Porównanie różnych typów silników elektrycznych (czym się różnią), charakterystyka, zalety i wady, charakterystyka ich zastosowania

Możliwości konstrukcyjne silników elektrycznych gwarantują spełnienie różnorodnych wymagań — w zakresie mocy, właściwości mechanicznych oraz zewnętrznych warunków pracy. Pozwala to przemysłowi elektrotechnicznemu na produkcję specjalistycznych serii silników przeznaczonych dla określonych gałęzi przemysłu, najpełniej odpowiadających trybowi pracy tych maszyn roboczych.

Dobór silnika elektrycznego rozpoczyna się od doboru typu silnika odpowiadającego charakterystyce mechanicznej trybu pracy mechanizmu napędowego, z uwzględnieniem cech ekonomicznych poszczególnych typów: cena, sprawność, cos phi.

Przemysł elektryczny produkuje następujące typy silników elektrycznych:

Asynchroniczne trójfazowe silniki klatkowe

Spośród wszystkich typów silników elektrycznych są one najprostsze w konstrukcji, niezawodne mechanicznie, łatwe w obsłudze i sterowaniu oraz najtańsze. Charakterystyka mechaniczna jest „sztywna”: prędkość zmienia się nieznacznie przy wszystkich wartościach obciążenia.Duży prąd rozruchowy (5-7 razy nominalny). Kontrolowanie obrotów jest trudne i prawie nigdy wcześniej nie było wykonywane.

Produkowane są wielobiegowe silniki elektryczne, które są stosowane w napędach maszyn do cięcia metalu i różnych jednostek, które nie mają specjalnych urządzeń do zmiany prędkości. Produkowane są z wirnikiem klatkowym, dwu, trzy i czterobiegowym, z przełączaniem liczby biegunów uzwojenia stojana.

Główną wadą asynchronicznych silników elektrycznych jest Współczynnik mocy (cos phi) jest zawsze zauważalnie mniejsze niż jeden, zwłaszcza pod obciążeniem.

Obecnie problemy związane z dużym prądem rozruchowym asynchronicznych trójfazowych silników elektrycznych są rozwiązywane za pomocąsoftstarty (softstartery), a problemy z kontrolą prędkości rozwiązuje się poprzez podłączenie silników elektrycznychprzetwornice częstotliwości.

Zalety asynchronicznych silników elektrycznych, które zapewniły tak szerokie i powszechne zastosowanie, są następujące:

• wysokie wyniki ekonomiczne. Sprawność silników elektrycznych do użytku masowego mieści się w przedziale 0,8-7-0,9, dla dużych maszyn - do 0,95 i więcej;

• prostota konstrukcji, niezawodność mechaniczna, łatwość zarządzania;

• możliwość zwolnienia do praktycznie niezbędnej zdolności;

• łatwa adaptowalność form konstrukcyjnych silnika do warunków eksploatacji: w podwyższonych temperaturach, montażu na zewnątrz i narażeniu na różne czynniki klimatyczne, w obecności pyłu lub dużej wilgotności, w warunkach wybuchowych itp.

• prostota sterowania automatycznego, zarówno jako pojedyncza maszyna robocza, jak i ich grupa połączona jednym procesem produkcyjnym.

Asynchroniczne trójfazowe silniki elektryczne z pierścieniami ślizgowymi i rozruchem reostatu

W porównaniu do zwarcia — większa złożoność sterowania i wysokie koszty. Pozostałe charakterystyki są takie same jak dla asynchronicznych trójfazowych silników elektrycznych z wirnikiem klatkowym.

Asynchroniczne silniki elektryczne jednofazowe

W porównaniu do trójfazowego — niższa sprawność, niższy cos phi. Produkowane są tylko w małych pojemnościach jednostkowych.

Urządzenie i zasada działania asynchronicznych silników elektrycznych

Rodzaje silników asynchronicznych

Silniki wielobiegowe i ich zastosowanie

Silniki synchroniczne

Strukturalnie bardziej złożony i droższy niż asynchroniczny; trudniejsze do opanowania. Wydajność jest znacznie wyższa niż w przypadku asynchronicznych. Obroty zależą tylko od częstotliwości prądu i przy stałej częstotliwości są ściśle niezmienione dla wszystkich obciążeń. Kontrola prędkości nie ma zastosowania. Główną zaletą jest możliwość pracy z cos phi = 1 oraz w trybie pojemnościowym. Produkowane i stosowane są głównie w mocach jednostkowych powyżej 100 kW.

Jak odróżnić silnik synchroniczny od silnika indukcyjnego

Metody i schematy rozruchu silników synchronicznych

Silniki prądu przemiennego

Główną zaletą jest dobra kontrola prędkości. Złożony strukturalnie. Obecność kolektora i szczotek wpływa na niezawodność silnika elektrycznego i wymaga ich specjalnej konserwacji.

Silniki elektryczne prądu stałego o wzbudzeniu szeregowym, równoległym i mieszanym

Strukturalnie jest znacznie bardziej złożony i znacznie droższy niż asynchroniczny. Są trudniejsze do kontrolowania i wymagają stałego nadzoru operacyjnego. Główną zaletą jest łatwa możliwość płynnej iw dość szerokim zakresie regulacji prędkości.

Charakterystyka mechaniczna silników szeregowych jest „miękka”: prędkość zmienia się bardzo wrażliwie wraz z obciążeniem, prędkość silnika bocznikowego zmienia się nieznacznie przy wahaniach obciążenia.

Powszechną wadą silników prądu stałego jest konieczność stosowania dodatkowych urządzeń do uzyskania prądu stałego (wzmacniacze magnetyczne, tyrystorowe regulatory napięcia itp.).

Urządzenie z silnikiem prądu stałego

Urządzenie i zasada działania nowoczesnych bezszczotkowych silników prądu stałego

Silniki elektryczne układów automatyki: silniki krokowe i serwa.

Jaka jest różnica między serwonapędem a silnikiem krokowym

Metody sterowania serwomechanizmami

W ramach wybranego typu dobierany jest silnik do wymaganej prędkości obrotowej i wymaganej mocy.

Właściwy dobór silnika z punktu widzenia mocy jest bardzo ważny, wpływając znacząco na wskaźniki ekonomiczne i wydajność pracujących maszyn.

Skutkiem przeszacowania mocy zainstalowanej silników będzie praca z obniżonymi wartościami sprawności, a dla silników indukcyjnych prądu przemiennego z obniżonymi wartościami cos phi dodatkowo nastąpi przeszacowanie nakładów inwestycyjnych na urządzenia elektryczne.

Niedoszacowanie mocy nieuchronnie doprowadzi do tego, że silnik przegrzeje się i szybko ulegnie awarii.

Im większe obciążenie silnika, tym większa ilość ciepła wytwarzanego w samochodzie, czyli wyższa temperatura, w której się osiedli Równowaga termiczna.

W konstrukcji maszyn elektrycznych najbardziej wrażliwym na temperaturę elementem, który decyduje o obciążalności maszyny, jest izolacja uzwojeń.

Wszystkie straty energii w silniku — w jego uzwojeniach („straty miedzi”), w obwodach magnetycznych („straty stali”), w tarciu obracających się części o powietrze iw łożyskach, w wentylacji („straty mechaniczne”) zamieniane są na ciepło .

Zgodnie z obowiązującymi normami temperatura nagrzewania materiałów izolacyjnych powszechnie stosowanych do uzwojeń maszyn elektrycznych (materiały izolacyjne klasy A) nie powinna przekraczać 95°C. W tej temperaturze silnik może pracować niezawodnie przez około 20 lat.

Każdy wzrost temperatury powyżej 95°C prowadzi do przyspieszonego zużycia izolacji. Tak więc w temperaturze 110°C żywotność spadnie do 5 lat, w temperaturze 145°C (co można osiągnąć zwiększając natężenie prądu w stosunku do wartości nominalnej, tylko o 25%) izolacja będzie ulec zniszczeniu przez 1,5 miesiąca, a przy temperaturze 225°C (co odpowiada wzrostowi natężenia prądu o 50%) izolacja cewki stanie się bezużyteczna w ciągu 3 godzin.

Co decyduje o żywotności silników elektrycznych

Doboru silnika pod względem mocy dokonuje się w zależności od charakteru obciążenia wytwarzanego przez mechanizm napędowy. Jeżeli obciążenie jest równomierne, co ma miejsce w napędzie pomp, wentylatorów, to przyjmuje się silnik o mocy znamionowej równej obciążeniu.

Jednak znacznie częściej rozkład obciążenia silnika jest nierówny: obciążenie wzrasta na przemian ze spadkiem, aż do pracy na biegu jałowym. W takich przypadkach wybierany jest silnik o mocy znamionowej niższej niż maksymalne obciążenie, ponieważ w okresach zmniejszonego obciążenia (lub hamowania) silnik będzie się ochładzał.

Opracowano metody doboru mocy silnika zgodnie z harmonogramem jego obciążenia, tj. z trybem pracy mechanizmu napędowego. Są one opisane w specjalnych przewodnikach.

Dobór silników elektrycznych do urządzeń o różnym obciążeniu i trybach pracy

Dobór sprzętu elektrycznego zgodnie z charakterystyką techniczną

Wybór schematu połączeń faz silnika elektrycznego — połączenie uzwojeń w gwiazdę i trójkąt