещений, поскольку устранять нарушение центрирования проще по отдельности — угловую и параллельную составляющие).

Влияние: преждевременный износ механических компонентов привода, вызывающий преждевременные неисправности.

Прибор для измерения и диагностики: лазерный инструмент для центрирования вала Fluke 830.

Критичность: высокая.

8. Дисбаланс вала

Дисбаланс — это состояние вращающейся детали, когда центр масс расположен не на оси вращения. Иными словами, когда центр тяжести находится где-то на роторе. Хотя устранить дисбаланс двигателя полностью невозможно, можно определить, не выходит ли он за рамки приемлемых значений, и предпринять меры для исправления ситуации.

Дисбаланс может быть вызван различными причинами:

• скопление грязи;
• отсутствие балансировочных грузов;
• отклонения при производстве;
• неравная масса обмоток двигателя и другие факторы, связанные с износом.

Тестер или анализатор вибрации поможет определить, сбалансирован вращающийся механизм или нет.

Влияние: преждевременный износ механических компонентов привода, вызывающий преждевременные неисправности.

Прибор для измерения и диагностики: измеритель вибрации Fluke 810.

Критичность: высокая.

9. Расшатанность вала

Расшатанность возникает из-за чрезмерного зазора между деталями. Расшатанность может возникать в нескольких местах:

• Расшатанность с вращением возникает из-за чрезмерного зазора между вращающимися и неподвижными частями машины, например, в подшипнике.
• Расшатанность без вращения возникает между двумя обычно неподвижными деталями, например, между опорой и основанием или корпусом подшипника и машиной.

Как и в случаях со всеми другими источниками вибрации, важно уметь определить расшатанность и устранить проблему, избежав убытков. Определить наличие расшатанности во вращающейся машине можно с помощью тестера или анализатора вибрации.

Влияние: ускоренный износ вращающихся компонентов, вызывающий механические неисправности.

Прибор для измерения и диагностики: измеритель вибрации Fluke 810.

Критичность: высокая.

10. Износ подшипника

Неисправный подшипник имеет повышенное трение, сильнее нагревается и имеет пониженную эффективность из-за механических проблем, проблем со смазкой или износа. Неисправность подшипника может быть следствием различных факторов:

• нагрузка, превышающая расчетную;
• недостаточная или неправильная смазка;
• неэффективная герметизация подшипника;
• нарушение центрирования вала;
• неправильная установка;
• нормальный износ;
• наведенное напряжение на валу.

Когда неисправности подшипников начинают проявляться, это также вызывает каскадный эффект, ускоряющий выход двигателя из строя. 13% неисправностей двигателя вызваны неисправностями подшипников, и более 60 % механических неисправностей на предприятии вызваны износом подшипников, поэтому важно знать, как устранять эти потенциальные проблемы.

Влияние: ускоренный износ вращающихся компонентов приводит к выходу подшипников из строя.

Прибор для измерения и диагностики: измеритель вибрации Fluke 810.

Критичность: высокая.

Факторы, связанные с неправильной установкой

11. Неплотно прилегающее основание

Неплотное прилегание вызывается неровным монтажным основанием двигателя или приводимого в движение компонента или неровной монтажной поверхностью, на которой располагается монтажное основание. Данное состояние может создать неприятную ситуацию, при которой затяжка монтажных болтов на самом деле привносит новые нагрузки и нарушение центрирования. Неплотное прилегание опоры часто возникает между двумя диагонально расположенными крепежными болтами, как, например, в случае с неровным стулом или столом, которые раскачиваются по диагонали. Существуют два типа неплотного прилегания основания:

• Параллельное неплотное прилегание основания —возникает, когда одна монтажная опора расположена выше, чем три другие;
• Угловое неплотное прилегание основания —возникает, когда одна из монтажных опор не параллельна или не перпендикулярна по отношению к монтажной поверхности.

В обоих случаях неплотное прилегание основания может быть вызвано неровностями в монтажной опоре механизма или в монтажном основании, на котором находится опора. В любом случае найти и устранить неплотное прилегание необходимо до центрирования вала. Качественный лазерный инструмент для центрирования может определить неплотное прилегание основания данной вращающейся машины.

Влияние: нарушение центрирования компонентов механического привода.

Прибор для измерения и диагностики: лазерный инструмент для центрирования вала Fluke 830.

Критичность: средняя.

12. Напряжение трубной обвязки

Натяжением трубной обвязки называется состояние, при котором новые нагрузки, натяжения и силы, действующие на остальное оборудование и инфраструктуру, передаются назад на двигатель и привод, приводя к нарушению центрирования. Наиболее часто встречающимся примером этого являются простые схемы с электродвигателем/насосом, когда что-то оказывает воздействие на трубопроводы, например:

• смещение в фундаменте;
• недавно установленный клапан или другой компонент;
• предмет, ударяющий, сгибающий или просто давящий на трубу;
• сломанные или отсутствующие крепления для труб или настенная арматура.

Эти силы могут оказывать угловое или смещающее воздействие, что в свою очередь приводит к смещению вала двигателя/насоса. По этой причине важно проверять центрирование машины не только во время установки — точное центрирование является временным состоянием и может изменяться с течением времени.

Влияние: нарушение центрирования вала и последующие нагрузки на вращающиеся компоненты, приводящие к преждевременным неисправностям.

Прибор для измерения и диагностики: лазерный инструмент для центрирования вала Fluke 830.

Критичность: низкая.

13. Напряжение на валу

Когда напряжение на валу электродвигателя превышает изолирующие характеристики смазки подшипника, происходит пробой на внешний подшипник, что вызывает точечную коррозию и образование канавок на дорожке качения подшипника. Первыми признаками проблемы являются шум и перегрев, возникающие по мере того, как подшипники теряют первоначальную форму, а также появление металлической крошки в смазке и увеличение трения подшипника. Это может привести к разрушению подшипника уже через несколько месяцев работы электродвигателя. Неисправность подшипника — это дорогостоящая проблема как с точки зрения восстановления электродвигателя, так и с точки зрения простоя оборудования, поэтому предотвращение этого посредством измерения напряжения на валу и тока в подшипниках является важной частью диагностики. Напряжение на валу присутствует только тогда, когда на двигатель подается питание, и он вращается. Угольная щетка, устанавливаемая на щуп, позволяет измерять напряжение на валу при вращении электродвигателя.

Влияние: дуговые разряды на поверхности подшипника вызывают точечную коррозию и образование канавок, что в свою очередь приводит к чрезмерной вибрации и последующей неисправности подшипника.

Прибор для измерения и диагностики: изолированный 4-канальный портативный осциллограф Fluke-190-204 ScopeMeter, щуп AEGIS с угольными щетками для измерения напряжения на валу.

Критичность: высокая.

Четыре стратегии для достижения успеха

Системы управления электродвигателями используются в важных процессах на заводах. Поломка оборудования может привести к большим финансовым потерям, связанным как с потенциальной заменой электродвигателя и его деталей, так и с простоем систем, зависящих от данного электродвигателя. Обеспечивая обслуживающих инженеров и техников необходимыми знаниями, определяя приоритеты работ и проводя профилактическое обслуживание для контроля оборудования и устранения трудно обнаруживаемых проблем, зачастую можно избежать неисправностей, вызванных рабочими нагрузками, и сократить потери от простоя.

Существуют четыре ключевые стратегии для устранения или предотвращения преждевременных поломок электродвигателя и вращающихся деталей:

1. Запись рабочих условий, технических характеристик оборудования и диапазонов допусков рабочих характеристик.
2. Регулярный сбор и запись критических измерений при установке, до и после технического обслуживания.
3. Создание архива эталонных измерений для анализа тенденций и обнаружения изменения состояния.
4. Построение графиков отдельных измерений для выявления основных тенденций.Любые изменения в линии тенденций более чем на +/- 10-20% (или любую другую определенную величину, в зависимости от эксплуатационных характеристик или критичности системы) необходимо исследовать для выявления причин возникновения проблем.

Электродвигатели переменного тока, 400 Гц — Высокочастотные асинхронные двигатели переменного тока

Kawak Aviation производит электродвигатели переменного тока 400 Гц для ряда применений, включая насосы для перекачки жидкости, функции каротажа вертолетов и вспомогательные приводы. Компания имеет успешную историю производства электродвигателей для аэрокосмической и оборонной промышленности.

Электродвигатели переменного тока Kawak серии 400 Гц предназначены для использования в самолетах с источниками питания 400 Гц. Конструктивные особенности включают в себя как высокую эффективность, так и высокую удельную мощность для снижения веса.Они разработаны в соответствии с военными стандартами, что делает их пригодными для использования как на коммерческих, так и на военных самолетах. Двигатели Kawak обеспечивают решение везде, где требуется питание асинхронного двигателя от источника питания 400 Гц.

Электродвигатели переменного тока

Kawak 400 Гц обладают передовыми характеристиками, производительностью и надежностью, необходимыми для постоянно растущих потребностей аэрокосмической промышленности, пилотируемых и беспилотных моторизованных систем и промышленных приложений.

Характеристики и преимущества:

• Класс защиты окружающей среды IP66
• Высокая удельная мощность и эффективность
• Алюминиевый корпус, обработанный на станке с ЧПУ, для максимальной теплопередачи и снижения веса
• Стандартный шлицевой выходной вал для различных применений
• Встроенные монтажные приспособления включены
• В прочной конструкции уплотнения используются дублирующие механизмы уплотнения, которые предотвращают попадание жидкостей в двигатель.

Технические характеристики для 5.Двигатель переменного тока мощностью 6 кВт (7,5 л.с.), 400 Гц:

Класс защиты IP ………………………… IP66
Фазы …………………………… 3
Напряжение ………………………… 208 В перем. Тока
Сила тока ……………… ……… .,30 АМП (предел 50 А)
Максимальный крутящий момент ………………. 13,59 фунт-фут
Номинальная скорость ……………………. 3800 об / мин
Тип выходного вала …………… SAE 5/8 ”-9 шлицев
Вес …………………………… 0,26 фунтов

Технические характеристики двигателя переменного тока мощностью 7,46 кВт (10 л. с.), 400 Гц:

Класс защиты IP ………………………… IP66
Фазы …………………………… 3
Напряжение ………………………… 208 В перем. Тока
Сила тока ……………… ………..50 ампер (предел 100А)
Максимальный крутящий момент ………………. 28,09 фунт-фут
Номинальная скорость ……………………. 3800 об / мин
Тип выходного вала …………… SAE 5/8 ”-9 шлицев
Вес …………………………… 0,26 фунтов

---

Продукт 3D Файл Загрузки:

---

---

ЗАЯВЛЕНИЕ КАЧЕСТВА KAWAK AVIATION TECHNOLOGIES
Все компоненты спроектированы и изготовлены таким образом, чтобы обеспечить максимальную надежность и долговечность. Изготовлено в США в соответствии с утвержденной системой контроля качества FAA / PMA, ваше удовлетворение гарантировано.

Сопряжение новых частотно-регулируемых приводов с существующими двигателями

Двигатели, подключенные к частотно-регулируемым приводам, получают питание, включающее изменяемую основную частоту, несущую частоту и очень быстрое нарастание напряжения. Эти факторы могут иметь негативные последствия, особенно при использовании существующих двигателей.

Существует ряд потенциальных проблем, которые могут стать реальными, когда частотно-регулируемый привод (VFD) используется для питания существующего асинхронного двигателя. Таким образом, вам следует провести тщательное исследование, чтобы определить, могут ли эти проблемы быть достаточно серьезными, чтобы вызвать пересмотр такой установки.С частотно-регулируемым приводом существующий двигатель, у которого обычно оставалось несколько лет эксплуатации, может внезапно выйти из строя.

Существующие двигатели рассчитаны только на работу с частотой 60 Гц, только 50 Гц или 60/50 Гц. Таким образом, вы должны задаться вопросом, может ли новый VFD соответствовать вашему существующему двигателю, и при этом он будет работать достаточно хорошо. Другими словами, сможет ли двигатель справиться с дополнительными факторами, которые могут вызвать большую вибрацию, повышение температуры и т. Д., А также возможное увеличение слышимого шума?

Высокие частоты могут вызывать проблемы

Вы должны знать о возможных побочных эффектах, вызванных высокой частотой пульсации при установке частотно-регулируемого привода на существующий двигатель.Эти отрицательные эффекты включают дополнительный нагрев, слышимый шум и вибрацию. Кроме того, схема широтно-импульсной модуляции (ШИМ) (см. Врезку «Основы приводов с регулируемой скоростью» на стр. 38), которая вызывает высокую скорость повышения напряжения несущей частоты, может вызвать пробой изоляции конечных витков обмоток двигателя, поскольку а также изоляция питающего кабеля.

Несущая частота, побочный продукт получения тока на переменной основной частоте, является причиной дополнительной мощности двигателя; эта мощность, по сути, представляет собой потерянную энергию, которая нагревает двигатель.Величина таких потерь варьируется в зависимости от конструкции статора и ротора двигателя и частоты несущей волны.

На частотах, отличных от основной, двигатель работает с очень большим проскальзыванием и, следовательно, работает несколько неэффективно. (Скольжение — это разница между скоростью вращения магнитного поля статора [синхронной скоростью асинхронного двигателя] и скоростью ротора.) Кроме того, ротор разрезает многочисленные линии магнитного потока; это явление производит дополнительные ватты и дополнительное тепло.(Обратите внимание, что высокочастотные колебания тока имеют низкую величину, а дополнительное тепло на порядок от 5% до 10% выше, чем от чистой синусоидальной волны).

Синхронная скорость четырехполюсного двигателя, питаемого мощностью 60 Гц, составляет 1800 об / мин. Тот же самый двигатель, если учесть «обертоны» или пульсации основной частоты тока, вызванные несущей частотой напряжения 4 кГц, через него будет протекать ток, основанный на этой высокой частоте. Таким образом, ротор четырехполюсного двигателя, рассчитанного на 60 Гц (с номинальной скоростью при полной нагрузке 1750 об / мин), питаемый от частотно-регулируемого привода, настроенного на выходную частоту 10 Гц, будет вращаться с 1/6 номинальной скорости. Если требуемый крутящий момент нагрузки постоянен при скоростях от низкой до полной, частота вращения скольжения остается постоянной. (Для получения дополнительной информации о скольжении см. «Термины, которые необходимо знать» на странице 38 и «Некоторые основы двигателя» на странице 46.) Для указанного выше двигателя, который работает с частотой 10 Гц, вал будет вращаться со скоростью 250 об / мин. .

Ротор, вращаясь со скоростью 250 об / мин и пересекая линии потока (магнитное поле) на основе основной частоты 10 Гц и синхронной скорости 300 об / мин (1/6 от 1800 об / мин), также пересекает линии магнитного потока из-за несущая частота напряжения 4 кГц.Синхронная скорость при 4 кГц составляет 120 000 об / мин ([120 x 4000] [деленное на] 4).

Исходя из синхронной скорости 120000 об / мин и скорости вала 250 об / мин, вы можете видеть, что магнитные линии потока, отсекаемые из-за несущей частоты (4 кГц), существенны по сравнению с синхронной скоростью 300 об / мин, вызванной 10 -Гц частота. Этот дополнительный ток, который передается на стержни ротора путем отсечения дополнительного магнитного потока, вызванного несущей частотой, производит очень небольшую полезную мощность.Большая часть этого тока рассеивается в виде тепла, что увеличивает температуру двигателя. Это дополнительное тепло представляет собой еще около 5-10% теплового накопления в двигателе и может вызвать дополнительную тепловую нагрузку на стержни ротора и обмотки статора двигателя, если он работает с полной нагрузкой. Эта высокочастотная мощность — неэффективный источник крутящего момента.

Из-за этих и других упомянутых условий вы можете захотеть снизить мощность существующего двигателя, когда он подключен к VFD. Количество энергии несущей частоты, которая рассеивается двигателем, зависит от амплитуды и частоты напряжения, а также реактивного сопротивления и сопротивления двигателя на результирующей частоте.Амплитуда тока определяется отношением напряжения к импедансу, а потерянные ватты — это произведение тока в квадрате на сопротивление.

Другие нежелательные побочные эффекты

Вы также должны знать о других потенциальных побочных эффектах, вызванных высокой частотой. К ним относятся нежелательный слышимый шум, вредная вибрация и проблемы с подшипниками.

Проблемы с вибрацией и шумом. Чтобы избежать проблем с шумом и вибрацией, рекомендуется, чтобы в используемом двигателе не было компонентов, которые могут резонировать на частотах, создаваемых двигателем (и его нагрузкой).Это возможно в системах, где частота питания известна, например, 60 Гц. Однако современные частотно-регулируемые приводы не имеют стандартной несущей частоты, а основная частота может находиться в диапазоне от менее 10% от 60 Гц до 100% от 60 Гц и выше. В зависимости от марки и номера модели частотно-регулируемого привода, соединенного с существующим двигателем, и других факторов, таких как характеристики электрической системы на объекте, резонансы в определенных компонентах могут возникать или не возникать.

Вы также должны учитывать, что когда двигатель, рассчитанный на 60 Гц, работает на другой электрической частоте, различные компоненты двигателя могут войти в механический резонанс, например вентилятор или вал. Каждый компонент имеет свою собственную механическую частоту, а электрическая частота, проходящая через катушки и стержни ротора, может вызывать механические колебания, которые отличаются от исходных проектных параметров. Когда электрическая частота соответствует собственной частоте механического компонента, могут возникнуть серьезные проблемы. Это может включать распад компонента.

Проблемы с подшипником. Еще одна возможная проблема, которая до сих пор не полностью изучена, — это медленное разрушение роликовых / шариковых (антифрикционных) подшипников, поддерживающих вал.Похоже, это вызвано током в подшипниках и статическим разрядом. Происходит то, что на поверхности ролика / шарика возникает точечная коррозия, которая при накоплении вызывает шум в подшипнике. Если не принять меры, начнет развиваться вибрация.

Проблемы с воздушным потоком. Дополнительный фактор, который следует учитывать при работе стандартного двигателя 60 Гц на очень низкой скорости, заключается в том, что вентилятор, который закреплен и прикреплен к ротору, может не создавать достаточного воздушного потока для эффективного охлаждения двигателя. Это верно, потому что воздушный поток пропорционален скорости вала.Таким образом, при половинной скорости вала поток воздуха вдвое меньше нормального. Для компенсации небольшого расхода воздуха при низких скоростях двигателя, если установка возможна, прикрепление блока нагнетателя воздуха постоянной скорости к задней части двигателя обычно обеспечивает надлежащее охлаждение.

Пробой изоляции проводника

Как уже упоминалось, схема ШИМ, вызывающая высокую скорость нарастания напряжения на несущей частоте, может вызвать пробой изоляции концевых витков обмоток двигателя, а также возможное нарушение изоляции фидерного кабеля.Это связано с очень высокой скоростью нарастания напряжения (скоростью изменения напряжения во времени) в сочетании с очень быстро повторяющимся импульсом напряжения, вызванным частотно-регулируемым приводом. [ИЛЛЮСТРАЦИЯ К РИСУНКУ 3 ОПРЕДЕЛЕНА]. Из-за этого явления произошли нарушения изоляции проводов в двигателях. Этот предмет не до конца изучен и в настоящее время исследуется. Известные факты по этому поводу резюмируются следующим образом.

• Переключатели в секции инвертора частотно-регулируемых приводов, используемых сегодня, приводят к тому, что мгновенное межвитковое напряжение внутри обмоток двигателя значительно выше, чем то, что производит эквивалентный нормальный источник синусоидальной волны.
• Каждый цикл основного напряжения состоит из множества импульсов напряжения.
• Большое расстояние между двигателем и его частотно-регулируемым приводом приводит к тому, что межвитковое напряжение становится еще выше.

Есть разные подходы к объяснению увеличения напряжения на клеммах двигателя. Некоторые объясняют это с помощью цепей резонансной емкости / индуктивности (LC); другие объясняют это с точки зрения теории стоячей волны. Оба подхода дают одинаковый результат.Когда расстояние между двигателем и его частотно-регулируемым приводом превышает критическое расстояние (которое может составлять всего 30 футов), возникает выброс напряжения, который может в два раза превышать амплитуду импульса напряжения, первоначально подаваемого на выходные клеммы частотно-регулируемого привода.

Это более высокое напряжение поступает на двигатель с такой высокой скоростью изменения для каждого из импульсов ШИМ, от нуля вольт до его пикового значения, что оно неравномерно распределяется по обмотке, вызывая высокие межвитковые напряжения в ближайших к нему витках. к силовым проводам.В результате на изоляцию проводника оказывается очень большая нагрузка, что может вызвать преждевременный пробой изоляции.

Доступны двигатели со специальным инверторным режимом, которые разработаны для соответствия или превышения амплитуд напряжения и времени нарастания, определенных в стандарте NEMA MG1, Двигатели и генераторы, Раздел .31.40.4.2, Пики напряжения. При подключении существующих двигателей к частотно-регулируемым приводам с помощью кабеля большой длины следует рассмотреть возможность использования фильтра, чтобы уменьшить влияние длинного кабеля.

Скин-эффект способствует убыткам

Помимо проблем, описанных выше, есть еще один компонент потерь, о котором вам следует знать: скин-эффект. Скин-эффект заставляет ток в системе переменного тока вытесняться к внешней поверхности проводника. Это явление приводит к тому, что сопротивление напрямую связано с квадратным корнем из частоты тока. Другими словами, чем больше частота, тем больше сопротивление из-за скин-эффекта. Несущие частоты обычно находятся в диапазоне от 800 Гц до 15 кГц, и токи на этих высоких частотах вызовут потери [I.sup.2] R. В то время как высокочастотные токи относительно номинальны, потери связаны с квадратичной мощностью тока.А несущая частота, даже в виде квадратного корня, может быть в некоторой степени эффективной из-за своего основного высокого значения. Геометрия стержней ротора также определяет степень влияния скин-эффекта на потери в роторе.

Применение двигателя очень важно

Вы должны помнить, что двигатель — это машина с постоянным крутящим моментом. Другими словами, при номинальной скорости и номинальном крутящем моменте он будет производить определенную мощность. Когда скорость снижается за счет уменьшения частоты и напряжения, двигатель, потребляя больше тока, будет пытаться поддерживать постоянную мощность, если этого требует нагрузка. Это можно сделать в ограниченной степени. Чем больше ток течет, тем больше тепла выделяется, и двигатель быстро перегревается.

В ситуациях, когда во всем используемом диапазоне скоростей требуется постоянная мощность, очень важно, чтобы размер двигателя соответствовал требуемой мощности при минимальной ожидаемой скорости вала. Например, если требуемый диапазон скоростей составляет от 50% до 100% номинальной скорости, а требуемая мощность нагрузки составляет 100 л.с., то двигатель все равно должен обеспечивать мощность 100 л.с. при скорости 50%.Это также означает, что при 100% -ной скорости выходная мощность двигателя, требуемая его нагрузкой, также будет составлять 100 л.с. однако требуемый крутящий момент нагрузки будет снижен на 50%. На полной скорости двигатель будет способен производить 200 л.с., что означает, что двигатель будет больше обычного.

При использовании частотно-регулируемого привода с уменьшением основной частоты для достижения более низкой скорости напряжение также снижается прямо пропорционально снижению скорости. Как упоминалось ранее, двигатель 460 В при половинной скорости ротора будет иметь 230 В.Таким образом, если мощность двигателя составляет 100 л.с. на полной скорости, его мощность будет только 50 л.с. на половинной скорости.

Некоторые нагрузки, такие как токарные и шлифовальные станки, требуют постоянной мощности во всем диапазоне рабочих скоростей. Предположим, частотно-регулируемый привод обслуживает двигатель токарного станка мощностью 20 л.с., который работает со снижением скорости на 25% (3/4 номинальной скорости). Вращающийся патрон токарного станка, который удерживает некоторый материал, обрабатываемый режущим инструментом, потребует постоянной мощности во всем используемом диапазоне скоростей. Если скорость снижена на 25%, напряжение снизится на 25%.Чтобы двигатель мог поддерживать постоянную мощность в лошадиных силах, он потребляет на 33% больше тока (4/3 нормальной силы тока). Поскольку ток производит тепло (в первую очередь потери [I.sup.2] R), двигатель должен иметь достаточную теплоемкость, чтобы выдерживать дополнительный ток.

Некоторые двигатели могут выдерживать определенную избыточную тепловую нагрузку в зависимости от коэффициента эксплуатации двигателя (SF). Обычно SF составляет от 1,0 до 1,15; за пределами этой точки произойдет повреждение двигателя. Поскольку напряжение снижается с использованием частотно-регулируемого привода, номинальная мощность двигателя в лошадиных силах должна быть увеличена, чтобы соответствовать требованиям к нагрузке на самой низкой используемой скорости, если требуется постоянная мощность.Конечно, это означает, что двигатель перестроен при использовании на более высоких скоростях и будет иметь более высокие потери и более низкий коэффициент мощности (PF) на более высоких скоростях при работе с нагрузкой ниже полной. Однако более низкий коэффициент мощности компенсируется ЧРП. Это условие, которое необходимо принять. В противном случае вы напрашиваетесь на проблемы.

При работе с двигателями вам будет полезно помнить следующие отношения:

1 л.с. = 0,746 кВт = [3 фунт-сила x 1750 об / мин] [деленное на] 5250

Любой из этих номеров можно изменить.Однако при этом должно соблюдаться равенство обеих сторон уравнения. Крутящий момент составляет фут-фунт. Если мощность остается постоянной, а скорость (об / мин) снижается, очевидно, что крутящий момент должен быть увеличен. Таким образом, в приведенном выше применении двигателя (где скорость снижена на 25%) выходной крутящий момент двигателя должен быть увеличен на 33%. И если мощность в кВт остается постоянной, а напряжение снижается (что происходит при использовании частотно-регулируемого привода для уменьшения скорости), ток необходимо увеличить. Это может привести к перегреву. Неправильное применение двигателей — одна из основных причин их выхода из строя.

Если кто-то рекомендует приобрести частотно-регулируемый привод для вашего существующего двигателя с целью внесения изменений, которые привели бы к установке любого значения выходного напряжения (с ограничением до входящего напряжения частотно-регулируемого привода) для любой конкретной основной частоты, будьте осторожны.

Такая корректировка может быть произведена; Например, вы можете настроить частотно-регулируемый привод на 460 В при 30 Гц. Если 460 В — это линейное напряжение (то есть максимальное напряжение), то по мере того, как основная частота превышает заданное значение, напряжение, поступающее на двигатель, остается постоянным.

Давайте еще раз посмотрим на один из приведенных выше примеров. Скажем, 100 л.с. требуется при половинной скорости, а частотно-регулируемый привод настроен на выдачу 460 В при 30 Гц. Что произойдет, если вы используете существующий двигатель мощностью 100 л.с.? Что ж, двигатель будет пытаться выдать 100 л.с. на половинной скорости и продолжит попытки, если основная частота будет увеличена, а напряжение останется постоянным на уровне 460 В. (Обратите внимание, что когда основная частота становится ниже установленного значения [скажем, 15 Гц], напряжение будет пропорционально уменьшено, в данном случае до 230 В.) При 30 Гц и 460 В железо в статоре этого существующего двигателя является магнитонасыщенным, что приводит к протеканию большего тока и чрезмерному нагреву двигателя. Это состояние может разрушить изоляцию проводов, а также отрицательно повлиять на другие компоненты двигателя. В статорах двигателей обычно достаточно железа, чтобы выдерживать определенное отношение напряжения к частоте (В / Гц). Но когда соотношение сильно увеличивается, требуется больше железа; иначе произойдет перегрев.

Тем не менее, использование 30 Гц при 460 В — это эффективный способ получить регулируемую скорость при постоянной мощности, если железо в статоре двигателя рассчитано на более высокое соотношение В / Гц.Это означает, что в статор двигателя необходимо поместить больше железа. Сегодня существуют определенные двигатели, у которых в статоре имеется дополнительное железо для работы при высоких соотношениях В / Гц. За них придется заплатить больше. Но для определенных типов приложений, таких как вышеупомянутые, такие двигатели могут быть экономически эффективными по сравнению с использованием существующего двигателя с удвоенной мощностью. Это связано с тем, что двигатель премиум-класса может работать при 30 Гц, 460 В и нормальном токе, тогда как существующий двигатель большой мощности, работающий при 30 Гц, 230 В, должен будет использовать удвоенный ток и будет испытывать потери, связанные с высоким текущая операция.

Резюме

При применении двигателей к нагрузкам, требующим постоянной мощности в широком диапазоне скоростей, вам часто будет полезно работать с человеком, разбирающимся в двигателях. Когда. При использовании существующего двигателя для такого использования часто достигается компромисс между мощностью двигателя и фактической выходной мощностью, другими словами, снижением номинальных характеристик двигателя. В таких ситуациях, вероятно, было бы лучше приобрести новый двигатель, отвечающий вашим требованиям.

Когда вы используете двигатель для приложения, в котором требования к крутящему моменту остаются постоянными или уменьшаются во всем применяемом диапазоне скоростей, частотно-регулируемый привод будет хорошим средством для достижения контроля скорости, при условии, что двигатель способен обрабатывать искаженную электрическую мощность, подаваемую на него. по ПФО.Применения, в которых требования к крутящему моменту остаются постоянными или уменьшенными во всем диапазоне скоростей двигателя, включают вентиляторы, насосы и конвейерные ленты.

Существуют определенные нагрузки, такие как центробежные насосы и вентиляторы, при которых при уменьшении скорости крутящий момент обычно уменьшается пропорционально квадрату скорости, а мощность в лошадиных силах уменьшается пропорционально кубу скорости. Таким образом, если мощность устанавливается на нижнем пределе требуемой скорости (скажем, 50% номинальной скорости при 10 л.с.), требуемая мощность на полной скорости будет в восемь раз больше, или 80 л.с.Как вы можете видеть в такой ситуации, решающий фактор для требований к мощности должен основываться на полной номинальной нагрузке.

УСЛОВИЯ ЗНАТЬ

Инвертор. Машина, устройство или система, которые меняют мощность постоянного тока на мощность переменного тока. Что касается ЧРП, работа инвертора осуществляется такими устройствами, как биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) и тиристоры с выключенным затвором (GTO).

Выпрямитель. Машина, устройство или система, которые меняют мощность переменного тока на постоянную. Выпрямление в частотно-регулируемых преобразователях типа PWM осуществляется диодами в так называемых «мостовых схемах».

Синхронная скорость. В асинхронных двигателях скорость вращения магнитного поля статора называется синхронной скоростью, которая равна (в об / мин): [120] x [f (частота сети в Гц)] [деленная на] P ( количество полюсов).

Соскальзывать. Этот термин отражает разницу между синхронной скоростью асинхронного двигателя и скоростью его ротора. Коэффициент скольжения в процентах равен [(синхронная скорость — скорость ротора) [деленная на] синхронную скорость] x 100.

СВЯЗАННАЯ СТАТЬЯ: ОСНОВЫ РЕГУЛИРУЕМОЙ СКОРОСТИ ПРИВОДА

Существуют различные типы частотно-регулируемых приводов, но все они используют принцип изменения основной частоты (60 Гц или 50 Гц) для изменения скорости. Основными компонентами частотно-регулируемого привода являются выпрямительное / инверторное оборудование (последнее включает в себя электрический коммутационный аппарат) и электронное управление. ЧРП изменяет (выпрямляет) поступающее напряжение 60 Гц на постоянный ток, а затем меняет (инвертирует) постоянный ток обратно на переменный, но с регулируемой основной частотой.

Для двигателя с постоянным числом полюсов существует прямая зависимость между основной частотой и частотой вращения вала двигателя. Таким образом, двигатель с номинальной частотой 60 Гц, работающий на половине номинальной скорости, будет питаться от частотно-регулируемого привода, производящего мощность 30 Гц.

Самый популярный тип частотно-регулируемых приводов, производимых сегодня, вырабатывает переменный ток посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ), которая разбивает синусоидальную волну на сегменты постоянного тока постоянной амплитуды каждые полупериод. Полный цикл состоит из половины положительного и половины отрицательного сегментов напряжения.Эта обработка модуляции электроэнергии создает импульсы постоянного напряжения очень высокой частоты (в диапазоне от 800 Гц до 15 кГц) для каждого полупериода. Эти импульсы имеют прямоугольную форму при просмотре на осциллографе и более широкие (более продолжительные) в центре полупериода и уже в конце полупериода. [ИЛЛЮСТРАЦИЯ К РИСУНКУ 1 опущена], на странице 41.)

Высокая частота импульсов напряжения составляет десять, называемую несущей частотой. Эти многочисленные «выстрелы» напряжения постоянного тока каждые полупериод имеют время нарастания напряжения на шине постоянного тока от нуля до полного, составляющее десятые доли микросекунд.Эта скорость нарастания импульсов напряжения (изменение напряжения от нуля до пикового напряжения) намного выше, чем скорость нарастания напряжения для нормальной синусоидальной волны. Из-за высокой скорости нарастания напряжения возникают скачки напряжения.

Поскольку ЧРП типа ШИМ вырабатывает высокочастотное пульсирующее напряжение, результирующий ток, который обратно зависит от импеданса, на самом деле имеет форму синусоидальной волны, но с многочисленными небольшими отклонениями, такими как частота тона, производимого музыкальный инструмент с обертонами, связанными с инструментом. Обычно полное гармоническое искажение (THD) на этих высоких частотах (от 800 до 15 кГц) составляет от 5% до 10%.

Результатом процесса ШИМ является ток, имеющий синусоидальную волну, которая может изменяться от 1 до 60 Гц (а иногда большое число может превышать 60 Гц для получения скорости вращения ротора, превышающей номинальную). Но форма волны тока на самом деле представляет собой сумму основной частоты плюс все сверхвысокие частоты, возникающие во время обработки модуляции, которая используется для создания пульсирующего напряжения.Из-за индуктивности обмотки двигателя форма волны тока выглядит синусоидальной с наложенным высокочастотным «шумом». Это вызывает у текущей синусоидальной волны множество мелких рябь или «обертонов», как показано на рис. 2 на стр. 41.

Выходной сигнал частотно-регулируемого привода состоит из двух компонентов: регулируемой основной частоты и несущей частоты. Таким образом, двигатель, подключенный к VFD, получает питание с этими частотами.

Воздействие высокой несущей частоты на двигатель может быть вредным.Чтобы уменьшить это влияние, ряд частотно-регулируемых приводов теперь используют асинхронное переключение, которое заставляет несущую частоту постоянно изменять частоту на очень высоких скоростях. При этом частотно-регулируемый привод ограничивает по крайней мере одно негативное воздействие (шум), вызванное несущей частотой.

Следует отметить, что по мере того, как основная частота (которая определяет скорость двигателя) уменьшается для снижения номинальной скорости вращения вала, напряжение также уменьшается, и в том же соотношении. Это означает, что для частотно-регулируемого привода, обслуживающего двигатель 460 В, работающий при 50% номинальной скорости, частотно-регулируемый привод подает на двигатель мощность 30 Гц и делает это при 230 В.Таким образом, двигатель развивает тот же крутящий момент, но только на половинной скорости и на половине его номинальной мощности.

СВЯЗАННАЯ СТАТЬЯ: УСТАНОВКА ТИПОВОГО ДВИГАТЕЛЯ / ПРИВОДА

Понимание характеристик двигателя и характеристик нагрузки очень важно при использовании двигателя для определенной нагрузки. И такое понимание становится более важным при использовании VFD.

Асинхронные двигатели, которые обычно рассчитаны на определенную скорость, являются наиболее популярным приводным механизмом, используемым сегодня.При заданной установившейся нагрузке эти двигатели будут поддерживать постоянную скорость вала. Другими словами, за исключением небольших изменений номинальной скорости из-за колебаний нагрузки, частота вращения вала двигателя не изменяется. Вместо этого он определяется частотой источника питания, подаваемого на двигатель, и количеством полюсов двигателя.

Сегодня, когда система привода требует регулировки скорости, обычный подход заключается в покупке частотно-регулируемого привода и использовании двигателя, который был разработан для обработки дополнительных параметров помимо тех, которые требуются для работы с нормальной синусоидальной волной 60 или 50 Гц.Таким образом, частотно-регулируемые приводы и двигатели часто заказываются комплектом из одного источника. Таким образом вы не только получите двигатель и частотно-регулируемый привод согласованной конструкции, но и получите преимущество, связанное с тем, что в случае возникновения проблем будет иметь дело всего один производитель. (См. Фото на странице 38.)

Однако соображения стоимости могут способствовать согласованию существующего двигателя с новым ЧРП. В этой ситуации требуется тщательный анализ этого соответствия.

СВЯЗАННАЯ СТАТЬЯ: НЕКОТОРЫЕ ОСНОВЫ МОТОРА

Синхронная скорость асинхронного двигателя представлена ​​следующим уравнением:

[Н.sub.s] = (120xf) [разделить на] P

где [N.sub.s] = синхронная скорость в об / мин

f = частота сети в Гц

P = количество полюсов

Например, четырехполюсный асинхронный двигатель 60 Гц имеет синхронную скорость 1800 об / мин ([120 x 60] [деленное на] 4).

Скорость ротора двигателя всегда меньше, чем синхронная скорость, потому что первый потребляет электрическую / магнитную энергию, вращаясь медленнее, чем магнитное поле статора. (В случае с генератором все наоборот; ротор, вращающийся со скоростью, превышающей синхронную, подает электроэнергию на клеммы.) Эта разница в скорости называется скольжением. Коэффициент скольжения представлен следующим уравнением:

% Коэффициент скольжения = [([N.sub.s] — [N.sub.r]) [делится на] [N.sub.s]] x 100

где [N.sub.r] = частота вращения ротора в об / мин

Таким образом, ненагруженный, высокоэффективный четырехполюсный двигатель, работающий при частоте вращения вала 1790 об / мин, будет иметь коэффициент скольжения 56%.Это выводится следующим образом: [(1800 — 1790) [деленное на] 1800] x 100. Тот же самый двигатель при полной нагрузке может иметь скорость вала 1750 об / мин. При этом условии коэффициент скольжения будет 2,78%. Выведение: [(1800 — 1750) [деленное на] 1800] x 100. Скорость вала при полной нагрузке для асинхронного двигателя с синхронной скоростью 1800 об / мин обычно варьируется от примерно 1780 до 1730 об. / Мин. Эта скорость зависит от КПД двигателя / конструктивных характеристик.

Более низкая скорость (величина скольжения) позволяет ротору пересекать магнитные линии потока, установленные статором, создавая таким образом электрическую мощность для своих магнитных нужд.По мере увеличения жабы двигателя скорость ротора уменьшается, в результате чего линии магнитного потока срезаются с большей скоростью. Это вызывает большее напряжение в стержнях ротора и больший ток, тем самым вырабатывая больше электроэнергии, чтобы противодействовать увеличению требований к крутящему моменту. Когда линии потока пересекаются с большей скоростью, протекает больше тока, и происходит увеличение нагрева из-за потерь [I.sup.2] R.

Лестер Б. Манц — руководитель отдела разработки регулируемых скоростей GE Motors, Форт-Уэйн, Индиана.Роберт Б. Морган — старший редактор журнала EC&M.

Заряженных электромобилей | «Электротехническая сталь» позволяет электродвигателям работать на гораздо более высоких частотах

«Электротехническая сталь» позволяет электродвигателям работать на гораздо более высоких частотах

Опубликовано: , 12 октября, 2016, , Чарльз Моррис, и рубрика Newswire, The Tech.

Инициатива DOE EV Everywhere, объявленная в 2012 году, поставила перед собой цель снизить стоимость аккумуляторных батарей для электромобилей до 125 долларов за киловатт-час, а стоимость системы электропривода до 8 долларов за киловатт.

Чтобы сделать это реальностью, федералы инвестируют около 59 миллионов долларов в 35 исследовательских проектов по всей стране. Один из них возглавляет Джун Цуй, доцент Университета штата Айова и старший научный сотрудник лаборатории Эймса Министерства энергетики США. Команда Цуй выиграла грант в размере 3,8 миллиона долларов, направленный на удовлетворение спроса на лучшие материалы и характеристики электродвигателей.

Задача сложнее, чем кажется — электродвигатели существуют с 1830-х годов, а простые улучшения были обнаружены давно.«Твердые вещи связаны с материалами», — сказал Цуй. «Это спрос на лучшие материалы».

Группа исследователей

Куй работает над разработкой двигателей с сердечником статора, изготовленным из тонких слоев новой «электротехнической стали». Новая сталь будет из сплава железа, содержащего 6,5% кремния, что вдвое превышает количество, используемое в большинстве современных электродвигателей. Куи сказал, что дополнительный кремний увеличивает удельное электрическое сопротивление материала примерно на 50%, уменьшая вихревые токи, тепло и потери мощности.

Cui предполагает, что эти двигатели будут работать на гораздо более высоких частотах — целых 400 герц по сравнению с сегодняшними типичными 60 герцами.Это приведет к гораздо большей удельной мощности двигателя, что позволит сделать двигатели меньше, легче и мощнее.

Однако работа на более высоких частотах снижает КПД двигателя. Новая электротехническая сталь Cui предназначена для уменьшения этих потерь эффективности, но есть одна загвоздка: сталь с повышенным содержанием кремния хрупкая и дорогая в производстве. Исследователи из Айовы изучат различные процессы производства электротехнической стали, чтобы сделать ее более пластичной и более дешевой в производстве.

Это перспективное исследование с долгосрочным горизонтом: «Примерно через 10 лет, если нам повезет, мы увидим эти моторы на дорогах», — говорит Цуй.

Источник: Университет штата Айова

Теги: EV Motors

Анализ вибрации электрических асинхронных двигателей

Электродвигатель — это электромеханическая машина, преобразующая электрическую энергию в механическую. Электродвигатели делятся на две большие группы: двигатели постоянного тока (DC) и двигатели переменного тока (AC); Двигатели переменного тока делятся на однофазные и многофазные. Многофазные двигатели могут быть асинхронными или синхронными.Тогда асинхронные двигатели могут быть с фазным ротором или короткозамкнутым ротором. Двигатели с короткозамкнутым ротором являются наиболее широко используемыми двигателями в современной промышленности. Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором относительно просты, очень надежны и не требуют особого обслуживания.

Асинхронные двигатели

работают по принципу электромагнитной индукции и также известны как асинхронные двигатели, поскольку их скорость вращения (об / мин) не достигает синхронной частоты электродвижущего поля. Асинхронные двигатели производятся для различных применений и требований, рабочая скорость, мощность и КПД, среди других параметров, рассматриваются при проектировании, существуют двигатели малой, средней и большой мощности, они также изготавливаются для работы на различных скоростях; количество полюсов двигателя определяет его рабочую скорость.

Количество полюсов	Синхронная скорость (об / мин) в зависимости от частоты входной мощности
	50 Гц	60 Гц
2	3000	3600
4	1500	1800
6	1000	1200
8	750	900
10	600	720
12	500	600
16	375	450

Основные компоненты электродвигателя

Основными компонентами асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором являются:

1. Статор
2. Ротор
3. Рама двигателя
4. Торцевой щиток
5. Подшипники
6. Клеммная коробка
7. Опорная база
8. Вентилятор охлаждения

Точки измерения вибрации

Как мы уже обсуждали в общих чертах в нашей статье «Где разместить датчик вибрации», в электродвигателе точки измерения вибрации должны соответствовать средней линии вала на корпусе подшипника. Обеспечьте стабильную установку на твердую деталь. По возможности производите измерения в горизонтальном (H), вертикальном (V) и осевом (A) направлениях каждого подшипника.

В крайнем неприводном положении датчик не всегда удастся разместить на средней линии, так как его закрывает защитный кожух вентилятора, однако рекомендуется подойти как можно ближе к подшипнику. Точки мониторинга должны быть отмечены, и данные всегда берутся с одних и тех же мест. Некоторые моторные кожухи изготовлены из алюминия; следовательно, магнит не прилипает; в этих случаях его можно удерживать рукой, сильно нажав.Избегайте использования удлинителей, поскольку они подавляют высокочастотные вибрации. В некоторых приложениях устанавливаются аксессуары для измерения вибрации; это устройства, которые крепятся с помощью клея или болтов, создавая фиксированный и прочный акселерометр.

Безопасность является приоритетом при выборе точек мониторинга вибрации; мы должны гарантировать, что мы не соприкасаемся с вращающимися или горячими частями, безопасность при сборе данных заботится об инструментах и ​​нашем здоровье.

Типичные отказы электродвигателей, обнаруживаемые с помощью анализа вибрации

Дисбаланс

В электродвигателях дисбаланс обычно вызывается одной из следующих причин:

• Неправильная процедура балансировки в мастерской.
• Неправильный выбор класса качества балансировки.
• Использование шпоночной канавки вне спецификации.
• Не учитывать шпоночный паз при балансировке в мастерской.
• Деформация ротора из-за чрезмерной температуры.
• Износ или поломка охлаждающего вентилятора.
• Износ или поломка муфты.
• Поломка или неправильная установка охлаждающего вентилятора.

При диагностировании дисбаланса в электродвигателе могут быть рекомендованы следующие действия:

• Просмотрите историю эксплуатации и технического обслуживания, чтобы проверить, когда возникла проблема: в процессе эксплуатации, после технического обслуживания, при новом двигателе и т. Д.Это поможет в анализе первопричин.
• Проверьте процедуры и уровень качества балансировки для приложения.
• Осмотрите муфту и вентилятор охлаждения, проверьте ее целостность и состояние.
• Выполните проверку биения , чтобы обнаружить деформации в роторе.
• Проверить калибровку балансировочного станка.
• Выполните точную балансировку в соответствии с применением, критичностью и характеристиками двигателя.
• Проверить вентилятор охлаждения.

Несоосность

В электродвигателях несоосность обычно вызывается одной из следующих причин:

• Неправильная процедура центровки.
• Неправильный расчет стандартов или допусков центровки.
• Тепловое расширение.
• Слабость или несоответствующая опорная база.
• Мягкая опора или обернутая основа двигателя.
• Поломки в муфте, чрезмерное биение или износ.

При обнаружении несоосности в электродвигателе можно порекомендовать следующее:

• Оценить процедуры и обучение персонала.
• Выполните точную центровку, применяя соответствующие стандарты.
• Измерьте и исправьте мягкую стопу.
• Оцените состояние основания и муфты.
• Оцените влияние теплового расширения и учтите это при процедуре центровки.

Проблемы с подшипником

В электродвигателях проблемы с подшипниками обычно возникают по одной из следующих причин:

• Плохая сборка, чрезмерный предварительный натяг или износ корпуса подшипника.
• Сбои в процедуре смазки, избыток или недостаток смазочного материала.
• Смазка некачественная или несовместимая с областью применения.
• Загрязненная смазка.
• Чрезмерная вибрация во время работы.
• Неисправности заземляющей проводки.

При обнаружении проблем с подшипником в электродвигателе могут быть рекомендованы следующие действия:

• Проанализировать характеристики повреждений: коррозия, эрозия, износ. ..
• Оцените процедуру сборки подшипника.
• Проверить балансировку и центровку.
• Проверить правильный выбор подшипника.
• Проверить размеры и допуски при установке в корпус и ротор.
• Оптимизируйте процесс смазки.
• Проверить заземляющий провод.

Эксцентриситет

В электродвигателях эксцентриситет обычно вызывается одной из следующих причин:

• Чрезмерный износ подшипника или корпуса подшипника.
• Износ ротора или подшипника.
• Несоосность корпусов.
• Деформация ротора.
• Эксцентриситет отверстий муфты или шкивов.

При обнаружении эксцентриситета в электродвигателе могут быть рекомендованы следующие действия:

• Проверьте соосность между корпусом подшипника или торцевыми щитками двигателя.
• Проверить износ корпусов подшипников.
• Измерьте биение в муфте, шкивах и роторе.

Ослабление вращения

В электродвигателях люфт или люфты при вращении обычно вызваны одной из следующих причин:

• Износ подшипников или корпуса.
• Износ подшипников баббита .
• Неправильная регулировка деталей.

При обнаружении зазоров в электродвигателе могут быть рекомендованы следующие действия:

• Проверка размеров корпуса подшипника, подшипников и ротора.

Структурные вопросы

В электродвигателях структурные проблемы обычно возникают по одной из следующих причин:

• Слабые или поврежденные основания из-за коррозии.
• Неисправные анкерные болты или болты.
• Ослабленные винты или анкерные болты.

При обнаружении структурных проблем в электродвигателе могут быть рекомендованы следующие действия:

• Оцените состояние оснований станка и фундамента.
• Оценить состояние анкерных болтов.
• Отрегулируйте болты на правильный момент затяжки.

Проблемы с электрикой

В электродвигателе проблемы с электричеством обычно возникают по одной из следующих причин:

• Неравномерный воздушный зазор между ротором и статором.
• Ослабленная или сломанная штанга ротора.
• Низкое качество электроэнергии: несимметрия напряжения, гармоники …
• Отказы от преобразователей частоты.
• Избыточная нагрузка.
• Превышение числа пусков и остановов двигателя.
• Проблемы с изоляцией.

При обнаружении электрических проблем в электродвигателе в зависимости от симптомов могут быть рекомендованы следующие действия:

• Выполните анализ качества электроэнергии.
• Изучите воздушный зазор и оцените его происхождение (ротор / статор).
• Выполните электрические испытания двигателя (качество изоляции).
• Оцените целостность соединений в стержнях ротора.
• Проанализируйте количество последовательных запусков.

Резонанс

В электродвигателях резонанс обычно вызывается одной из следующих причин:

• Работайте со скоростью, близкой к критической или собственной частоте системы.
• Изменения жесткости конструкции.
• Изменения скорости, которые приближают двигатель к критической скорости (двигатели с регулируемой скоростью).

При обнаружении резонанса в электродвигателе могут быть рекомендованы следующие действия:

• Выполните тест для расчета критических скоростей.
• Проведите испытание на удар, чтобы проверить, не возбуждается ли какая-либо собственная частота.
• Оцените, изменилась ли жесткость системы.

Другие прогнозные технологии

Осмотр электродвигателей должен быть комплексным, включая динамические, термические и эксплуатационные испытания.Следующие технологии также применяются к электродвигателям:

Технология прогнозирования		Обнаруживаемые неисправности
	Термография в двигателе и в силовой цепи	Отсутствие теплоотвода (охлаждения), перегрузка, неисправное соединение, трение, дисбаланс нагрузки или напряжения.
	Визуальный осмотр	Грязь, необычный шум, недостатки безопасности, структурные проблемы, целостность заземления, плохое охлаждение, влажность, утечки, ослабленные болты, неплотное соединение, недостающие детали, износ.
	УЗИ	Проблемы с подшипниками, проблемы с электрикой, проблемы со смазкой.
	Анализ масла или трибология	Плохое состояние смазочного материала, загрязненный смазочный материал: вода, гликоль, топливо, твердые частицы; Недостаточное количество смазки, качество и применимость смазки, плохая процедура смазки.
	Анализ качества электроэнергии	Неуравновешенность нагрузки, напряжение, частота, сила тока, состояние изоляции, состояние стержней ротора, электрические гармоники, КПД.

Нормы и стандарты

Допустимые пределы вибрации для электродвигателей можно найти в стандарте ISO 10816-3. Стандарты NEMA и IEC также устанавливают некоторые критерии приемлемости.

Заводская табличка двигателя

Паспортная табличка является важным источником полезной информации, и понимание ее является решающим фактором; Данные на табличке — это параметры, которые всегда следует учитывать для обеспечения надежной и эффективной работы, эффективного осмотра и надлежащего обслуживания.Эксплуатация двигателя за пределами его проектных ограничений резко сократит его срок службы и эффективность. Операторы, инспекторы и специалисты по техническому обслуживанию должны понимать все эти параметры и соотносить их с рабочим и функциональным состоянием машины.

Найдите паспортную табличку двигателей, защитите ее и поддерживайте в хорошем состоянии. Солнечное излучение, загрязнение окружающей среды и влажность влияют на состояние и читаемость таблички.

Зачем использовать преобразователь частоты вместе с электродвигателем? — Леонардо Энергия

Стефан Фассбиндер (DKI)

Электродвигатель и электрогенератор — это в основном одно и то же. .

В принципе, любой электродвигатель также может вырабатывать электричество. Электроприводы намного опережают двигатели внутреннего сгорания, так как, к сожалению, двигатель автомобиля, который всасывает выхлопные газы во время торможения и спусков и преобразует их в топливо и свежий воздух, все еще не готов. Электродвигатель может это обеспечить, хотя в течение первого столетия его использования его использование в значительной степени затруднялось двумя основными недостатками:

• Электромотор не имеет педали акселератора.
• Розетка не имеет никакого «водопроводного крана».

Когда электродвигатель работает, он генерирует напряжение с полярностью, противоположной питающему напряжению .

Следовательно, ток слишком высокий при первом включении, когда двигатель еще не работает. Для больших двигателей необходимо принять меры предосторожности, чтобы не повредить их и не сгореть предохранители. По мере увеличения скорости двигателя это индуцированное напряжение увеличивается. Фактически, при превышении скорости, при которой приложенное напряжение и напряжение сети равны, двигатель будет генерировать более высокое напряжение, чем в линии.Ток будет течь в обратном направлении, и двигатель изменит свою функцию на функцию генератора.

Это хорошо, так как предлагает отличных преимуществ в области энергоэффективности. другие нагрузки, например огни, это должно быть так. Следовательно, положения должны быть предусмотрены снова, если скорость двигателя должна быть изменена .Раньше это было обременительной задачей. Приходилось использовать трансформаторы с несколькими ответвлениями, например, в локомотивах, но это было громоздкое и дорогое решение, или ограничивать ток резисторами, например, в трамваях, что было неэффективным решением.

И все становится еще сложнее, когда дело доходит до двигателей переменного тока , однофазных или трехфазных. Принцип электродвигателя всегда заключается в создании вращательного движения за счет притяжения и отталкивания магнитных сил. В строгих терминах физики электродвигатели даже не существуют, но все они должны быть названы магнитными двигателями с точки зрения пуриста: электрический магнит притягивает другой — также электрический или постоянный — магнит, пока он не подойдет как можно ближе как может быть. Затем полярность тока в (одном из) электромагнита (-ов) инвертируется, и сила притяжения превращается в отталкивающую. Механическая конструкция двигателя устроена так, чтобы допускать такое движение только по кругу, потому что требуется вращательное движение.Двигатели переменного тока могут быть построены проще, чем двигатели постоянного тока, потому что периодическая смена полярности происходит в любом случае и не должна генерироваться внутри машины.

Но становится очевидным, что изменение скорости вращения трудно для двигателей постоянного тока , так как оно в значительной степени зависит от питающего напряжения, которое приблизительно стабильно, и невозможно для двигателей переменного тока, скорость которых строго совпадает с частотой сеть, которая с технической точки зрения полностью стабильна.

Теперь любой тип электродвигателя должен быть спроектирован таким образом, чтобы при желаемой (номинальной) скорости напряжение, генерируемое в двигателе, было примерно таким же, как приложенное (номинальное) рабочее напряжение.В двигателях постоянного тока индуцированное напряжение должно быть несколько ниже, чем в линии. При нагрузке двигатель постоянного тока немного теряет скорость, что приводит к дальнейшему падению индуцированного напряжения и, следовательно, к большей разнице в линейном напряжении и более высокому входному току, соответствующему более высокой нагрузке. Таким образом, он адаптируется (более или менее) по своей природе к различной нагрузке.

Это преимущество перед двигателем внутреннего сгорания и одно из существенных отличий в рабочих характеристиках, которые будут обсуждаться здесь. Представьте, что вы отключили двигатель автомобиля и положили кирпич на педаль акселератора.Вы не должны этого делать. Электродвигатель, однако, не будет возражать, если он будет работать на полном напряжении без нагрузки — за исключением, возможно, одного конкретного типа — последовательно соединенной коллекторной машины. Большие блоки могут фактически быть разрушены центробежными силами, когда они питаются полным напряжением и без нагрузки. Небольшие единицы, например, используемые в кухонной технике и e. грамм. для стеклоочистителя в автомобиле иметь достаточные потери на трение, чтобы предотвратить это. Но при приложенном фиксированном питающем напряжении определенная скорость всегда будет связана с фиксированной выходной и входной мощностью.Поскольку нет простой и понятной вещи, такой как водопроводный кран на кухне и в ванной, который можно было бы подключить к розетке, чтобы обеспечить контроль потока электроэнергии, регулирование мощности и / или скорости электродвигателя было сложная задача еще до изобретения силовой электроники.

В большей степени это относится к двигателям переменного тока. Скорость синхронной машины абсолютно стабильна, будь то машина, используемая в качестве двигателя или генератора. Что ж, он действительно немного теряет скорость в течение очень ограниченного времени, когда, например, он переключается с нейтрального режима на двигатель, как раз до тех пор, пока фазовый угол между электрической фазой и положением ротора больше не будет «синфазным». .После этого короткого периода перехода скорость двигателя и частота сети снова будут синхронизированы. Можно представить себе этот процесс так:

Когда машина работает без нагрузки, генерируемое ею переменное напряжение высокое при высоком линейном напряжении и низкое при низком сетевом напряжении. Они находятся в фазе друг с другом, поэтому ток практически не течет в обоих направлениях (грубо говоря, игнорируя аспекты реактивной мощности, специалисты подчеркнут здесь).

Поскольку электрическая мощность (а также ее мгновенные значения) рассчитывается как напряжение, умноженное на ток, изменение напряжения или тока на противоположное означает изменение знака и, следовательно, изменение направления потока энергии. Теперь, когда машина работает как двигатель, генерируемое ею переменное напряжение отстает от приложенного напряжения. Когда напряжение в сети уже достигает своего пика, оно все еще несколько ниже, поэтому ток будет течь из сети в машину; так что он действует как мотор. К тому времени, когда ток, наконец, поменяет полярность, линейное напряжение также изменится, поэтому мы умножаем два раза на -1 и застреваем в работе двигателя.

Когда мы приводим вал машины в движение, чтобы она работала как генератор, генерируемое им переменное напряжение опережает приложенное напряжение. Оно уже снова падает, когда напряжение в сети достигает пика, поэтому ток будет течь от машины в сеть. К тому времени, когда ток поменяет полярность… и так далее.

Теперь все становится трудным, когда мы переходим к обсуждению наиболее широко используемой электрической машины , асинхронного двигателя , поскольку процессы, которые ее приводят в действие, трудно представить в иллюстративной форме.Он имеет электромагниты с обеих сторон, в статоре и в роторе. Обмотки ротора закорочены и действуют как вторичные обмотки трансформатора. Магнитное поле, вращающееся в статоре, индуцирует ток в закороченных обмотках ротора, который затем создает собственное магнитное поле. Как и в синхронной машине, полюса полей статора, приводимые в действие частотой сети, бегают по кругу и, так сказать, преследуют полюса поля ротора перед собой. Итак, ротор начинает вращаться.Асинхронный двигатель всегда будет вращаться немного медленнее, чем магнитные полюса статора. Эта небольшая разница, скольжение, необходима для поддержания тока в обмотках ротора и, таким образом, для сохранения магнитного поля ротора. Частота скольжения может составлять всего 1 Гц или даже меньше в большой машине, поэтому, если в 2-полюсном асинхронном двигателе с питанием от 50 Гц полюса статора вращаются со скоростью 3000 об / мин, ротор будет вращаться со скоростью 2940 об / мин. Когда вы его увеличите, он будет действовать как генератор. При 3060 об / мин, скажем, при том же скольжении с обратным знаком выходной ток будет таким же, как и входной ток при 2940 / мин.

Вместе с двигателями постоянного тока, включая последовательно соединенные коллекторные двигатели, которые могут работать как от переменного, так и от постоянного тока, асинхронный трехфазный двигатель запускается самостоятельно, как только будет подано сетевое напряжение. Более того: это будет происходить очень резко, с многократным превышением номинального крутящего момента и потребляемого тока, как описано выше. Это следующее отличие от двигателя внутреннего сгорания, для запуска которого требуется небольшой двигатель постоянного тока.

Синхронная машина как таковая не может запуститься одна.По этой и другим причинам он обычно используется только как генератор.

Кроме того, последовательная коммутаторная машина в принципе является машиной постоянного тока, но поскольку ее статор и ротор соединены последовательно, они меняют полярность при изменении тока, поэтому направление вращения остается неизменным. Таким образом, он также может работать как двигатель переменного тока, но при использовании в качестве генератора он будет генерировать постоянный ток, полярность которого зависит от некоторого случайного остаточного магнетизма, если не определена специальной дополнительной катушкой.

Теперь, когда управлять мощностью и скоростью двигателя внутреннего сгорания несложно, просто уменьшая подачу топлива, что, с другой стороны, является ужасной необходимостью, в то время как электродвигатель более или менее регулирует себя, «водопроводный кран» для электричества было окончательно изобретено в семидесятых: теперь доступны инверторы, которые преобразуют переменный ток в постоянный, а постоянный снова обратно в переменный с электронными компонентами (и очень низкими дополнительными потерями) . Выход переменного тока можно регулировать как по амплитуде, так и по частоте, чтобы адаптировать его к требованиям любого двигателя в любой желаемой точке работы.Скорость и крутящий момент теперь можно контролировать независимо друг от друга. Таким образом, инвертор преодолевает практически все недостатки электродвигателя по сравнению с любым двигателем внутреннего сгорания, в то время как преимущества остаются такими же выдающимися, как и есть, включая обратную связь по мощности (инверсия потока энергии), если используется 4-квадрантный инвертор (2 направления вращения, 2 направления вращения). направления потоков энергии).

В очень простых терминах такие инверторы создают соединение между постоянным напряжением в звене постоянного тока, когда мгновенное переменное напряжение в линии выше, чем напряжение постоянного тока в звене, что позволяет потреблять энергию и отключает оба от каждого другое, когда напряжение «снаружи» ниже.Это принцип работы двигателя. Для возврата энергии в генераторном режиме инвертор, оправдывая свое название, делает обратное: подключается, когда напряжение в сети низкое, и отключается, когда оно высокое. Таким образом, энергия может идти в любую сторону, даже если линейное напряжение постоянно, а постоянное напряжение в промежуточной цепи также может поддерживаться на постоянном уровне, в зависимости от конструкции.

Другой конец, сторона двигателя силового электронного инвертора, несколько сложнее. Еще раз упрощая, принцип состоит в том, чтобы включать и выключать двигатель очень быстро, намного быстрее, чем это может сделать любой механический переключатель.Путем изменения отношения времени включения / выключения средний ток двигателя можно непрерывно изменять, даже если напряжение постоянного тока в промежуточной цепи поддерживается на постоянной амплитуде. Этот принцип намного сложнее и намного дороже, чем управление потоком воды в ванне с помощью водопроводного крана, но преимущества настолько очевидны, что этот принцип неуклонно распространяется во всем мире электрических приводов.

Инверторы также могут использоваться в сетях постоянного тока .

В то время как старые трамваи — а многие из них все еще существуют — вполне могли использовать свои двигатели для торможения, электроэнергия не могла подаваться обратно в линии, потому что напряжение, генерируемое двигателем, было, грубо говоря, немного ниже, чем напряжение на линии, поэтому инверсия потока мощности была невозможна.Электричество, генерируемое при торможении, поглощалось резисторами и терялось в виде тепла. В настоящее время инверторы могут прерывать постоянный ток в переменный, переменный ток можно преобразовать (чем меньше трансформатор, тем выше выбирается частота прерывания), выпрямить обратно в постоянный ток и подать обратно в воздушную линию.

Двигатель внутреннего сгорания имеет определенную номинальную выходную мощность, и все. Если вы попытаетесь получить чуть больше крутящего момента, чем указано на паспортной табличке, вы просто заглушите двигатель.

Какая разница в поведении электродвигателя! Он также имеет определенную максимальную мощность и максимальный крутящий момент, но что он делает, если вы хотите большего? Это дает вам больше!

Скорость двигателя постоянного тока или асинхронного двигателя немного падает, в то время как в синхронном двигателе угол между приложенным и наведенным напряжением становится немного больше. Оба приводят к более высокому потребляемому току, что способствует более высокому выходному крутящему моменту при примерно или точно такой же скорости, соответственно.Двигатель может предложить удвоенный номинальный крутящий момент, если вы этого захотите. В зависимости от типа конструкции и размера двигателя он может быть более чем в 5 раз выше номинального. Единственная проблема заключается в том, что это позволяет это делать только в течение ограниченного времени, поскольку чрезмерный ток вызывает избыточное тепло в двигателе, и в конечном итоге двигатель перегорит. Специальные переключатели защиты двигателя, которые регулируются в соответствии с номинальным током, прерывают ток двигателя, если номинальный ток превышается слишком долго. Лучше всего отслеживать фактическую температуру двигателя.Или использовать инвертор. Его электронное управление предлагает неограниченные возможности программирования.

Итак, начнем:

• Поскольку электродвигатель запускается самостоятельно, а многие типы даже предлагают самый высокий крутящий момент (тормозной момент) в режиме покоя, в электромобиле не требуется сцепление.
• Поскольку электродвигатель обеспечивает гораздо больший крутящий момент в течение ограниченного времени, чем при непрерывной работе, в электромобиле не требуется переключение передач, поскольку транспортным средствам всегда требуется максимальное тяговое усилие только в течение ограниченных периодов разгона и движения в гору.

Итак, электродвигатель — гораздо лучший и более экологичный вариант для эксплуатации автомобиля, чем двигатели внутреннего сгорания любого типа. Вместе с силовым электронным инвертором они близки к идеалу, в то время как привод внутреннего сгорания — это более или менее импровизированный способ передвижения транспортного средства, который только благодаря более чем 100-летнему опыту вместе с огромным и мощным рынком можно оптимизировать путем большое состояние, которое мы наблюдаем сегодня. Дальнейшего прогресса не видно.

Все, чего сейчас не хватает, так это годной батареи.В этом случае весь наземный транспорт сразу перейдет на электроприводы. Везде, где есть контактный провод, электропривод уже демонстрирует свое превосходство, и еще есть потенциал.

Мораль: двигатель внутреннего сгорания и электропривод не могут быть менее похожими. Если вы хотите понять электрические приводы, первое, что вам нужно сделать, это забыть все о двигателе вашего автомобиля.

Применения для приводов двигателей

— Технические статьи

Электродвигатели используются повсюду в таких устройствах, как стиральные машины и холодильники, а также в транспортных средствах, таких как автомобили и самолеты.У нас не было бы многих обычных современных удобств, которыми мы наслаждаемся каждый день, без электродвигателей.

Введение

Первые двигатели были изобретены в начале 19 века историческими личностями и основателями компании, такими как Вернер фон Сименс, Томас Альва Эдисон, Никола Тесла и Джордж Вестингауз. Без электродвигателей повседневную жизнь трудно представить.

Но, возможно, еще более важны двигатели в промышленности, которые облегчили конвейерные ленты сборочных конвейеров, используемые для производства потребительских товаров, и двигатели, предназначенные для автоматических сварочных аппаратов, используемых в автомобильной промышленности. Двигатели также играют важную роль в других важных секторах, таких как медицина, авиакосмическая промышленность и возобновляемые источники энергии. Электродвигатели используются в двух основных областях. В первом случае двигатели подключены к сети и работают с фиксированной скоростью ротора. Во-вторых, это широкое применение, когда двигатели должны работать с разными скоростями и разными моментами. Это приложение требует, чтобы блок преобразования мощности был размещен между сетью и двигателем и обычно известен как частотно-регулируемый привод (VFD).Давайте подробнее рассмотрим различия между двигателями, работающими от сети с фиксированной частотой, и двигателями, работающими от частотно-регулируемого привода, и определим преимущества каждого применения.

Сеть по сравнению с частотно-регулируемым приводом

Конечное приложение определяет, должен ли двигатель работать от частотно-регулируемого привода или только от сети с фиксированной частотой. Примерами приложений, работающих от сети с фиксированной частотой, являются насосы или вентиляторы, которые перемещают среду без необходимости регулировать скорость среды, и некоторые конвейерные ленты, используемые в горнодобывающей промышленности.

Рисунок 1: Электросеть в сравнении с частотно-регулируемыми приводами

В некоторых случаях среда должна течь с разной скоростью или давление среды необходимо регулировать. Клапаны, демпферы или редукторы могут регулировать некоторые из этих параметров, но с большим количеством недостатков, поскольку в этом случае двигатель с фиксированной частотой, управляемый сетью, всегда выдает полную мощность, а значительная часть энергии преобразуется в тепло. Поэтому во многих приложениях большой процент электроэнергии тратится впустую, потому что эти неуправляемые двигатели не работают с их оптимальной скоростью и крутящим моментом, которые определяются нагрузкой или работой, которую необходимо выполнить.

Для преодоления этих потерь мощности используются частотно-регулируемые приводы. С помощью этих устройств преобразования мощности скорость и крутящий момент двигателя можно регулировать в широком диапазоне для удовлетворения потребностей различных приложений. С технической точки зрения наиболее важными двумя параметрами являются частота напряжения, определяющая скорость двигателя, и поддерживаемый ток, который дает крутящий момент двигателя. С коммерческой точки зрения экономия энергии и затрат была основными причинами растущей популярности частотно-регулируемых приводов, которые обычно характеризуются короткими сроками окупаемости.

Рисунок 2: Основные этапы преобразования частотно-регулируемого привода

Обычно процесс преобразования энергии из фиксированного переменного напряжения в переменное переменное напряжение выглядит следующим образом: сначала выпрямление напряжения из переменного сетевого напряжения в постоянное напряжение, за которым следует сглаживание этого постоянного напряжения с помощью конденсаторов и, наконец, преобразование этого отфильтрованного постоянного тока. напряжение обратно в переменный ток с частотой и напряжением, определяемой желаемой скоростью и крутящим моментом двигателя.

Наиболее важным этапом преобразования в ЧРП является этап инверсии постоянного тока в переменный. Распространенным решением для обратного преобразования постоянного напряжения в переменное является использование метода широтно-импульсной модуляции (ШИМ), который обычно требует синусоидальной модулирующей волны и треугольной несущей. Треугольная несущая волна известна как частота переключения и варьируется от нескольких сотен герц для приводов большой мощности до приблизительно 20 000 Гц для приводов меньшей мощности. Синусоидальная волна — это эталон, генерируемый схемой управления инвертора, и будет частотой, на которой будет работать двигатель.Путем сравнения треугольной несущей и эталонной синусоидальной волны, прямоугольное напряжение с широтно-импульсной модуляцией будет выходным сигналом частотно-регулируемого привода, который изменяет свою полярность при каждом пересечении синусоидальной волны и треугольной волны. Модулированное прямоугольное напряжение приводит в движение двигатель и приводит к синусоидальному току двигателя с высокочастотной пульсацией тока, подобной частоте треугольной несущей.

Линейный режим по сравнению с ЧРП

Использование частотно-регулируемого привода для управления двигателем дает несколько преимуществ.

Пусковой ток двигателя переменного тока, подключенного к сети, может варьироваться от 3 до 8 раз от номинального тока. Это связано с тем, что для намагничивания двигателя, чтобы преодолеть его инерцию, требуется большой ток. Этот высокий ток должен обеспечиваться сетью и может вызвать такие проблемы, как падение напряжения и переходные процессы, а в некоторых случаях даже отключение. Эти высокие токи также создают механические нагрузки на стержни и обмотки ротора двигателя. ЧРП запускает двигатель при нулевом напряжении и нулевой частоте и обычно требует от 50% до 75% тока двигателя при полной нагрузке.

Поскольку мощность двигателя определяется его напряжением, умноженным на его ток, потребляемая мощность во время запуска намного ниже при использовании частотно-регулируемого привода по сравнению с двигателем, который напрямую подключен к сети. Это особенно верно при запуске, если потребляемая мощность нагрузки одинакова в сети или с частотно-регулируемым приводом. Если компания работает на пределе мощности с существующей системой электроустановок, недавно установленные машины без частотно-регулируемых приводов могут генерировать неподдерживаемые высокие пусковые токи и вынуждают этих операторов модернизировать свои электрические системы, чтобы выдерживать эти пиковые токи.Кроме того, с некоторых компаний взимается дополнительная плата за пиковую мощность, обеспечиваемую электросетью. VFD — хорошее решение для решения этих проблем с пусковыми импульсами тока.

Запуск двигателя вызывает высокий входной ток, который вызывает падение напряжения в линии. Некоторое чувствительное оборудование может отключиться из-за этих низких падений напряжения. Например, известно, что компьютеры, датчики и контакторы чувствительны к напряжению и могут отключаться при низком напряжении в линии. Использование частотно-регулируемого привода устраняет эту проблему, поскольку двигатель запускается с нулевым напряжением / низким входным током и постепенно увеличивается. Кроме того, изменение скорости и крутящего момента происходит на валу двигателя, когда напряжение падает, и двигатель работает непосредственно от сети. Это может быть нежелательным в некоторых производственных процессах. Управляемые приводы могут быть спроектированы так, чтобы они были менее чувствительны к изменениям напряжения в сети, что повысило «проходимость» двигателя.

Немедленный запуск двигателя через сеть создает огромную механическую нагрузку на двигатель и систему распределения, подключенную к двигателю, что приводит к механическим ударам.VFD может ускорять двигатель с заданной рампой, снижая удары до незначительного уровня. В некоторых случаях невозможно или неприемлемо разогнать машину до максимальной мощности и скорости без плавной управляемой рампы.

Наиболее важным преимуществом частотно-регулируемого привода является его способность регулировать скорость двигателя в соответствии с потребностями всего приложения. Второе по важности преимущество — возможность регулировать крутящий момент двигателя. Это довольно хорошая функция, которая защищает двигатель и систему, приводимую в движение двигателем, от повреждений, поскольку крутящий момент может быть ограничен или точно отрегулирован.Кроме того, можно значительно сэкономить электроэнергию, если можно будет контролировать крутящий момент двигателя. Например, двигатель с ЧРП, подключенный к вентилятору, будет потреблять только 1/8 своей номинальной мощности при работе на половинной скорости из-за отношения скорости к мощности в этой системе.

Управляемая остановка или торможение двигателя может иметь такое же значение, как и его контролируемое ускорение. Наибольшие преимущества частотно-регулируемых приводов реализуются при торможении лифтов и конвейерных лент. Такое торможение или реверсирование двигателей представляет большой интерес для многих других приложений.Обратный режим возможен путем изменения вращающегося поля в двигателе с помощью частотно-регулируемого привода без изменения порядка подключения фазных кабелей к двигателю. ЧРП также устраняют необходимость в клапанах, амортизаторах и редукторах. Это приводит к более компактным системам, меньшим затратам на обслуживание и меньшим эксплуатационным расходам.

Основные компоненты, используемые для преобразования энергии

Важными компонентами внутри частотно-регулируемого привода являются диоды выпрямителя мощности, используемые для выпрямления входного переменного напряжения, тормозной прерыватель, который используется для рассеивания регенерированной энергии от двигателя во время торможения и защищает конденсатор промежуточного контура от повреждений, а также силовые полупроводниковые переключатели. используется для преобразования выпрямленного входного напряжения обратно в регулируемое переменное напряжение и выход переменной частоты.Требования к выпрямительным диодам не так велики, поскольку эти устройства работают на частоте входной сети (50 Гц или 60 Гц) и доступны у многих поставщиков. Требования к компонентам, используемым для этапа преобразования постоянного тока в переменный, необходимо тщательно учитывать, поскольку эти силовые полупроводниковые переключатели используются при высоком напряжении и больших токах и переключаются на высоких частотах. Обычно IGBT используются в качестве полупроводниковых переключателей из-за их оптимизации для этих приложений и знакомства разработчиков с этими промышленными приложениями.

Рисунок 3: Обзор стандартных корпусов для приводных приложений

Сегодня многие компании разрабатывают полупроводники и силовые модули, которые можно использовать в конструкциях ЧРП.

Vincotech работает на этом рынке более 25 лет, имея опыт работы с модулями частотно-регулируемых приводов малой и средней мощности, и продолжает разрабатывать новые стандартные, оптимизированные и индивидуальные для клиентов модули частотно-регулируемых приводов на рынках малой и средней мощности 600 В и 1200 В.

Начиная с модулей CIB (преобразователь, инвертор, тормоз), заканчивая полумостовыми модулями и выпрямительными модулями, и инверторными модулями, Vincotech может удовлетворить многие требования разработчиков по затратам, высокой эффективности и производительности.

Заключение

Современная жизнь немыслима без преимуществ, предоставляемых частотно-регулируемыми приводами. С помощью частотно-регулируемых приводов асинхронные двигатели могут регулировать скорость и крутящий момент, пусковые токи намного ниже, а обратный ход легко реализуется.Наиболее важными преимуществами частотно-регулируемых приводов являются более низкие эксплуатационные расходы системы, отсутствие дополнительных механических компонентов и экономия электроэнергии. В целом, асинхронные двигатели и частотно-регулируемые приводы способствовали нашему повседневному удобству и предоставили нам более эффективную и чистую окружающую среду.

Об авторе

Патрик Багински — инженер по эксплуатации в Vincotech GmbH. Он регулярно пишет статьи, касающиеся силовых модулей, обсуждая такие темы, как IGBT, монтаж силовых модулей и преобразование энергии.

Эта статья изначально была опубликована в журнале Bodo’s Power Systems.

Высокоэффективные двигатели и экологичность — Электромоторостроение

По данным некоторых исследований, электродвигатели составляют около 45% от общего потребления электроэнергии [1]. Если мы сосредоточим анализ на одной из наиболее энергоемких сфер, а именно на промышленной, то процент, приписываемый двигателям, возрастет примерно до двух третей.
Учитывая, что некоторые из машин, которые в настоящее время используются, устарели, очевидно, что замена на новые более эффективные двигатели приведет к важным преимуществам для окружающей среды и использования ресурсов, а также производственных затрат и конкурентоспособности.Они подсчитали, например, что в единственной Европе использование передовых приводных технологий вместо устаревших может привести к сокращению годового потребления на 135 ТВтч и выбросов CO ₂ на 69 миллионов тонн [2]. Оценивая весь жизненный цикл двигателя в постоянной работе, мы можем убедиться, что затраты, связанные с потреблением энергии, составляют, безусловно, основной процент от общей стоимости (даже более 90%, [3]).
По этим причинам в Европейском Союзе , а также в США, Китае и других странах действуют нормативные планы, предусматривающие обязательное соблюдение требований постепенно увеличивающейся эффективности для новых установок.Согласно Стандарту минимальных энергетических характеристик (MEPS), например, двигатели, выпущенные на рынок ЕС с января 2017 года в диапазоне мощности от 0,75 до 375 кВт, должны иметь уровень эффективности IE3 или уровень эффективности IE2 при питании от инвертора (см. Рис.1), за очень немногими исключениями.

Рис. 1. Значения КПД, соответствующие классам IE, определенным нормативом IEC / EN 60034-30-1: 2014.

Благодаря наиболее распространенной технологии среди двигателей сегодня, асинхронному двигателю one (или Induction Motor , IM), требуемые в будущем усовершенствования будут невозможны, по крайней мере, при разумных затратах и ​​для всех диапазонов мощности.Эти аспекты в сочетании с другими факторами, такими как растущее осознание важности снижения энергопотребления, приводят к внедрению двигателей, которые практически не распространялись до сих пор, таких как Синхронные двигатели с постоянным магнитом , [4] [5]. Этот класс двигателей, по сути, обладает внутренними характеристиками, которые позволяют заметно улучшить КПД и удельную мощность, в частности, очень низкие потери в роторе.
Даже если уже в восьмидесятые «бесщеточные» серводвигатели (т.е.е. Surface Mount ‑ PMSM, SM ‑ PMSM) использовались в промышленной автоматизации, благодаря их превосходной управляемости и высокой динамике применение электрических синхронных машин с раскрученным ротором долгое время оставалось ограниченным конкретными приложениями. Напротив, за последние несколько лет, благодаря вышеупомянутым факторам, касающимся эффективности и снижению стоимости производства двигателей и инверторов, внедрение этого типа двигателей заметно расширилось.

Классификация двигателей переменного тока

Большинство двигателей переменного тока (AC) трехфазные, даже если есть некоторые исключения, например, в случае однофазных и шаговых двигателей (которые обычно двухфазные).Наиболее важным различием обычно является синхронная и асинхронная машины, различие основано на том факте, что механическая скорость вращения в установившемся режиме строго связана (синхронизирована) или нет с частотой вращения магнитного поля статора. Это различие конкретно отражается в том факте, что для создания крутящего момента в асинхронной машине наличие индуцированных токов в роторе необходимо, тогда как в синхронных машинах это не нужно (и, наоборот, нежелательно).
Синхронные машины отличаются тем, что магнитное поле ротора геометрически связано с механическим положением самого ротора. Поле ротора может создаваться током, который проходит через обмотку (синхронные двигатели с намотанным ротором), постоянными магнитами (синхронный постоянный магнит) или самим током статора, модулируемым магнитной анизотропией ротора (синхронное сопротивление).
Конструктивно и ротор, и статор машин с радиальным потоком (которых намного больше) изготавливаются путем наложения ферромагнитных пластин. своевременно заглушены, решение, направленное на препятствование паразитным токам.Ротор обычно имеет цилиндрическую форму и может быть оборудован пространствами для размещения постоянных магнитов или проводящего материала.
На рис. 2 схематически показаны секции только что перечисленных двигателей различных типов (за исключением синхронного с фазным ротором).

Рис. 2. Различные конфигурации ротора (слева направо): асинхронный или асинхронный двигатель (IM), синхронный двигатель с внутренними постоянными магнитами (IPMSM), синхронные двигатели с внутренними постоянными магнитами и клеткой ротора (IPMSM с линейным запуском), синхронные с поверхностными постоянными магнитами двигатель (SM-PMSM), синхронный реактивный двигатель (SynRM).

Самые темные области (щели) соответствуют обмоткам, постоянные магниты обозначены синим цветом, а серая зона секции представляет собой ферромагнитный материал (ламинирование). Как видите, разница между различными типами двигателей сосредоточена в роторе, тогда как статор (за исключением особых случаев) может быть реализован таким же образом. В асинхронном двигателе пазы ротора заполняются расплавом, который представляет собой так называемую «беличью клетку», обычно изготовленную из алюминия или, в последнее время, из меди (с более высокими затратами, чтобы снизить потери).
В двигателях с постоянными магнитами , напротив, магниты могут быть вставлены в соответствующие резьбы внутри конструкции ротора (IPMSM и IPMSM с линейным запуском) или нанесены на поверхность в случае SM ‑ PMSM. В случае SynRM, вместо этого, резьбы внутри ротора просто пустые и называются «барьерами потока», поскольку они выполняют функцию увеличения сопротивления (т.е. способности противодействовать прохождению магнитного потока) вдоль одних направлений, отдавая предпочтение другим ( т.е. дорожки больше характеризуются наличием железа).
В свою очередь, синхронные двигатели можно подразделить по принципу создания крутящего момента. В двигателях с поверхностными постоянными магнитами создание крутящего момента происходит только за счет взаимодействия между полем, создаваемым постоянными магнитами, и током статора.
И наоборот, в реактивных двигателях , используется системная тенденция минимизировать сопротивление магнитных путей, если они подвергаются возбуждению. В двигателях с внутренним магнитом (IPMSM) обычно используются оба принципа.
При производстве постоянных магнитов используются особые материалы для достижения высоких значений индукции и предотвращения риска размагничивания (обычно связанного с высокими температурами или сильным магнитным полем). Наиболее часто используемые материалы — неодим-железо-бор, самарий-кобальт и алюминий-никель-кобальт. Особенно в случае SM ‑ PMSM, количество активного магнитного материала велико, и в общей стоимости большой вес сырья. Это состояние ухудшается из-за сильной изменчивости цен на так называемые «редкоземельные элементы» [7], элементы, используемые в небольших количествах, но очень важные для качества магнита.Помимо проблем со стоимостью и доступностью, эти материалы вызывают также важные экологические, политические и этические вопросы, касающиеся их добычи, торговли и утилизации. По этим причинам огромные ресурсы вкладываются в исследования и разработки различных материалов и, особенно, в проект двигателей, которые сводят к минимуму использование постоянных магнитов [8] или позволяют использовать так называемые ферриты, т. е. керамические магнитные материалы, в которых используются менее проблемные материалы.

Электропитание через инвертор и управление

Отрицательный аспект синхронных двигателей заключается в невозможности их питания . просто соединяет их с сетью (Direct On-Line, DOL), как это происходит с асинхронными двигателями.Следовательно, для работы синхронных или реактивных двигателей с постоянными магнитами необходимо наличие «привода», то есть целого, состоящего из реального инвертора (чисто электронного силового исполнительного механизма), электронного контроллера и реализованных в нем алгоритмов. Алгоритм управления, реализованный на цифровом устройстве, обновляется с частотой порядка 10 000 раз в секунду. Несмотря на дополнительную стоимость, стоит рассмотреть возможность изменения условий работы, в частности скорости, дает важные преимущества в нескольких приложениях (особенно в насосах и вентиляторах, где это позволяет значительно экономить энергию).
Управляя инвертором в режиме ШИМ (широтно-импульсной модуляции), можно эффективно генерировать ряд напряжений, которые характеризуются амплитудой, частотой и произвольными фазами.
Поскольку в синхронных двигателях крутящий момент зависит от амплитуды тока и от его фазового соотношения с магнитной осью ротора, в алгоритмах управления обычно используется преобразование координат Парка, таким образом приводя трехфазную систему к системе отсчета, интегрируемой с ось ротора (рис.6).

Рис. 6. Слева: двигатель градирни с прямым приводом, без защитного кожуха; справа — профиль заглушки пластин статора (справа) (сайт ABB-Baldor).

Знание положения ротора тогда необходимо для управления синхронным двигателем. В некоторых приложениях, где не требуются особые характеристики управления, можно исключить механический датчик положения из-за его стоимости и снижения надежности. Фактически были разработаны «бессенсорные» методы управления, при которых положение ротора оценивается с использованием измерений тока и напряжения (внутри инвертора и в любом случае необходимо) и модели двигателя.
Бездатчиковые методы для синхронных двигателей, разработанные с девяностых годов, первоначально нашли применение только в некоторых особых случаях. В продуктах, которые в настоящее время называются «инверторами», то есть приводами общего назначения, первые алгоритмы этого типа были введены в конце 2000-х годов, и в последние годы они стали почти стандартным оборудованием. К сожалению, эти решения по-прежнему мало известны операторам автоматизации, даже если их применимость была продемонстрирована, особенно в таких обычных приложениях, как насосы и вентиляторы.
Поскольку данных, предоставленных производителем двигателя, часто недостаточно для калибровки всех параметров алгоритма управления, были разработаны методы «самостоятельного ввода в эксплуатацию», другими словами, ввод в эксплуатацию с минимальным вмешательством оператора. Первым шагом является автоматическая идентификация параметров («самоидентификация») методами, выполняемыми самим приводом, для перехода к реальной калибровке, то есть к выбору значений для параметров управления. И промышленность, и академический мир активно исследуют эти аспекты, с очень интересными предложениями также в итальянской сфере [10] — [14].

Детали конструкции

Как уже было сказано, самое большое различие между различными типами двигателей переменного тока в основном заключается в конструкции ротора . Фактически, существуют различные случаи синхронных двигателей, разработанных так, чтобы другие части оставались почти неизменными по сравнению с соответствующей асинхронной машиной (в конечном итоге изменяя витки обмотки). Такой подход распространился в последние несколько лет с целью удовлетворения общих приложений, а именно в качестве замены асинхронного двигателя.Помимо очевидных преимуществ в стоимости производства, использование эквивалентных деталей с точки зрения габаритных размеров, опор и точек внешнего крепления позволило использовать эти двигатели без изменения остальной механики. В этом отношении инновационные примеры представлены продуктами итальянских компаний, такими как серия синхронных двигателей с внутренними постоянными магнитами и реактивных двигателей, показанных на рис. 5.

Рис. 4. Представление преобразования координат Парка в основе векторного управления.

В синхронных двигателях , особенно в двигателях с постоянными магнитами, можно реализовать большое количество полюсов, со снижением скорости с тем же напряжением и увеличением крутящего момента с тем же током. Эту степень свободы в проекте можно сравнить по аналогии с использованием механического редуктора скорости и, следовательно, в некоторых приложениях она позволяет использовать соединение с прямым приводом, с некоторыми преимуществами с точки зрения эффективности, габаритных размеров, стоимости. , надежность и точность управления.Это решение в течение нескольких лет применялось в промышленных машинах (например, при производстве бумаги [14]), в секторе гражданских подъемников (лифты), в системах обработки воздуха (вентиляторы градирен, [15]) и в некоторая бытовая техника (в частности стиральные машины).
В проекте, рассмотренном в [15], пакет статора (пластинки) использовался в качестве конструктивного элемента без добавления внешнего кожуха. На рис. 6 также показана конструкция статора , ламинированная , где видно внешнее крыло для отвода тепла.Благодаря ограниченным по высоте габаритным размерам, этот двигатель монтируется в основании градирни по оси с вентилятором, что позволяет избежать прямоугольной передачи и снижения скорости, которые вместо этого необходимы в традиционной конфигурации (с асинхронным двигателем). мотор).

Приложения

Первые приложения в гражданском секторе синхронных двигателей с постоянными магнитами включают в себя системы кондиционирования из-за важности потребления энергии в этом случае.В холодильнике (как промышленном, так и бытовом) применение синхронных двигателей постепенно растет. Кроме того, частным случаем являются циркуляционные насосы для тепловых станций, которые из соображений эффективности в настоящее время почти полностью основаны на синхронных двигателях с постоянными магнитами в бессенсорном управлении.
Среди бытовой техники , в стиральных машинах использование этих типов двигателей стало обычным явлением в последние несколько лет. Использование синхронных двигателей вместо асинхронных или универсальных (со щетками) позволило, с одной стороны, уменьшить габаритные размеры и количество используемого материала, с другой стороны, улучшить управляемость, что также связано с принятием таких решений, как механическое соединение прямого привода.В последнем случае из-за ограничений по габаритам и требуемого крутящего момента ротор обычно внешний, а весь двигатель плоский и большого диаметра (рис. 7).

Рис. 7. Синхронный двигатель с постоянным магнитом и прямым приводом с внешним ротором (сайт LG).

Деталь производства машин этого типа, также как и другие частные применения, — это обмотка на зубе (отдельная обмотка для каждого зуба статора).
В этом типе холостых медных деталей меньше, но становится сложнее проектировать машины с низкой пульсацией крутящего момента.Прямое соединение обеспечивает преимущества также с точки зрения работы в целом, облегчая идентификацию груза в резервуаре и его расположение в дополнение к регулированию скорости.
Из-за особого рабочего цикла стиральных машин, который включает отжим-сушку, очень важна работа на высокой скорости (превышающей номинальную). Этот способ называется « дефлегмация », потому что, будучи напряжением, пропорциональным потоку и скорости, общий поток уменьшается с помощью подходящего управления, чтобы обеспечить работу на более высоких скоростях и фиксированном напряжении.В этом случае главными кандидатами являются синхронные двигатели с внутренними постоянными магнитами, поскольку их имеющийся крутящий момент не падает внезапно за пределы номинальной скорости.
Область, где синхронные двигатели получили широкое распространение, — это лифтов , особенно больших размеров. В этом случае также были реализованы специальные решения, такие как на рис. 8, позволяющие прямое движение нагрузки (без редуктора).

Рис. 8. Подъемная система для безредукторных лифтов с синхронным двигателем с постоянными магнитами и осевым потоком (сайт Kone).

В данном случае это осевой двигатель, то есть зазор между статором и ротором (магнитный зазор) пересекается силовыми линиями, параллельными оси.
Другие специфические области применения включают возобновляемых источников (например, ветряная энергия) и авионики , где они преследуют цель «Больше электрических самолетов» (замена гидравлических или пневматических приводов). Использование высокоэффективных и высокопроизводительных двигателей также распространяется в тяговых машинах , включая дорожную среду (от велосипедов до тяжелых транспортных средств и рабочих машин), железнодорожный / трамвайный сектор и промышленный сектор (вилочные погрузчики и аналогичные).

Библиография

1. Уайлд, К. У. Бруннер, «Возможности политики в области энергоэффективности для систем с приводом от электродвигателей», Международное энергетическое агентство, Рабочий документ, 2011 г.
2. «Электродвигатели и частотно-регулируемые приводы. Стандарты и законодательные требования по энергоэффективности низковольтных трехфазных двигателей», ZVEI — Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie eV, Division Automation — Electric Drive Systems, Франкфурт, декабрь 2010 г., 2-е издание .
3. «Повышение рентабельности производства с помощью энергоэффективных приводов и двигателей», брошюра ABB, 2016 г.
4. Вагати, «Синхронное реактивное сопротивление: новая альтернатива для приводов переменного тока», 20-я Международная конференция по промышленной электронике, управлению и КИП, 1994. IECON ’94., Болонья, 1994, стр. 1-13, том 1.
5. Липо, Т. А., «Машины с синхронным сопротивлением — жизнеспособная альтернатива приводам переменного тока», Консорциум электрических машин и силовой электроники штата Висконсин, Отчет об исследовании, 1991.
6. «Низковольтные двигатели для технологических процессов в соответствии с EU MEPS», каталог ABB, октябрь 2014 г.
7. «Редкие земли», S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, январь 2016 г.
8. Гульельми, Б. Боаццо, Э. Армандо, Г. Пеллегрино и А. Вагати, «Минимизация магнитов в конструкции двигателя IPM-PMASR для применения в широком диапазоне скоростей», Конгресс и выставка IEEE Energy Conversion 2011, Феникс, Аризона, 2011 г., стр. 4201-4207.
9. «Технологии двигателей для повышения эффективности в приложениях — Обзор тенденций и приложений», Danfoss Power Electronics — Danfoss VLT drive PE-MSMBM, ноябрь 2014 г.
10. Н. Бедетти, С. Каллигаро; Р. Петрелла, «Непрерывная самоидентификация характеристик потока для синхронных машин с сопротивлением с помощью новой аппроксимирующей функции насыщения и множественной линейной регрессии», в IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 52, нет. 4, с. 3083-3092, июль-авг. 2016.
11. Н. Бедетти, С. Каллигаро; Р. Петрелла, «Самостоятельный ввод в эксплуатацию компенсации мертвого времени инвертора с помощью множественной линейной регрессии на основе физической модели», IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE) 2014 г., т., №, стр. 242–249, 14–18 сентября 2014 г.
12. Н. Бедетти, С. Каллигаро; Р. Петрелла, «Аналитический расчет контура регулирования напряжения с ослаблением потока в приводах IPMSM», Конгресс и выставка IEEE Energy Conversion, 2015, том, №, стр. 6145-6152, 20-24 сентября 2015 г.
13. Н. Бедетти, С. Каллигаро; Р. Петрелла, «Анализ проблем проектирования и ошибок оценки основанного на обратной ЭДС устройства наблюдения за положением и скоростью для синхронных двигателей с SPM», в IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol.2, № 2, стр. 159–170, июнь 2014 г.
14. S.A. Odhano, P. Giangrande, R. I. Bojoi и C. Gerada, «Самостоятельный ввод в эксплуатацию внутренних приводов синхронных двигателей с постоянными магнитами с подачей высокочастотного тока», в IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 50, нет. 5, pp. 3295-3303, сентябрь-октябрь. 2014.
15. Welin, C.-J. Фриман, «Новая система прямого привода открывает новую эру для бумагоделательных машин», Paper and Timber, Vol.

    No related posts.