Избор на електродвигатели за индустриални приложения

През последните десетилетия се наблюдават множество технологични подобрения в областта на промишлените електродвигатели

Изборът на оптимален ЕДГ за конкретен работен сценарий изисква задълбочен анализ на изискванията на приложението

Пазарът предлага широка гама от варианти според работния им принцип, захранването, конструкцията и други ключови критерии като надеждност, енергийна ефективност и т. н.

Електродвигателите (ЕДГ) съвсем буквално могат да бъдат наречени движещата сила на съвременната индустрия. Те намират приложения практически във всички промишлени отрасли, включително в енергетиката, машиностроенето, метало- и дървообработката, хранително-вкусовия, химическия, нефтено-газовия и целулозно-хартиения сектор, строителството, морското дело и т. н. С различни по мощност и габарити ЕДГ се задвижват изключително широк набор от индустриални системи, като помпи, вентилатори, компресори, конвейери и други типове транспортни механизми, асансьори, обработващи машини, роботи и др. Пазарът предлага богат асортимент от модели по отношение на техническите спецификации – вид на използваната електроенергия, конструкция, елементи и т. н. Изборът на конфигурация за конкретен работен сценарий изисква задълбочен анализ на изискванията на приложението, които определят дали по-подходящ би бил вариант в стандартно или специално изпълнение, както и какъв е оптималният дизайн за целта.

Конструктивни особености

Индустриалните електродвигатели се класифицират в множество различни категории според техни основни характеристики като: конструктивно изпълнение (има два основни типа – колекторни и безколекторни), приложение, пригодност за работа в специфични среди, тип на изходното движение и др. Електрическите мотори могат да бъдат захранвани от постояннотокови (DC) източници (например акумулатори и батерии) или променливоткови (AC) такива (електрическата мрежа, инвертори, електрогенератори и т. н.)

Според конструкцията си, променливотоковите двигатели биват синхронни или асинхронни (индукционни), а съгласно броя фази – едно-, дву- или трифазни. Постояннотоковите мотори пък се подразделят на серийни, с независимо възбуждане, шунтови или комбинирани в зависимост от типа на индукционните бобини.
AC двигателите се доказват като по-надеждно и ефективно решение за индустриални приложения, тъй като се отличават с по-дълъг сервизен живот и по-малък риск от аварии, произвеждат по-малко количество отпадна топлина и са по-подходящи за оборудване с висока мощност. Добре е да се вземе предвид обаче, че са традиционно по-обемни, изискват висок стартов ток и не са практични за преносими машини и уреди.

DC двигателите пък разполагат с подобрени възможности за управление на скоростта, произвеждат по-голям въртящ момент, могат да работят с батерийно захранване, характеризират се с по-малко електромагнитни смущения и са подходящи за работа в системи с наличие на чувствителна електроника. Обикновено са по-скъпи от променливотоковите ЕДГ, а и по-често подлежат на повреди. През последните години безколекторните електрически мотори постепенно набират популярност поради своята по-висока ефективност в сравнение с четковите. Експлоатационният им цикъл се удължава, тъй като няма триене, което да генерира шум, искри, топлина и износване, а не е необходима и непрекъсната поддръжка на машината. Безколекторните ЕДГ, от друга страна, се нуждаят от скъпи електронни контролери със сложни схеми. Тяхно предимство обаче е по-доброто съотношение между скорост и въртящ момент, както и между изходна мощност и размер, което спомага за по-високата им цялостна производителност.

В промишленото оборудване с по-ниска мощност колекторните постояннотокови двигатели все по-често биват заменяни от мотори с променливотоково захранване, тъй като вторите изискват по-малко поддръжка в аналогични конструкции. В комбинация с електронен контролер и честотен регулатор AC моторите са се превърнали в стандартно разходно ефективно решение за приложения, в които е необходимо управление на скоростта. Постояннотоковите ЕДГ се предпочитат за оборудване в целулозно-хартиената промишленост и валцуването на стомана например, докато в компресорите за ОВК техника, компресорните задвижвания и хидравличните помпи все по-масово се интегрират AC двигатели.

Подобрени технологични възможности

През последните две десетилетия се наблюдават множество технологични подобрения в областта на промишлените ЕДГ, свързани основно с дизайна, енергийната ефективност и възможностите за управление и мониторинг. Както AC, така и DC конфигурациите могат да бъдат модернизирани чрез интегрирането на електронни компоненти и сензори, които правят възможни комплексни функции като мониторинг и прогнозна поддръжка. Възможностите за прецизно управление на скоростта, ускорението, ъгловото преместване и въртящия момент правят съвременните променливотокови електродвигатели предпочитан избор на задвижване на роботизирани системи. Все по-масовото внедряване на роботи в различни сфери на индустрията спомага за експоненциалното нарастване на пазара на този тип ЕДГ. Сред стимулите за ръста в продажбите на електродвигатели са и глобалният фокус върху електромобилността, както и въвеждането на регулации като минималния стандарт за енергийна ефективност (MEPS).

Често предпочитани за промишлени приложения са стъпковите мотори. Те се отличават с висока надеждност и дълговечност, тъй като нямат контактни четки в конструкцията си, а животът на мотора се свежда до издръжливостта на лагерните елементи. Стъпковите ЕДГ се характеризират още с отлична реакция при стартиране, спиране и обръщане на посоката, както и към цифрови входни импулси, което позволява управление без обратна връзка. Това опростява системата и следователно я прави по-рентабилна. Със стъпков мотор може да се реализира широк диапазон от скорости на въртене, понеже скоростта е пропорционална на честотата на входните импулси. Тъй като повечето стъпкови двигатели имат точност от порядъка на 3 до 5% от стъпката, са възможни прецизно позициониране и повторяемост на движението без кумулативно натрупване на грешки. Ако не се управляват правилно обаче, при този тип ЕДГ могат да възникнат резонанси. А при високи скорости (над 3000 об/мин) работата им традиционно се затруднява.

Стъпковите мотори са отлично решение за системи, при които се изисква управление на движението по скорост, ъгъл на завъртане, позиция и синхрон. Те намират приложение например в плотери, машини за лазерно рязане, промишлени принтери, координатни маси, устройства за pick-and-place позициониране, гравирно оборудване и др. При избора на стъпков ЕДГ е добре да бъдат отчетени няколко ключови фактора, а именно какъв въртящ момент се изисква за задвижване на товара, как двигателят ще бъде свързан към него, какъв ъгъл на точност е необходим при позициониране, както и какви са желаното ускорение и скорост на движение.

Съществено условие за правилния избор на индустриален ЕДГ е анализът на енергийното му потребление. Класовете на енергийна ефективност при електродвигателите в продължение на много години се определяха само въз основа на доброволен ангажимент от страна на производителите. Нарастващото търсене на енергийно ефективни и оптимизирани за управление и експлоатация задвижвания в световен мащаб доведе до въвеждането на общовалидни регулации за определяне на ефективността на електродвигателите. През 2008 г. международният стандарт IEC 60034-30 дефинира на глобално ниво класовете на ефективност и законовите изисквания, касаещи енергийната ефективност на трифазни двигатели с ниско напрежение, като бяха обособени четири основни класа: IE1 (стандартна ефективност), IE2 (висока ефективност), IE3 (премиум клас) и IE4 (супер премиум клас). Международната електротехническа комисия (IEC) внедри в дейността си по тестване на електродвигатели и стандарта IEC 60034-2-1:2014 за ротационни електрически машини (DC двигатели, синхронни и индукционни AC двигатели с всякакви размери).

В ЕС действат редица директиви, насочени към намаляване консумацията на енергия на двигателите, ангажиращи производителите с разработването и налагането на по-ефективни двигатели на пазара. От 2011 г. клас IE2 е задължителен за всички ЕДГ, включително тези за промишлени приложения. От януари 2015 г. клас IE3 е задължителен за двигатели с мощност от 7,5 до 375 kW (или IE2, ако тези двигатели разполагат с честотен инвертор). От януари 2017 г. клас IE3 е задължителен за двигатели с мощност от 0,75 до 375 kW (или IE2, ако двигателите са оборудвани с честотен инвертор).

При избор на ЕДГ за индустриални цели специалистите препоръчват внимателно да се проучи пазарът и да се разгледат последните технологични решения, тъй като малко по-висока първоначална инвестиция за система от по-ново поколение често осигурява множество ползи в дългосрочен план по-отношение на експлоатационните разходи и енергийната ефективност. 

Още ключови съображения при избора

Освен от техническите спецификации и конструктивните особености, включително размер, тегло, структурни елементи, мощност и източник на захранване, изборът на оптимален електродвигател за промишлено приложение зависи и от фактори като надеждност, издръжливост, разходна ефективност, точност и безопасност на машината. Важно е да се отговори на въпроса постоянен или променлив въртящ момент ще бъде необходим в зависимост от задвижвания товар. В индустриалната автоматизация например се срещат четири основни сценария на натоварване според приложението: променлива мощност и постоянен въртящ момент; променлив въртящ момент и постоянна мощност; променлива мощност и променлив въртящ момент; позиционен контрол или контрол на въртящия момент.

Ето защо съществен етап от избора на промишлен електродвигател е да се вземе предвид дали приложението налага постоянна или променлива скорост на задвижване, както и дали ще бъде необходимо управление на позицията. Вентилаторите, центробежните помпи и смесителното оборудване например изискват променлива мощност и въртящ момент. Намаляването на скоростта често води до повишаване на ефективността чрез адаптиране на консумацията на електроенергия към моментното натоварване. Тази практика е особено ефикасна при конвейерни механизми, например в бутилиращи линии. Както AC, така и DC двигатели с подходящите задвижвания са подходящи за приложения с променлива скорост.

С увеличаване на скоростта на индустриалния двигател изходното натоварване също се увеличава заедно с необходимите мощност и въртящ момент. За товарите от този тип също все по-често се дискутират възможностите за повишаване на ефективността с инверторни двигатели с променлив ток, оборудвани с честотни регулатори.

За линейните задвижващи механизми, при които е необходима точност в множество позиции, се изисква стриктно управление на положението или въртящия момент, а често – и обратна връзка за проверка на правилната позиция на двигателя. Сервомоторите или стъпковите двигатели са препоръчителен вариант за такива приложения. DC моторите с обратна връзка и инверторните двигатели за променлив ток с енкодер също са популярно решение за прецизен контрол на въртящия момент, особено в оборудването за стоманопреработвателната и целулозно-хартиената промишленост.

От практическа гледна точка една от първите стъпки при избора на индустриален ЕДГ е да се вземат предвид наличните възможности за захранване на мястото на приложение, както и дали задвижваното оборудване ще е стационарно или портативно. Важно е да се отчете още максималният допустим ток – характеристика, която често бива недоглеждана по мнение на експертите.

Сред най-съществените фактори за успешен избор на решение е средата, в която двигателят ще бъде експлоатиран. Голяма част от електродвигателите в стандартно изпълнение на пазара са предназначени за работа в сухи, чисти среди с нормална температура на околната среда в диапазона 20 – 40°C. Редица промишлени приложения обаче налагат двигателят да работи в агресивни среди с наличие на влага, запрашаване, вибрации, корозивни агенти, екстремни температури, взривоопасни химикали и др. Ето защо за такива сценарии е от съществена важност да се избере специално проектиран за работа при съответните условия мотор, за да се гарантира безпроблемната му и дълготрайна експлоатация.

При проектирането на промишлено оборудване, задвижвано с електродвигател, дизайнерите отчитат и друг ключов фактор за пригодността на машината към приложението, а именно шума. На национално равнище обикновено се дефинират максимални допустими нива посредством стандарти за шум в работната среда.