Применение электродвигателей в вентиляторах

Одним из главных элементов любой системы вентиляции является электромотор. Знать досконально его устройство — дело электромеханика. В то же время есть некоторые общие принципы, которые полезно знать людям, обустраивающим и эксплуатирующим системы вентиляции

Электродвигатели в вентиляторах могут находиться: в условиях окружающей среды, как, например, в случае радиальных вентиляторов со спиральными корпусами; в условиях перекачиваемой среды, как в случае канальных и осевых вентиляторов.

В обоих случаях электродвигатели подвергаются воздействиям среды — температуры, влажности, запыленности и т. д. И сам вентилятор, и электродвигатель как его составная часть также оказывают воздействие на окружающую среду, в частности, шумом и вибрациями.

Полезная информация

В соответствии с ГОСТ 15150, электродвигатели выпускаются в ряде климатических исполнений (табл. 1). Возможна эксплуатация двигателя и при больших, чем указанные, температурах, однако для уменьшения температуры внутреннего разогрева электродвигатели должны эксплуатироваться при пониженной мощности.

В принципе электродвигатели могут комплектоваться термодатчиками защиты от перегрева обмоток статора. Внутрь электродвигателя на каждую из обмоток устанавливается датчик, и все три датчика соединяются последовательно. В табл. 2 указаны требования по условиям срабатывания датчиков термозащиты обмоток двигателя (ГОСТ 27895). По этим данным можно судить о том, какие предельные температуры и при каких условиях могут выдерживать обмотки асинхронных электродвигателей.

Таблица 1. Климатические исполнения электродвигателей для вентиляторов

Климатическое исполнение	Категория размещения *	Рабочая температура, ° С		Максимальное значение относительной влажности, %
		Верхнее значение	Нижнее значение
У (умеренный климат)	1,2	40	-45	100 при 25 °С
У (умеренный)	3	40	-45	98 при 25 °С
У (умеренный)	4	35	1	80 при 25 °С
Т (тропический)	2	45	-10	100 при 35 °С
УХЛ (умеренно холодный)	4	40	-50	100 при 25 °С
ХЛ (холодный)	1,2	40	-60	100 при 25 °С
* 1 — на открытом воздухе; 2 — под навесом при отсутствии прямого воздействия солнечного излучения и атмосферных осадков; 3 — в закрытых помещениях без искусственного регулирования климатических условий; 4 — в закрытых помещениях с искусственно регулируемыми климатическими условиями

Таблица 2. Стойкость обмотки двигателей в зависимости от температуры нагрева

Тепловой режим	Температура	Значение температуры обмотки статора для системы изоляции класса нагревостойкости, °С
		B	F
Установившийся	Предельно допустимое среднее значение	120	140
Медленный нагрев	Срабатывание защиты	145	170
Быстрый нагрев	Срабатывание защиты	200	225

Таблица. 3. Степень защиты двигателя от попадания внутрь твердых тел

Перваяцифра IP	Степень защиты
0	Специальная защита отсутствует
1	Защита от проникновения внутрь оболочки большого участка поверхности человеческого тела, например, руки, и от проникновения твердых тел размером свыше 50 мм
2	Защита от проникновения внутрь оболочки пальцев или предметов длиной не более 80 мм и от проникновения твердых тел размером свыше 12 мм
3	Защита от проникновения внутрь оболочки твердых тел (инструментов, проволоки и т. п.) диаметром или толщиной более 2,5 мм
4	Защита от проникновения внутрь оболочки проволоки и твердых тел размером более 1,0 мм
5	Защита от пыли. Проникновение внутрь оболочки пыли не предотвращено полностью, однако пыль не может п роникать в количестве, достаточном для нарушения работы изделия
6	Пыленепроницаемость. Проникновение пыли предотвращено полностью

Электродвигатель должен быть защищен от попадания внутрь твердых предметов и влаги, что может привести к выходу из строя подшипников и обмотки. Степень защиты электродвигателей обозначается двумя латинскими буквами IP с последующими двумя цифрами:

• первая цифра обозначает степень защиты двигателя от попадания внутрь твердых тел (табл. 3);
• вторая цифра обозначает степень защиты от попадания внутрь двигателя влаги (табл. 4).

Двигатели исполняются обычно со степенью защиты IP44 или IP45. Специальные исполнения для условий морского климата характеризуются степенью защиты IP55; для эксплуатации в химически агрессивных средах — IP54.

Если возможны отклонения параметров электросети от номинальных условий, то надо помнить, что электродвигатели могут нормально работать при отклонениях напряжения ±5 % и частоты ±2 %. Допустима эксплуатация двигателей при изменениях питающего напряжения до ±10 %. При этом, конечно, надо учитывать, что рабочие характеристики двигателя, соответственно, изменятся.

Таблица 4. Защита двигателя от влаги

Вторая цифра IP	Степень защиты
0	Специальная защита отсутствует
1	Защита от капель воды. Капли воды, вертикально падающие на оболочку, не должны оказывать вредного воздействия на изделие
2	Защита от капель воды. Капли воды, вертикально падающие на оболочку, не должны оказывать вредного воздействия на изделие при наклоне его на любой угол до 15°относительно нормального положения
3	Защита от капель дождя. Дождь, падающий на оболочку под углом до 60° от вертикали,не должен оказывать вредного воздействия на изделие
4	Защита от брызг. Вода, разбрызгиваемая на оболочку в любом направлении, не должна оказывать вредного воздействия на изделие
5	Защита от водяных струй. Струя воды, выбрасываемая в любом направлении на оболочку, не должна оказывать вредного воздействия на изделие
6	Защита от волн воды. Вода при волнении не должна попадать внутрь оболочки в количестве, достаточном для повреждения изделия

Основные характеристики

Одними из основных характеристик асинхронного электродвигателя являются номинальная установочная мощность N_H, номинальный ток I_H номинальная частота вращения n_н.
Номинальная мощность NH пропорциональна номинальной частоте вращения nн и номинальному вращающему моменту М_Н:

Моментные характеристики асинхронных электродвигателей показаны на рис. 1.

Рис. 1. Моментные характеристики асинхронных электродвигателей:
1 — обычное исполнение электродвигателя; 2 — исполнение электродвигателя с повышенным моментом; 3 — исполнение электродвигателя с повышенным скольжением

Важной характеристикой электродвигателя являются также пусковые нагрузки. Если в качестве нагрузки двигателя рассматривать колесо вентилятора, то необходимо иметь в виду две составляющие — аэродинамическую нагрузку и нагрузку от момента инерции ротора (рабочее колесо со всей подвижной механикой — ротор узла вала, шкивы, ротор электродвигателя и т.д.). Из приведенной выше формулы и рис. 1 видно, что мощность электродвигателя примерно пропорциональна частоте вращения(момент двигателя при пуске даже больше номинального). Потребляемая вентилятором аэродинамическая мощность Nад пропорциональна кубу частоты вращения (момент аэродинамических сил пропорционален квадрату частоты вращения):

Таким образом, при запуске вентилятора аэродинамические силы практически не нагружают двигатель. Вторая составляющая нагрузки на двигатель при пуске связана с наличием момента инерции ротора.

Для вентилятора, как правило, момент инерции ротора определяется моментом инерции рабочего колеса. Моменты инерции рабочих колес иногда приводятся в каталогах фирм, производящих вентиляторы.

Вентиляторная нагрузка не создает пусковых проблем для асинхронных электродвигателей (даже в случае радиальных рабочих колес двустороннего всасывания) и применять специальные методы пуска или устройства плавного пуска электродвигателей в большинстве случаев не обязательно. Однако при использовании электродвигателей, имеющих значительную установочную мощность (несколько десятков киловатт и более), при частых повторных пусках необходимо контролировать температуру электродвигателя для исключения вероятности его перегрева от пусковых токов и выхода из строя.

Электродвигатели, как и вентиляторы, являются источниками шума и вибраций. Уровни излучаемой звуковой мощности обычно указываются в паспортах или в каталогах. Как правило, шум электродвигателя незначителен и на рабочем режиме намного ниже, чем аэродинамический шум самого вентилятора. Если же слышен шум электродвигателя, то необходимо разбираться с проблемами, возникшими с электродвигателем. Увеличенные вибрации электродвигателей встречаются довольно часто. Обычно они связаны с применением низкокачественных подшипников, реже — с недостаточной балансировкой ротора двигателя. По уровню вибраций двигатели подразделяются на двигатели нормальной точности (N), повышенной точности (R), высокой точности (S).

Защита от взрыва

В условиях, где возможно формирование взрывоопасной окружающей среды, должно применяться взрывозащищенное электрооборудование, т. е. электрооборудование, имеющее средства предотвращения проявления источника поджигания, признанные достаточными для обеспечения взрывобезопасности при использовании в установленных условиях окружающей среды.

Для взрывобезопасности силового электрооборудования необходимо обеспечить взрывоустойчивость и взрывонепроницаемость электрооборудования.

Взрывоустойчивость в основном обеспечивается прочностными параметрами корпуса электрооборудования, а взрывонепроницаемость, например, электродвигателей — оболочкойсо щелевой или пластинчатой защитой.

Примеры и тенденции

В нашей стране в системах промышленной вентиляции широкое распространение получили синхронные трёхфазные электродвигатели переменного тока серий АИР, АД и др.

Их производит, в частности украинское АО «HELZ» (Харьков). Выпускаемые компанией электродвигатели АИР (рис. 2) мощностью от 0,18 до 5,5 кВт предназначены для комплектации трехфазного тока с частотой сети 50 и 60 Гц. Напряжение — 220–660 В. Степень защиты электродвигателей IP54 (по заказу IP55). Степень защиты токоввода — IP55. Класс изоляции F. Возможны специальные исполнения — химостойкое (Х2), морское (ОМ2), со встроенной температурной защитой (Б), повышенной точности (П).

Рис. 2. Электродвигатель АИР

Схожими характеристиками обладают и электродвигатели для систем вентиляции другого отечественного производителя — АО «Электромотор» (Полтава).

В настоящее время, в связи с усилением роли энергосбережения все большее внимание, как в промышленных, так и в бытовых системах вентиляции уделяется применению частотного регулирования приводов вентиляторов. Кроме того, зарубежные и отечественные компании предлагают агрегаты, оснащенные ЕС-моторами — бесколлекторными синхронными двигателями со встроенным электронным управлением, или, более кратко, электронно-коммутируемыми (Electronically Commutated) двигателями.

ЕС-двигатель имеет внешний ротор, в котором располагаются сегменты с постоянными магнитами. Принцип работы основан на том, что в поле, создаваемом встроенными в ротор постоянными магнитами, осуществляется управление вектором магнитного поля путем изменения направления тока в обмотке статора. В каждый момент времени контроллер вычисляет и подает на обмотку статора полярность тока, которая необходима длятого, чтобы обеспечить непрерывное вращение ротора с заданной скоростью.

У ЕС-вентиляторов практически отсутствуют пиковые пусковые токовые нагрузки за счет того, что встроенный регулятор обеспечивает достаточно плавное нарастание амплитуды переменного тока от нуля до номинального значения. Поскольку ротор ЕС-двигателя является внешним с постоянными магнитами, в нем отсутствуют тепловые потери. Отсюда высокий КПД, достигающий 80–90 %.

Наряду с этим, высокая степень энергосбережения при использовании EC-двигателей в системах вентиляции достигается за счет регулирования числа оборотов. В силу кубической зависимости потребляемой мощности от числа оборотов их плавное и глубокое регулирование, обеспечиваемое EC-двигателями без преобразования частоты питающего напряжения, дает снижение суммарных значений потребляемой мощности (рис. 3).

Рис. 3. Соотношение расхода и потребляемой мощности вентиляторов различного типа

Управление вращением ротора ЕС-двигателя осуществляется за счет контролируемой подачи электроэнергии на обмотку статора в зависимости от положения ротора, которое отслеживается при помощи датчиков Холла, а также заданных параметров регулирования, поступающих, например, от внешних датчиков соответствующего типа в виде токовых (4–20 мА) или потенциальных (0–10 В) сигналов. При этом встроенный PID регулятор позволяет, наряду с пропорциональным управлением, устанавливать скорость реагирования двигателя на изменение управляющего сигнала в зависимости от его дифференциальных и интегральных показателей.

Помимо вышеперечисленного ЕС-двигатели более компактные и обладают пониженным уровнем шума. В них есть дополнительная защита от перегрева, а также защита от блокировки ротора, потери фазы и резких скачков напряжения, что обеспечивает бесперебойную работу при сбоях электропитания.

Оснащенные ЕС-моторами канальные центробежные вентиляторы в стальном корпусе ВКМ ЕС (рис. 4) недавно появились в ассортименте продукции украинской компании «Вентс». Оборудование предназначено для приточно-вытяжных систем вентиляции.

Рис. 4. Канальные центробежные вентиляторы на основе ЕС-двигателей

Благодаря ЕС-моторам данные вентиляторы можно объединить в сеть и регулировать централизовано с компьютера, задавая индивидуальный режим работы. Управление осуществляется при помощи внешнего управляющего сигнала 0–10 В в зависимости от уровня температуры, давления, задымленности и других параметров. Класс защиты двигателя — IP 44. Диметр присоединения к воздуховодам — 160, 200, 250 или 315 мм. Производительность — до 1460 м³/ч.

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok.  Долучайтесь!

Переглянуто: 14 270