Архив / 1998 / №1(14) / 

Выбор асинхронных двигателей для различных приводов и условий эксплуатации (Продолжение. Начало в № 11-13)

Условия работы электродвигателей

В процессе эксплуатации на электродвигатели воздействуют следующие климатические факторы: температура, влажность, атмосферное давление, солнечная радиация, дождь, пыль, снег, иней, соляной туман, плесневые грибы и коррозионно-активные агенты, содержащиеся в воздухе.

По макроклиматическим характеристикам районы страны можно разделить следующим образом (в соответствии с ГОСТ 15150-69):

- районы с умеренным климатом, в которых средняя из годовых абсолютных максимумов температуры воздуха равна или ниже 40оС, а средняя из годовых абсолютных минимумов температуры равна или выше минус 45оС;
- районы с холодным климатом, в которых средняя из годовых абсолютных минимумов температуры воздуха ниже минус 45оС;
- районы с влажным тропическим климатом, в которых температура, равная или большая 20оС, сочетается с относительной влажностью, равной или большей 80%, 12 ч. или более в сутки непрерывно от 2 до 12 месяцев в году;
- районы с сухим тропическим климатом, в которых средняя из годовых абсолютных максимумов температуры воздуха выше 40оС и которые не отнесены к районам с влажным тропическим климатом;
- районы с умеренно холодным морским климатом: моря, океаны, прибрежные территории в пределах непосредственного воздействия морской воды, расположенные севернее 30о северной широты и южнее 30о южной широты;
- районы с тропическим морским климатом: моря, океаны, прибрежные территории в пределах непосредственного воздействия морской воды, рас-положенные между 30о северной широты и 30о южной широты.

Количественные значения воздействующих факторов для перечисленных климатических зон приведены в табл.1. В этой же таблице даны условные обозначения климатической модификации электродвигателей серий 4А и АИ; они приводятся в конце обозначения типоразмера электродвигателя. Например: АИР 112М4 ХЛ4 означает, что электродвигатель данного типоразмера предназначен для работы в условиях холодного климата. При заказе асинхронного двигателя следует учитывать климатические условия района, в котором он будет работать. Электромашино-строительные заводы изготавливают двигатели для всех перечисленных район

Таблица 1

Макроклиматические
районы

Обозна-
чение
климати- 
ческой
модифи-
кации



Температура воздуха при ксплуатации, оС
Рабочая

Температура воздуха при ксплуатации, оС
Предельная рабочая

Изме-
нение
темпера- 
туры
воздуха 
за 8 ч,оС

Относительная влажность  среднемесячные значение в теплый и влажный период

Относительная влажность
верхнее
значение

Интенсив-
ность
дождя,
мм/мин

верхнее
значение

нижнее
значение

среднее
значение

верхнее
значение

значение нижнее
значение

значение

продолжи-
тельность,
месяцев

Умеренный климат

У

+40

-40

+10

+45

-50

40

80% при  20оС

6

100% при 23оС

3

Умеренно холодный

УХЛ (Х)

+40

-60

+10

+45

-60

40

80%при 20оС

6

100% при 25оС

3

Влажный тропический климат

ТВ

+45

+1

+27

+50

+1

10

90% при 27оС

12

100% при 35оС

5

Сухой тропический климат

ТС

+45

-10

+27

+55

-10

40

65% при 20оС

12

100% при 20оС

3

Умеренно холодный морской климат

M

+40

-30

+10

+45

-40

30

90% при 20оС

8

100% при 20оС

5

Тропический морской климат

ТМ

+45

+1

+27

+45

+1

10

90% при 27оС

12

100% при 35оС

5

При эксплуатации электро-двигателей на них воздействуют не только климатические факторы, но и факторы окружающей среды промышленного происхождения.

Содержащиеся в воздухе взвешенные твердые частицы, агрессивные пары и газы разрушают изоляцию и защитные покрытия двигателей.

Наибольшие разрушающие воздействия на двигатель оказы-вают мелкие частицы пыли диаметром до 15 мкм. Такие частицы проникают в пространство между движущимися частями, ограничивают их перемещение, увеличивают износ. Оседая на поверхности изоляции, пыль образует электропроводящие пути. На поверхности защитных покрытий, пыль в сочетании с влагой ускоряет протекание химических реакций, которые разрушают покрытия. Пыль оказывает на двигатель статическое и динамическое воздействия. Для нормальных условий эксплуатации электродвигателей при статическом воздействии пыли допускается ее концентрация до 10 мг/м3. Однако, если электродвигатель имеет степень защиты IР56, то допустимая концентрация пыли повышается до 200 мг/м3.

Значения номинальных мощностей, указанные на заводском щитке электродвигателя и в каталогах, справедливы для режимов S1 при температуре окружающей среды до 40оС и высоте установки над уровнем моря до 1000 м. Если температура окружающей среды выше 40оС или высота установки выше 1000 м, то мощность должна быть снижена. При установке машины на высоте свыше 1000 м мощность может быть сохранена, если на каждые
следующие 1000 м температура окружающей среды снижается на 10%. Зависимости допустимой мощности от температуры окружающей среды и высоты установки приведены в табл. 2 и 3.

Если одновременно повышаются температура окружающей среды и высота установки, то для определения допустимой мощности следует перемножить коэффициенты, найденные из табл. 2 и 3.

Очень важен для успешной эксплуатации электродвигателей правильный учет вибрации и ударов, которые воздействуют на электродвигатели со стороны механизма и фундамента. Электродвигатели серий 4А и АИ по устойчивости к механическим воздействиям от внешних источников относятся к группе М1 по ГОСТ 17516-72. Это означает, что такие двигатели могут устанавливаться непосредственно на стенах и фундаментах предприятий при наличии внешних источников, создающих вибрации с частотой не ниже 10 и не выше 35 Гц и с максимальным ускорением 0,5 (4,9 м/с2).

Таблица 2

Температура окружающей среды,оС

Коэффициент пересчета мощности при классе нагревостойкости изоляции

E

B

F

30
35
40
45
50
55
60

1,07
1,04
1,00
0,95
0,91
0,86
0,78

1,06
1,03
1,00
0,96
0,92
0,87
0,82

1,05
1,02
1,00
0,97
0,94
0,91
0,87

Таблица 3

Высота установки ад уровнем моря,
м

Коэффициент пересчета мощности для класса

Температура окружающей среды, при которой сохраняется номинальная мощность при классе, оС

E

B

F

E

B

F

До 1000  1000-1500 1500-2000 2000-2500
2500-3000
3000-3500
3500-4000

1,0 
0,98
0,96
0,93
0,92 
0,88 
0,86

1,0 
0,98
0,97
0,93
0,92 
0,89
0,87

1,0 
0,98
0,97
0,94
0,93
0,90 
0,88

40
36,5 
32,5
29
25
---
---

40
36
32
---
---
---
---

40
35
29,5
---
---
---
---

Технические характеристики механизмов, приводимых во вращение асинхронными двигателями

По виду механических характеристик механизмы можно подразделить на четыре класса.

1. Вращающий момент не зависит от частоты вращения, т.е. мощность прямо пропорциональна частоте вращения. Такую механическую характеристику имеют подъемные механизмы, поршневые насосы и компрессоры при условии работы на постоянное давление, прокатные станы, транспортеры, мельницы, станки с неизменным усилием резания.
2. Вращающий момент возрастает пропорционально частоте вращения, а мощность – квадрату частоты вращения.
3. Момент сопротивления возрастает пропорционально второй степени частоты вращения. Такую механическую характеристику имеют центробежные насосы, центробежные вентиляторы и воздуходувки, поршневые механизмы, работающие на открытую сеть.
4. Момент сопротивления возрастает обратно пропор-ционально частоте вращения, мощность постоянна.

В журнале «Автоматизация и производство» № 1(11) за 1997 г. в начале статьи «Выбор асинхронных двигателей для различных приводов и условий эксплуатации» были объяснены условные обозначения режимов работы асинхронных двигателей (S1...S8). В табл.4 приведены типовые режимы для наиболее распространенных механизмов, работающих в режимах S1-S4.

В режиме S5 работают электродвигатели для привода конвейеров и деревообрабатывающих станков; в режиме S6 – электро-двигатели для транспортеров, пил и ножей, металлорежущих и деревообрабатывающих станков; в режимах S7 и S8 – электродвигатели металлорежущих станков.

Механизмы

Режим работы

S1

S2

S3

S4

Вентиляторы
Воздуходувки 
Насосы
Компрессоры 
Транспортеры
Конвейеры
Шнеки 
Эскалаторы
Грузоподъемные механизмы
Смесители
Мешалки
Задвижки
Мельницы
Дробилки 
Вибраторы 
Питатели
Пилы, ножи
Барабаны
Механизмы подачи
Главный привод:
- металлорежущих станков
деревообрабаты вающих станков
- прядильных станков 

+
+
+
+
+
+
+
+
-
+
+
-
+
+
-
+
+
+
-

-
-
+

-
-
+
-
-
-
+
-
+
+
-
-
-
+
-
-
+
+
-

+
+
-

+
-
+
-
+
-
+
-
+
+
-
+
-
+
+
+
+
-
+

+
+
-

-
-
+
-
+
+
+
-
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-

-
-
+

Установка электродвигателя для привода исполнительного механизма

При установке электродвигателя необходимо следить за тем, чтобы отверстия для входа и выхода воздуха и межреберные   пространства были свободными и не засорялись при эксплуатации. Следует обеспечить беспрепятственный вход и выход воздуха и не допускать засасывания воздуха в электродвигатель непосредственно после выхода его из двигателя. Расстояние между отверстиями, через которые воздух поступает в двигатель, и ближайшей стенкой должно быть не менее высоты оси вращения.

При выборе размеров и жесткости фундамента следует принять меры по предотвращению резонанса.

Перед насадкой полумуфты или шкива вал электродвигателя должен быть очищен растворителем и смазан.

При насадке и снятии шки-вов и полумуфт следует пользоваться специальным инструментом, а не использовать для этой цели молоток во избежание повреждения подшипников.

Соединение электродвигателя с механизмом

Для соединения электродвигателя с механизмом могут быть использованы следующие способы: с помощью эластичной муфты, зубчатым зацеплением, клиновыми и плоскими ремнями. От способов соединения с исполнительным механизмом зависят радиальные и аксиальные нагрузки на вал, которые влияют на долговечность подшипников.

Соединение с помощью эластичной муфты – один из наиболее распространенных способов соединения с исполнительным механизмом.

При этом одним из основных требований является обеспечение минимальной несоосности двигателя и механизма. Наличие несоосности увеличивает нагруз-ки на свободный конец вала и подшипники. Радиальное усилие (реакция передачи) прилагаемое к свободному концу вала, можно рассчитать по формуле:

где Рн - номинальная мощность, Вт;  Rо - радиус расположения элементов, передающих усилие, м; Сп – коэффициент передачи (для эластичных муфт Сп = 0,3); w  – угловая скорость, рад/с.

Другим наиболее простым для монтажа, является способ соединения электродвигателя с исполнительным механизмом с помощью плоских или клиновых ремней. Этот способ целесообразно использовать в следующих случаях: при отличии частоты вращения механизма от величины частоты вращения двигателя; когда электродвигатель и исполнительный механизм размещены в разных плоскостях; в случае, когда электродвигатель должен быть установлен на значительном расстоянии от механизма; когда желательно снизить воздействие на механизм рывков и ударов, возникающих при пуске электродвигателя.

Следует иметь в виду, что применение ременной передачи сопровождается значительной радиальной нагрузкой на рабочий конец вала электродвигателя. Для клиноременной передачи коэффициент Сп = 1,8, а для плоскоременной Сп = 3-5. Для обеспечения достаточности натяжения ремней следует применять натяжные ролики или другое натяжное устройство.

Соединение электродвигателя с исполнительным механизмом с помощью зубчатой передачи применяется для изменения частоты вращения при небольшом расстоянии между валами.

Различают следующие зацепления: прямоугольное цилиндрическое, при котором на свободный конец вала действует только радиальная сила, косозубое цилиндрическое, коническое. При косозубом и коническом зацеплениях на вал двигателя, кроме радиальной силы, действует также и аксиальная. Для зубчатой передачи коэффициент Сп=1,09.

Электродвигатели при изго-товлении на заводе проходят технологический этап статичес-кой и динамической балансиров-ки. Для того, чтобы сохранить уровень балансировки электро-двигателей, необходима балан-сировка деталей, насаживаемых на свободный конец вала. Допус-тимый остаточный дисбаланс деталей, насаживаемых на свободный конец вала, составляет 20% остаточного дисбаланса ротора. Если остаточный дисбаланс ротора неизвестен, то допустимый дисбаланс насаженной детали, определяется по формуле:

где М - масса детали, кг;

е – допустимый удельный остаточный дисбаланс, определяемый по ГОСТ 12327-79

где n – частота вращения, об/мин;

КТ – класс точности балансировки.

Для роторов электрических машин устанавливается четыре класса точности балансировки роторов, из которых в электродвигателях общего назначения используются только два: 6,3 и 2,5. Класс точности балансировки числено равен наибольшему допустимому значению произведения е w, мм·рад/с, т.е.

Для электродвигателей повышенной и высокой точности установочных размеров класс точности балансировки 2,5. Для остальных электродвигателей установлен класс точности балансировки 6,3.

Детали, насаживаемые на рабочий конец вала электродвигателя, балансируются со своими шпонками. Оправки балансируются без шпонок.

Рис.1. Зависимость расчетной долговечности подшипников от радиальной силы для электродвигателей с высотой оси вращения 225 мм с горизонтальным (а) и вертикальным (б) расположением вала. Шарикоподшипник со стороны привода.
Рис.1. Зависимость расчетной долговечности подшипников от радиальной силы для электродвигателей с высотой оси вращения 225 мм с горизонтальным (а) и вертикальным (б) расположением вала. Шарикоподшипник со стороны привода.
Рис.2. То же, что на рис.1, но роликоподшипник со стороны привода
Рис.2. То же, что на рис.1, но роликоподшипник со стороны привода
Рис. 3. Зависимость Fr(0,5)/Fr(x) от x/l1: Fr(0,5) – предельно допустимая дариальная сила, приложенная по середине выступающего конца вала; Fr(x) – предельно допустимая радиальная сила, приложенная в произвольной точке свободного конца вала;
Рис. 3. Зависимость Fr(0,5)/Fr(x) от x/l1: Fr(0,5) – предельно допустимая дариальная сила, приложенная по середине выступающего конца вала; Fr(x) – предельно допустимая радиальная сила, приложенная в произвольной точке свободного конца вала;

Сила, действующая на рабочий конец вала и подшипник, имеет две составляющие: радиальную и аксиальную. Долговечность подшипников по разному зависит от аксиальной и радиальной нагрузок. Радиальная составляющая возникает от натяжения ремня, веса ротора, одностороннего магнитного притяжения при наличии неравномерного воздушного зазора (что практически бывает всегда). Основную часть общей радиальной силы составляет натяжение ремня, которое пропорционально передаваемому моменту и обратно пропорционально диаметру меньшего шкива, а также зависит от типа ременной передачи. Точкой приложения радиальной силы следует считать середину шкива.

На рис. 1,2 показаны зависимости расчетной долговечности подшипников серии 4А от радиальной силы, приложенной к середине выступающего конца вала.

Если радиальная сила приложена не к середине выступающего конца вала, то предельно допустимую силу можно определить по рис. 3 ( 1 - для электродвигателей с высотой оси вращения h=50-60 мм; 2 - для электродвигателей с h=200 - 225 мм при n1=3000 об/мин; h=250 мм при n1=1500 об/мин; 3 - для электродвигателей с h=71-180 мм и h=200-225 мм при n1=1500 об/мин.).

Аксиальная сила, действующая на подшипник, может быть вызвана: реакцией осевого вентилятора, расположенного на валу электродвигателя, весом ротора при вертикальном расположении электродвигателя, а также составляющей крутящего момента при косозубом или коническом зацеплениях.

Наличие аксиальной составляющей уменьшает допустимую радиальную нагрузку. На рис. 4-5 показаны допустимые радиальные нагрузки на выступающий конец вала в зависимости от аксиальной нагрузки.

Ранее было показано, что определяющим размером для асинхронных двигателей являет-ся один из главных установочных размеров – высота оси вращения h. Величина оси вращения входит в обозначение типоразмера. Существует жесткая увязка номинальных мощностей электродвигателей с их высотой оси вращения. В табл. 5 приведена увязка номинальных мощностей электродвигателей серии 4А базового исполнения со степенью защиты IР44, т.е. закрытых обдуваемых, от их высоты оси вращен

Таблица 5

Высота оси вращения, мм

Условная длина станины или сердечника статора

 Номинальная мощность, кВт, при степени защиты  IP44 и числе полюсов

2р=2

2р=4

2р=6

2р=8

2р=10

2р=12

50

56

63

71

80

90
100

112
132

160

180

200

225
250

280

315

355

A
B
A
B
A
B
A
B
A
B
L
S
L
M
S
M
S
M
S
M
M
L
M
S
M
S
M
S
M
S
M

0,09
0,12
0,18
0,25
0,37
0,55
0,75
1,1
1,5
2,2
3
4
5,5
7,5
--
11
15
18,5
22
30
37
45
55
75
90
110
132
160
200
160
315

0,06
0,09
0,12
0,18
0,25
0,37
0,55
0,75
1,1
1,5
2,2
3
4
5,5
7,5
11
15
18,5
22
30
37
45
55
75
90
110
132
160
200
160
31

--
--
--
--
0,18
0,25
0,37
0,55
0,75
1,1
1,5
--
2,2
3; 4
5,5
7,5
11
15
--
18,5
22
30
37
45
55
75
90
110
132
110
200

--
--
--
--
--
--
--
0,25
0,37
0,55
0,75; 1,1
--
1,5
2,2; 3 
4
5,5
7,5
11
--
15
18,5
22
30
37
45
55
75
90
110
90
160

--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
30
37
37
45
55
75
55
110

--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
45
55
45
90

Таблица 6

Высота оси вращения, мм

Условная длина станины

Номинальная мощность, кВт, при степени защиты IP23 и числе полюсов

2р=2

2р=4

2р=6

2р=8

2р=10

2р=12

160

180

200

225
250

280

315

355

S
M
S
M
S
M
M
S
M
S
M
S
M
S
M

22
30
37
45
55
75
90
110
132
160
200
250

315
400

18,5
22
30
37
45
55
75
90
110
132
160
200
250
315
400

--
--
18,5
22
30
37
45
55
75
90
110
132
160
200
250

--
--
15
18,5
22
30
37
45
55
75
90
110
132
160
200

--
--
--
--
--
--
--
--
--
45
55
75
90
110
132

--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
55
75
90
110

В табл. 6 дана увязка номинальных мощностей электродвигателей серии 4А базового исполнения, но со степенью защиты IР23, т.е. защищенных, от их высоты оси вращения.

Оскар Гольдберг
академик АЭН РФ, доктор технических наук, профессор