Выбор электродвигателя шаг за шагом: от двух строк данных о машине до строки заказа

Комбикормовый завод устанавливает новую горизонтальную мешалку. Данные, предоставленные фирмой-разработчиком машины, — две строки: вал мешалки будет вращаться с частотой 45 оборотов в минуту, а при полностью загруженном котле на валу потребуется момент около 1600 Н·м. У главного механика нет ни мощности двигателя, ни частоты вращения, ни монтажного исполнения. В этой статье мы проходим путь от этих двух строк до полного описания двигателя для заказа, показывая, как каждое решение влияет на следующее.

Пример — мешалка, но логика та же и для конвейера, насоса или вентилятора: сначала — что требует машина, затем — на какой частоте вращения и какой мощности двигатель это обеспечит, далее — электрическая и механическая совместимость, в конце — среда и документы.

Что требует машина: частота вращения, момент и характер нагрузки

Первый вопрос при выборе двигателя — не «сколько кВт?», а «какой момент требует машина на валу и при какой частоте вращения?». Мощность выводится из этих двух величин. Общая формула: P (кВт) ≈ M (Н·м) × n (об/мин) / 9550. Для мешалки получается 1600 × 45 / 9550 ≈ 7,5 кВт. Это мощность, требуемая валом мешалки, а не мощность, которую должен выдавать двигатель.

На этом же этапе необходимо отметить характер нагрузки. Мешалка — нагрузка с постоянным моментом: даже при снижении частоты вращения требуемый момент почти не уменьшается. Кроме того, после отключения электроэнергии может потребоваться повторный пуск с полным котлом. Эти два факта в дальнейшем определят и запас мощности, и способ пуска. Как найти мощность, требуемую машиной на валу, для насоса, вентилятора и конвейера, мы показали на примерах в статье о расчёте мощности двигателя.

Мост между частотой вращения двигателя и машины

Ни один асинхронный двигатель не вращается с частотой 45 оборотов в минуту; разницу покрывает редуктор, ременная передача или их сочетание. Здесь вступает в силу выбор числа полюсов. В сети 50 Hz 4-полюсный двигатель вращается с синхронной частотой около 1500 об/мин, 6-полюсный — около 1000 об/мин; фактическая частота вращения под нагрузкой немного ниже.

• С 4-полюсным двигателем, если принять частоту вращения по табличке около 1460 об/мин, требуемое передаточное число составит примерно 1460 / 45 ≈ 32,4.
• С 6-полюсным двигателем при частоте вращения по табличке около 970 об/мин передаточное число снижается примерно до 21,6.

6-полюсный двигатель при той же мощности крупнее и, как правило, дороже; 4-полюсный двигатель — самая распространённая серия, и ему легко найти замену. Решение чаще всего принимается со стороны редуктора: число полюсов двигателя подгоняется под то передаточное число, которое является стандартным в выбранном семействе редукторов. Выбор передаточного числа, выходного момента и типа редуктора мы отдельно рассмотрели в руководстве по выбору редуктора. В этом примере продолжим с 4-полюсным двигателем и цилиндрическим редуктором.

Выбор ступени мощности

К 7,5 кВт на валу мешалки необходимо добавить потери в редукторе. КПД цилиндрических редукторов, как правило, высокий; если для простоты расчёта принять 95 %, на валу двигателя потребуется около 7,9 кВт. Поскольку стандартные ступени мощности — 7,5 и 11 кВт, двигатель 7,5 кВт недостаточен даже на бумаге.

Есть ещё одно основание для перехода на 11 кВт: пуск с полным котлом. Эта нагрузка в момент пуска может потребовать от двигателя момента выше номинального. Номинальный момент 4-полюсного двигателя 11 кВт составляет примерно 9550 × 11 / 1460 ≈ 72 Н·м. Достаточность пускового момента проверяется сравнением кратности пускового момента из каталога двигателя с требованиями к пуску, указанными производителем машины. Связь между пусковым моментом и способом пуска вы найдёте в статье о классах момента и пусковом моменте.

При определении запаса мощности ошибкой является и обратное. Выбор 15 кВт по принципу «пусть будет с запасом» приводит к постоянной работе двигателя при малой нагрузке; КПД и коэффициент мощности снижаются, щит и кабель становятся неоправданно большими.

Класс энергоэффективности: в зависимости от наработки

Мешалка будет работать в две смены, около 4000 часов в год. Для 4-полюсного двигателя 11 кВт пределы КПД по IEC 60034-30-1 составляют: для IE3 — 91,4 %, для IE4 — 93,3 %, для IE5 — 94,6 %. При работе двигателя с нагрузкой около 8 кВт при такой наработке разница между IE3 и IE4 по грубому расчёту составляет 700–1000 kWh в год; это не так заметно, как у вентилятора, работающего в три смены. Решение принимается с учётом разницы в цене и энергетических целей предприятия. Поскольку трёхфазные серии HEM Motor предлагаются в одной системе габаритов в исполнениях IE3, IE4 и IE5, выбор класса энергоэффективности не меняет механических размеров.

Электрическая совместимость: напряжение, схема подключения и пуск

Сеть предприятия — 400 V. Согласно данным каталога, в сети 400 V двигатели мощностью 3 кВт и ниже подключаются звездой, а 4 кВт и выше — треугольником; в этом случае двигатель 11 кВт будет работать в треугольнике. Здесь необходимо посмотреть на щит:

• Если щит будет собран с пускателем звезда-треугольник, двигатель обязательно должен иметь обмотку для работы в треугольнике при 400 V, то есть табличку 400/690 V. Двигатель с обмоткой 230/400 V не сможет правильно запуститься от такого щита.
• Если будет использоваться устройство плавного пуска или преобразователь частоты, напряжение обмотки также должно соответствовать сети, но схема подключения в клеммной коробке остаётся неизменной.

Поскольку нагрузка при пуске тяжёлая, схему звезда-треугольник здесь следует оценивать осторожно: на ступени «звезда» момент двигателя снижается примерно до одной трети и может оказаться недостаточным для вращения полного котла. В этом примере более надёжным выбором является способ с регулируемым пусковым моментом (устройство плавного пуска или преобразователь частоты). Подробности подключения смотрите на схеме подключения звезда-треугольник.

Механическая совместимость: монтажное исполнение, габарит и вал

Если двигатель будет присоединяться непосредственно к редуктору, монтажное исполнение определяет редуктор. Двигатель, присоединяемый к входному фланцу IEC цилиндрического редуктора на лапах, обычно имеет фланец B5; собственных лап у двигателя нет, его вес несёт редуктор. Если двигатель будет устанавливаться на отдельное основание и соединяться муфтой, выбирается двигатель на лапах B3. Если нужны и лапы, и фланец, рассматривается B35.

Согласно таблицам IEC, 4-полюсный двигатель 11 кВт обычно имеет габарит 160; номер габарита показывает высоту оси вала от опорной плоскости в миллиметрах. Диаметр вала двигателя, шпонка и размер фланца должны точно соответствовать входному отверстию редуктора. Это соответствие проверяется сопоставлением габаритных чертежей редуктора и двигателя; недостаточно просто указать «габарит 160 B5».

На этом же этапе определяется, с какой стороны будет находиться клеммная коробка. Если мешалка устанавливается близко к стене, кабельный ввод не должен быть обращён к стене.

Среда: пыль, температура и чистота

На комбикормовом предприятии присутствует мучная и отрубная пыль, мешалка находится в закрытом здании, а летом температура в цехе поднимается до 35 °C. Стандартная трёхфазная серия рассчитана на степень защиты IP55 и температуру окружающей среды от −15 °C до +40 °C; эти условия находятся в стандартных пределах. Тем не менее в заказе следует отметить два момента:

• Если пыль скапливается между рёбрами корпуса и на кожухе вентилятора, охлаждение ухудшается. План очистки — часть выбора двигателя.
• Если температура окружающей среды будет превышать 40 °C или предприятие находится на высоте более 1000 m, может потребоваться снижение мощности или двигатель на ступень большей мощности; эту информацию следует сообщить до оформления заказа.

Если на предприятии из-за горючей пыли определена взрывоопасная зона, стандартный двигатель в этой зоне использовать нельзя. Ex-двигатель — отдельный сертифицированный продукт, и эту потребность следует отдельно обсудить с технической командой.

Описание для заказа

В результате этих решений строка заказа выглядит примерно так: 11 кВт, 4 полюса (≈1500 об/мин), IE3, 400/690 V (треугольник при 400 V), 50 Hz, фланец B5, габарит 160, IP55, изоляция класса F, S1, клеммная коробка справа; габаритный чертёж входного фланца и отверстия под вал редуктора прилагается. В пояснение также добавляется, что двигатель будет работать с устройством плавного пуска или преобразователем частоты и что пуск может выполняться с полным котлом.

Какие данные обязательно нужно передать при запросе коммерческого предложения, мы собрали в статье данные для запроса коммерческого предложения, а часто встречающиеся на практике примеры неполных заказов — в статье на что обратить внимание при покупке двигателя.

Заключение

Выбор двигателя — это не заполнение формы, а цепочка взаимосвязанных решений: момент и частота вращения машины определяют передаточное число редуктора, передаточное число — число полюсов, условия пуска — мощность и способ пуска, вход редуктора — монтажное исполнение. Если два исходных параметра в начале цепочки верны, остальное находится расчётом. Для применений с редуктором вы можете ознакомиться с цилиндрическими редукторами на лапах серии M-HEM и уточнить описание своего применения вместе с нашей технической командой.

Часто задаваемые вопросы

Как выбрать двигатель, если производитель машины указывает только кВт?

Вместе с кВт спросите и требуемую частоту вращения на валу машины; вместе они дают момент. Двигатель, выбранный только по кВт без знания частоты вращения, при несоответствии передаточного числа редуктора или шкива будет вращать машину с неправильной скоростью.

Какую ступень выбрать, если расчётная мощность находится между двумя ступенями?

Обычно выбирается ступень выше, особенно при тяжёлом пуске или ударных нагрузках. Однако выбор двигателя значительно мощнее расчётного снижает КПД и коэффициент мощности из-за работы при малой нагрузке.

Выбрать 4-полюсный или 6-полюсный двигатель?

Если машина вращается медленно, оба варианта возможны с редуктором. 4-полюсный двигатель — более распространённый, компактный вариант, замену которому легко найти; 6-полюсный двигатель снижает передаточное число редуктора. Решение чаще всего принимается исходя из стандартных передаточных чисел редуктора.

Кто определяет монтажное исполнение, если двигатель присоединяется к редуктору?

Определяет тип входа редуктора. При входе с фланцем IEC двигатель обычно имеет фланец B5 или B14; какой фланец и размер вала требуются, определяется по габаритному чертежу редуктора.

Значения, которые вы будете использовать при выборе: таблица моментов (нагрузка машины), таблица токов (щит и кабель), таблица габарит – мощность (монтаж). Подобрав двигатель, вы можете посмотреть цену и оформить заказ.