Электродвигатели насосов

Стандарты

Стандарты и методы защиты — взрывозащищенные исполнения электродвигателей (Ex)

ATEX (Атмосферная взрывоопасность) опирается на две Европейские директивы о взрывах. Директивы ATEX касаются электрического, механического, гидравлического и пневматического оборудования. Что касается механического оборудования, то требования безопасности в директиве ATEX гарантируют работу таких компонентов насоса, как уплотнения вала и подшипники, которые не должны перегреваться и способствовать воспламенению газа и пыли. Первая директива ATEX (94/9/EC) — требования, касающиеся оборудования для использования в местах с повышенной взрывоопасностью. Производитель обязан выполнять все требования и отмечать свой продукт соответствующими категориями.

Вторая директива ATEX (99/92/EC) касается соблюдения необходимого минимума безопасности условий труда, которые должны выполняться при работе во взрывоопасных условиях. Существуют разные способы предотвращения воспламенения электрического оборудования. В случае с электродвигателями применяются следующие типы защиты при работе в условиях газообразования: d (во взрывонепроницаемой оболочке); е (повышенная безопасность); nA (не дающие искр). Электродвигатели, предназначенные для работы в пыльной среде, имеют тип защиты DIP — защита от пылевоспламенения.

Электродвигатели во взрывонепроницаемой оболочке — тип защиты EExd (de)

Прежде всего, взрывозащищенные электродвигатели Eexd (тип de) принадлежат к категории 2G оборудования для использования в зоне 1. Корпус статора и фланцы огораживают те части электродвигателя, которые могут воспламенить потенциально взрывоопасную атмосферу. Благодаря такой оболочке электродвигатель способен противостоять давлению, сопровождающему взрыв взрывоопасной смеси, находящейся внутри электродвигателя. Распространение взрыва в окружающую среду, таким образом, не происходит. Параметры оболочки определены стандартом EN 50018. Температурный класс должен всегда соответствовать требуемому диапазону.

Электродвигатели повышенной безопасности — тип защиты EEx (e)

Электродвигатели повышенной безопасности (тип е) относятся к категории оборудования 2G и используются для работы в зоне 1. Эти электродвигатели не имеют взрывонепроницаемой оболочки и не способны противостоять воспламенению изнутри. Конструкция таких электродвигателей основывается на повышенной безопасности к возможному повышению температуры и возникновению искр и электрических дуг, возникающих как при нормальной работе, так и при поломке.

Для электродвигателей повышенной безопасности требования к температурному классу должны соблюдаться как для внутренних, так и для внешних поверхностей и, следовательно, необходимо следить за температурой обмотки статора.

Электродвигатели с защитой от искрообразования — тип защиты Ex (nA)

Электродвигатели с защитой от искрообразования (тип nA) принадлежат к категории 3G и используются для работы в зоне 2. Такие электродвигатели не могут воспламенить потенциально взрывоопасную атмосферу при нормальной работе, см. рис.1.4.6.

Электродвигатели с защитой от пылевоспламенения (DIP)

Существует два типа электродвигателей с защитой от пылевоспламенения: 2D/оборудование категории 2 и 3D/оборудование категории 3.

2D/оборудование категории 2

Во избежание возникновения статического электричества, способствующего воспламенению, охлаждающий вентилятор, установленный на электродвигателе с пылевоспламеняющейся защитой категории 2 DIP для использования в зоне 21 (область с повышенной опасностью воспламенения), изготавливается из металла. Более того: чтобы минимизировать риск воспламенения, необходимо выполнение более серьезных требований к конструкции внешнего зажима заземления. Температурный класс, указанный на фирменной табличке электродвигателя, соответствует рабочим параметрам при наихудших условиях, допустимых для его работы.

Электродвигатели, используемые для работы в зоне 21 (области с потенциальной опасностью воспламенения), должны иметь класс защиты IP65, при котором электродвигатели полностью защищены от пыли.

3D/категория оборудования 3

Температура, указанная на электродвигателе категории 3 DIP для использования в зоне 22 (области с незначительной опасностью воспламенения), соответствует рабочим параметрам при наихудших условиях, допустимых для его работы. Двигатели, работающие в зоне 22, должны соответствовать классу защиты IP55 по пылезащищенности. Разницей между оборудованием 2D/ категории 2 и 3D/ 3 является класс защиты IP.

Монтаж (Международные правила монтажа — IM)

Существует три разных способа монтажа электродвигателей: электродвигатель, монтируемый на лапах; с фланцами типа FF или FT. На рис.1.4.8 показаны различные варианты монтажа электродвигателя и стандарты, применяемые при этом. Монтаж электродвигателей осуществляется в соответствии со стандартами:

• IEC 60034-7, Код 1, обозначение IM, следует за применяемым ранее стандартом DIN 42590.
• IEC 60034-7, код II

Класс защиты (IP)

Класс защиты определяет уровни защиты электродвигателя от проникновения твердых частиц и воды. Класс защиты обозначается двумя буквами IP, за которыми следуют две цифры, например, IP55. Первая цифра указывает уровень защиты от контакта и попадания твердых частиц, а вторая цифра указывает на уровень защиты от проникновения воды, см. рис.1.4.9.

Сливные отверстия отводят воду, появившуюся в корпусе статора при образовании конденсата. Во время работы электродвигателя во влажных условиях, нижние сливные отверстия должны быть открыты. При открытии сливных отверстий класс защиты электродвигателя меняется с IP55 на IP44.

Типоразмер

На рис.1.4.12 представлена взаимосвязь между типоразмером двигателя, диаметром свободного конца вала, мощностью электродвигателя и типом и разме- ром фланца. Для электродвигателей типоразмеров от 63 до 315М (включительно) эта взаимосвязь определяется стандартом EN50347. Для электродвигателей типоразмеров 315L и более не имеется стандартов, определяющих такие соотношения. На рисунке показаны размеры, обуславливающие типоразмер двигателя.

Фланцы и диаметр свободного конца вала определяются стандартами EN 50347 и IEC 60072-1. Некоторые насосы имеют муфту, для которой необходим гладкий конец вала или удлиненный вал, который не соответствует вышеуказанным стандартам.

Класс изоляции

Класс изоляции определен стандартом IEC 60085 и определяет степень устойчивости изоляционных материалов к определенным температурам. Срок эксплуатации каждого изоляционного материала зависит от температуры. Изоляционные материалы классифицируются по классам изоляции, в зависимости от их способности противостоять высоким температурам.

Пуск электродвигателя

Существуют следующие способы пуска электродвигателя: прямой пуск электродвигателя от сети; звезда/треугольник; через трансформатор; плавный пуск; через преобразователь частоты. Каждый из этих способов имеет свои достоинства и недостатки, показанные на рис.1.4.13.

Прямой пуск электродвигателя от сети (DOL)

Как видно из названия, прямой пуск электродвигателя от сети означает, что он пускается путем прямого подключения к электросети. Такой пуск приемлем при стабильном напряжении электросети, механически прочной и правильно подобранной системе валов насосов.

Пуск электродвигателя способом «звезда/треугольник» (SD) (Y/Δ)

Этот способ применяется для трехфазных асинхронных электродвигателей для снижения пускового тока. При таком способе пуска источник тока подсоединен к обмоткам статора методом «звезда» (Y). Как только электродвигатель набирает скорость, источник тока переключается на «треугольник» (Δ).

Пуск электродвигателя через трансформатор

Как видно из названия, в этом случае применяется трансформатор. Трансформатор подключается к электродвигателю последовательно и во время пуска увеличивает напряжение до номинального в 2 или 4 приема.

Плавный пуск

Устройство плавного пуска гарантирует плавный пуск электродвигателя, который производится путем повышения напряжения питания до некоторого заранее установленного значения.

Пуск через преобразователь частоты

Преобразователи частоты служат для питания электродвигателя, но могут быть использованы также для плавного пуска.

Подключение к электросети

Номинальное напряжение электродвигателя находится в определенном диапазоне. На рис.1.4.14 показаны типичные варианты напряжения электродвигателей при частоте тока 50 Гц.

В соответствии с международным стандартом IEC 60038, электродвигатель должен работать при допустимом отклонении напряжения ±10%.

Для электродвигателей, разработанных в соответствии со стандартом IEC 60034-1 для работы в широком диапазоне напряжения, например 380–415 В, основное напряжение может иметь допустимое отклонение ±5%.

Допустимая максимальная температура для фактического класса изоляции не превышается при работе электродвигателя внутри диапазона номинального напряжения. При работе двигателя на границе допустимого диапазона напряжений, температура обычно возрастает приблизительно на 10°.

Преобразователь частоты

Преобразователь частоты очень часто применяется для регулирования скорости насосов. Он преобразует напряжение сети в другое напряжение, с другой частотой, для работы электродвигателя с разными скоростями вращения ротора. Такой способ регулирования частоты может приводить к некоторым проблемам:

• Акустический шум электродвигателя, который иногда передается в систему.
• Скачки напряжения на выходе преобразователя частоты.

Изоляция электродвигателей с преобразователем частоты

Электродвигатели с преобразователем частоты различаются по типу изоляции.

Электродвигатели без фазовой изоляции

Для электродвигателей без фазовой изоляции продолжительное действие напряжения (RMS) свыше 460 В увеличивает риск электрического пробоя обмоток и, следовательно, поломку самого электродвигателя. Это относится ко всем двигателям без фазовой изоляции. Продолжительная работа электродвигателя при напряжении свыше 650 В приводит к повреждению электродвигателя.

Электродвигатели с фазовой изоляцией

В трехфазных электродвигателях обычно используется фазовая изоляция, и поэтому нет необходимости в дополнительной защите, если напряжение питания не превышает 500 В.

Электродвигатели с армированной изоляцией

Если напряжение питания лежит в диапазоне от 500 В до 690 В, электродвигатели должны быть оснащены армированной изоляцией или защищены дельта U/ дельта t фильтрами. При напряжении питания 690 В и выше электродвигатели должны быть оснащены как армированной изоляцией, так и дельта U/дельта t фильтрами.

Электродвигатели с изолированными подшипниками

При использовании частотного преобразователя для предотвращения вредного воздействия паразитных токов на подшипники электродвигателя, необходимо применять изолированные подшипники. Такая изоляция применяется для электродвигателей типоразмеров 280 и выше.

КПД электродвигателя

Как известно, электродвигатели обладают довольно высоким КПД. Некоторые из них имеют КПД 80–93%, в зависимости от мощности, а иногда, для более мощных электродвигателей, даже выше. Существует два типа энергетических потерь в электродвигателях: потери, обусловленные нагрузкой, и потери, не обусловленные нагрузкой.

Потери, обусловленные нагрузкой, меняются соответственно квадрату тока и включают в себя:

• потери на обмотке статора (cooper losses)
• потери ротора (slip losses)
• потери на различных частях электродвигателя (рассеянные)

Потери, не обусловленные нагрузкой, включают в себя:

• потери в сердечнике
• механические потери (на трение)

Различные виды классификации электродвигателей распределяют их по КПД. CEMEP является наиболее важной классификацией для европейских стран (EFF1, EFF2 и EFF3), а для США — EPAct.

Электродвигатели могут выйти из строя из-за перегрузки, действующей в течение длительного времени, поэтому большинство из них переразмерены и работают на 75–80% от их номинальной мощности. При таком уровне нагрузки КПД и коэффициент мощности остаются относительно высокими. Но при нагрузке электродвигателя ниже 25%, КПД и коэффициент мощности снижаются.

КПД электродвигателя быстро падает при снижении нагрузки ниже определенного уровня. Поэтому очень важно определять мощность электродвигателя таким образом, чтобы минимизировать потери. Обычно электродвигатель подбирают соответственно потребной для данного насоса мощности.

Защита электродвигателя

Электродвигатели обычно защищены от высоких температур, которые могут привести к повреждению системы изоляции. В зависимости от конструкции двигателя и области его применения, термическая защита может также обладать другими функциями, такими как защита от перегрева преобразователя частоты, если тот установлен непосредственно на электродвигателе.

Тип термической защиты зависит от типа электродвигателя. При выборе термической защиты нужно обратить внимание на конструкцию двигателя и его потребляемую мощность.

Факторы, влияющие на медленное повышение температуры в обмотках двигателя:

• Медленная перегрузка
• Продолжительное время пуска
• Недостаточное охлаждение или его отсутствие
• Высокая температура окружающей среды
• Частые пуски/остановы
• Частотные колебания
• Колебания напряжения

Факторы, влияющие на быстрое повышение температуры в обмотках:

• Блокировка ротора
• Обрыв фаз

Термическая защита (ТР)

В соответствии со стандартом IEC 60034-11, уровень термической защиты электродвигателя должен быть отображен на его фирменной табличке специальным обозначением ТР. На рис.1.4.19 показаны обозначения термической защиты.

РТС терморезисторы

РТС терморезисторы (терморезисторы с положительным температурным коэффициентом) могут быть установлены в обмотках электродвигателя производителем или при монтаже. Обычно двигатель оснащается тремя РТС терморезисторами, по одному на каждой обмотке. Они могут быть оснащены расцепителем для диапазона температур от 90°С до 180°С с 5 положениями. Терморезисторы должны быть соединены с термореле, которое размыкается при резком увеличении электрического сопротивления в терморезисторе, когда температура достигает уровня размыкания. Эти устройства нелинейные. Сопротивление терморезистора при обычной температуре окружающей среды составляет 200–300 Ом, но когда его температура достигает уровня размыкания, сопротивление резко возрастает, и при дальнейшем ее увеличении достигает нескольких тысяч Ом.

Обычно реле терморезистора устанавливается на размыкания при сопротивлении 3000 Ом, или это значение определяется стандартом DIN 44082. При установке терморезисторов в обмотках электродвигателей мощностью ниже 11 кВт, они будут обозначаться как ТР 211. При установке во время монтажа двигателя обозначение будет ТР 111. Обозначение для двигателей мощностью свыше 11 кВт—ТР 111.

Термовыключатели и термостаты

Термовыключатели — это небольшие биметаллические выключатели, размыкающие сеть при повышенной температуре. Они могут работать в широком диапазоне температур; бывают нормально открытого и нормально закрытого типа. Наиболее распространен закрытый тип выключателей. Термовыключатели и термостаты подключаются к обмоткам электродвигателя, как и терморезисторы, — обычно один или два, последовательно, и могут быть напрямую подключены к контуру катушки главного контактора. В этом случае нет необходимости в реле. Такой тип защиты дешевле, чем с применением терморезисторов, но, с другой стороны, он менее чувствителен и не способен выявить повреждение ротора.

К термовыключателям также относятся Thermik, Klixon и PTO (Protection Thermique a Ouverture). Они всегда имеют обозначение ТР 111.

Однофазные электродвигатели

Однофазные электродвигатели обычно производятся со встроенной термозащитой: остыв, электродвигатель автоматически включается (повторное автоматическое включение). Это означает, что электродвигатели должны быть подключены к сети переменного тока способом, исключающим поломку двигателя при автоматическом перезапуске.

Трехфазные электродвигатели

Защита трехфазных электродвигателей должна осуществляться в соответствии с местными требованиями. Этот тип электродвигателей обычно имеет встроенные контакты для подключения необходимой защиты.

Подогрев в режиме ожидания

Нагревательный элемент служит для подогрева электродвигателя, находящегося в режиме ожидания. Он применяется в случаях, когда необходимо бороться с влажностью и конденсатом. При использовании подогрева в режиме ожидания температура в электродвигателе становится выше температуры окружающей среды, и, таким образом, относительная влажность воздуха внутри электродвигателя всегда ниже 100%.

Техническое обслуживание

Необходимо регулярно проверять техническое состояние электродвигателя. Очень важно содержать его в чистоте, чтобы обеспечивать достаточное охлаждение. Если насос установлен в пыльном месте, он должен регулярно проверяться и очищаться.

Подшипники

Обычно электродвигатели оснащаются закрытыми подшипниками со стороны свободного конца вала и подшипниками с осевым зазором на неприводной стороне. Осевой зазор необходим для соблюдения допустимых отклонений, возникающих из-за теплового расширения во время работы и т. д. На неприводной стороне подшипники электродвигателя удерживаются подпружиненной шайбой, см. рис.1.4.21.

Неподвижная опора со стороны свободного конца вала может обеспечиваться либо подшипниками с глубокими дорожками качения, либо упорными подшипниками качения с коническими опорами.

Допуски и отклонения подшипников утверждены стандартами ISO 15 и ISO 492. Так как все производители должны соблюдать требования этих стандартов, подшипники являются взаимозаменяемыми стандартными деталями.

Для обеспечения свободного вращения шарикоподшипник должен иметь определенный внутренний зазор между дорожкой и шариками. Без этого внутреннего зазора подшипники либо с трудом вращаются, либо заклинивают и не вращаются вовсе. С другой стороны, очень большой внутренний зазор может привести к неустойчивой работе подшипника, который будет создавать сильный шум или биение вала.

В зависимости от того, с каким типом насоса будет работать электродвигатель, подшипники с глубокими дорожками качения со стороны свободного конца вала должны иметь зазор С3 или С4. Подшипники с зазором С4 являются менее чувствительными к повышению температуры и имеют довольно высокую допустимую осевую нагрузку.

Подшипники, несущие осевые нагрузки насоса, могут иметь зазор С3, если насос:

• Оснащен полностью или частично разгруженным рабочим колесом
• Работает в повторно-кратковременном режиме
• Долгое время работает на холостом ходу.

Подшипники с зазором С4 применяются в насосах с пульсирующими осевыми силами. Упорные подшипники качения с коническими опорами применяются, если насос создает мощные односторонние осевые силы.

Электродвигатели с постоянно смазывающимися подшипниками

Для закрытых, постоянно смазываемых подшипников используется один из следующих типов густой смазки, способной выдерживать высокие температуры:

• Литиевая консистентная смазка.
• Полимочевинная (Ур) консистентная смазка.

Технические характеристики должны соответствовать стандарту DIN-51825 K2. Вязкость смазки должна превышать:

• 50 сСт (10-6м²/сек) при 40°С и
• 8 сСт (мм²/сек) при 100°С

Например, Kluberquiet BQH 72-102 с соотношением наполнения смазкой 30–40%.

Электродвигатели с системой смазки

Обычно электродвигатели типоразмера 160 и выше имеют смазывающие ниппели для подшипников, как со стороны свободного конца вала, так и с неприводной стороны.

Смазывающие ниппели должны быть легко доступны. Электродвигатели сконструированы таким образом, что:

• существует поток смазывающего вещества вокруг подшипника
• новая порция смазки поступает в подшипник
• старая смазка удаляется из подшипника

Электродвигатели с системами смазки поставляются с инструкциями по смазке, например, в виде таблички на крышке вентилятора. Кроме того, такая инструкция присутствует в руководстве по монтажу и эксплуатации.

Очень часто применяется высокотемпературная литиевая консистентная смазка, например EXXON UNIREX N3 или Shell Alvania Grease G3. При этом вязкость должна быть:

• более 50 сСт (10–6м²/сек) при 40°С и
• 8 сСт (мм²/сек) при 100°С

Литература

Промышленное насосное оборудование – GRUNDFOS
www.grundfos.com

• Центробежные насосы - принцип действия, классификация
• Струйные насосы - принцип действия и классификация
• Основные неисправности в работе центробежных насосов
• Поршневые насосы – принцип действия и классификация
• Назначение и классификация судовых насосов