Автор: О.И. Тихомиров (Компания АВВ).
Опубликовано в журнале Химическая техника №8/2016
Аппарат воздушного охлаждения (АВО) предназначен для охлаждения или конденсации технологических потоков газа и конденсата, водяного пара. Наибольшее применение АВО имеют в следующих отраслях:
- нефтехимия, нефтепереработка и химическая промышленность;
- газопереработка и транспортировка;
- пищевая промышленность и сельское хозяйство;
- генерация электрической энергии.
С точки зрения конструкции электропривода все АВО можно выделить три основных типа (рис. 1): АВО с прямой посадкой вентилятора на вал электродвигателя, АВО с ременной передачей и АВО с редукторным приводом (соосный или перпендикулярный вал). Каждый из этих типов приводов обладает своими преимуществами и недостатками. Различные типы АВО выпускают около двух десятков российских предприятий, кроме того, свои аппараты поставляют в Российскую Федерацию несколько зарубежных компаний.
а – с прямой посадкой вентилятора на вал электродвигателя;
б – с приводом через клиноременную передачу;
в – с приводом через редуктор с параллельными валами;
г – с приводом через редуктор с перпендикулярными валами
Исторически в каждой отрасли наиболее часто используется тот или иной тип электропривода. Например, нефтеперерабатывающие заводы и газотранспортировочные узлы предпочитают АВО с прямой посадкой, реже – с ременной передачей. Нефтехимические и химические предприятия чаще всего используют ременную передачу. Редукторный привод применяется в сельском хозяйстве и пищевой отрасли, а также в генерации электроэнергии, где наряду с редукторным используется и АВО с прямой посадкой.
С точки зрения электродвигателей наиболее благоприятными решениями являются редукторная и клиноременная передача, так как в этом случае используется стандартный электродвигатель с частотой вращения 1500 или 1000 об/мин (реже – 3000), которые более распространены и имеют более высокий КПД.
Электродвигатели с прямой посадкой на вал имеют низкооборотное исполнение (500 об/мин и меньше), а также специальное монтажное исполнение, которое позволяет крепить его на раму АВО или на фундамент под аппаратом. В конце прошлого года компания АВВ разработала конструкцию электродвигателя с прямой посадкой на вал электродвигателя для аппаратов воздушного охлаждения с целью предоставления наиболее полного предложения производителям АВО, которое может включать электродвигатель, механические компоненты и преобразователь частоты для управления частотой вращения вентилятора.
Электродвигатели для АВО с прямой посадкой вентилятора на вал
На текущий момент компания АВВ выпускает электродвигатели с частотой вращения 500 об/мин (12 полюсов) и диапазоном мощностей от 6,5 до 18,5 кВт. Кроме того, разрабатываются 14-полюсные электродвигатели (428 об/мин).
Двигатели рассчитаны на напряжение питающей сети 380 ± 10% В с частотой 50 Гц, но по запросу возможно исполнение на другие напряжения. Питание осуществляется как напрямую от сети, так и от преобразователя частоты.
Электродвигатели выпускаются в стандартном исполнении со степенью защиты IP55. По дополнительному заказу степень защиты может быть увеличена до IP56 или IP65.
Метод охлаждения двигателей – IC 0041 А (полностью закрытый корпус воздушного охлаждения, без вентилятора): охлаждение происходит за счет перемещения воздушного потока, создаваемого вентилятором АВО.
Монтажное исполнение двигателя – IM V3. В стандартном исполнении электродвигатели поставляются со специальной переходной платформой для удобного монтажа на местах установки в АВО. По дополнительному заказу двигатели могут быть поставлены без данной платы с фланцем в соответствии со стандартом DIN. Вал электродвигателя может быть выполнен как цилиндрической, так и конической формы.
Электродвигатели могут быть изготовлены для применения в свободной от взрывоопасной атмосферы зоне (без взрывозащиты) и для применения в зонах повышенной опасности 1 и 2. В последнем случае могут быть применены следующие типы взрывозащиты: зона повышенной опасности 1 1 Exd IIB T4…T6; 1 Exd IIC T4…T6; 1 Exde IIB T4…T6; 1 Exde IIC T4…T6; зона повышенной опасности 2 все типы, перечисленные выше; 2 Ex nA II T3/T2.
Условия окружающей среды: температура от –55 до + 40°С, и относительная влажность – до 100% (как внутри помещений, так на открытом воздухе). По дополнительному согласованию возможна эксплуатация при более высокой температуре. Двигатели имеют нагревательные элементы в обмотке статора, которые служат для просушки обмотки с целью увеличения сопротивления изоляции. Кроме того, электродвигатели оснащены сливными отверстиями с пробками для слива конденсата.
Для защиты обмотки от перегрева установлены 3 PTC термистора на 150°С.
Для подключения двигателя к сети и вывода сигналов с датчиков предназначены два силовых вывода M50 и два вспомогательных M20 с кабельными сальниками Exd IIB для небронированного кабеля (стандартно).
Клеммная коробка (рис. 2) имеет достаточно места для удобного подведения и подключения силовых и сигнальных кабелей.
Конструкция подшипниковых узлов
Одними из наименее надежных узлов электродвигателя являются подшипники. Помимо того, что они требуют постоянного технического обслуживания, они достаточно чувствительны к внешним воздействиям: температуре, попаданию влаги и грязи, механическим.
Электродвигатели АВВ для АВО оснащены шариковыми подшипниками с обоих сторон производства компаний SKF или FAG. Конструкция электродвигателя позволяет производить замену смазки подшипников без снятия подшипникового щита. Интервалы, количество и тип необходимой смазки указаны в инструкции по монтажу и эксплуатации, поставляемой совместно с электродвигателем, а также непосредственно на паспортной табличке электродвигателя. Срок службы подшипников при соблюдении надлежащих условий монтажа и эксплуатации составляет 100 000 моточасов.
Для защиты от проникновения влаги и грязи в передний подшипник электродвигателя, который установлен вертикально (валом вверх), фирма АВВ разработала ряд специальных защит. В частности, все двигатели уже в стандартном исполнении имеют лабиринтное уплотнение, которое не позволяет попасть грязи и влаги во время простоя двигателя, а специальная «тарелка», установленная перед подшипником, защищает подшипник во время работы (рис. 3). Испытания данной конструкции на специальном стенде (рис. 4) проводились по следующей схеме:
- подача воды в течение 1 ч, когда мотор вращается (расход 10 л/мин), на приводной конец вала электродвигателя;
- подача воды в течение 1 ч при остановленном моторе;
- подача воды в течение 1 ч при вращающемся моторе;
- подача 12,5 л воды в течение 15 с на приводной конец вала – симуляция худшего случая.
Предварительно каждая фаза обмотки была испытана напряжением 1,25 кВ на сопротивление по отношению к земле в течение 1 мин.
Результаты испытаний показали, что внутри клеммной коробки, электродвигателя, уплотнений и подшипников отсутствует.
Электродвигатели также имеют специальный фланец с отверстиями для стока воды, чтобы она не задерживалась в районе подшипниковых узлов (рис. 5).
Питание электродвигателей от преобразователя частоты
В настоящее время все больше электродвигателей комплектуются преобразователями частоты (ПЧ), которые помимо основной функции – управление частотой вращения электродвигателем – имеют ряд дополнительных преимуществ (энергосбережение, дополнительная защита двигателя и сети от аварийных режимов, реализация простых алгоритмов АСУ ТП и т.д.)
При питании от преобразователя частоты во внимание должно быть принято следующее.
1. Перегрузочная способность электродвигателей и минимальная и максимальная частоты вращения вала электродвигателя.
При снижении частоты вращения ниже номинальной охлаждение происходит менее интенсивно, что может привести к перегреву электродвигателя. Для оценки эффекта ухудшения охлаждения электродвигателя в компании АВВ применяются нагрузочные диаграммы, показывающие допустимый максимальный момент нагрузки на вал двигателя в зависимости от частоты вращения (рис. 5).
При повышении частоты вращения выше номинального значения следует учитывать закон постоянства мощности, т.е. снижать момент нагрузки на вал электродвигателя в линейной зависимости от увеличения частоты вращения.
Так как нагрузки на вал электродвигателя имеют квадратичную зависимость (аппараты воздушного охлаждения), снижение частоты вращения не является критичным, потому что при этом значительно падает нагрузка на вал, что вызывает уменьшение потребляемого тока и температуры обмотки. А вот увеличение частоты вращения на вентиляторе может привести к перегреву электродвигателя. При увеличении частоты вращения с 50 до 60 Гц нагрузка на вал увеличивается в 1,7 раза. В связи с этим в техническом задании на электродвигатели для АВО изначально должно быть учтено повышение частоты вращения двигателя выше номинальной, если это может потребоваться для обеспечения параметров технологического процесса.
2. Перенапряжение обмотки статора.
При питании от преобразователя частоты на обмотку электродвигателя могут подаваться пики перенапряжения малой продолжительности, но имеющие большую амплитуду – до двукратного значения напряжения питающей сети (рис. 6).
Стандартная обмотка электродвигателей фирмы АВВ выдерживает без последствий перенапряжения при питающей сети 500 В и ниже. Если питающая сеть имеет напряжение более 500 В, то применяется специальная усиленная изоляция, предотвращающая преждевременный выход электродвигателя из строя.
3. Подшипниковые токи.
При питании электродвигателя от преобразователя частоты в связи с асимметрией подаваемого на обмотки электродвигателя трехфазного напряжения формируется разность потенциалов, и ток протекает по контуру корпус двигателя – подшипники – ротор. Особенно неблагоприятно данный ток влияет на подшипники (вернее, их смазку): в течение короткого времени подшипники перегреваются и выходят из строя. Для уменьшения негативного влияния подшипниковых токов существует ряд мер. Фирма АВВ применяет изолированный подшипник с неприводной стороны, который значительно уменьшает или даже прерывает ток через подшипники, значительно увеличивая срок его службы. Изолированный подшипник устанавливается на электродвигатели мощностью от 100 кВт или высотой оси вращения выше 280 мм.
4. Защита поверхности электродвигателя от перегрева.
В случае, когда электродвигатель питается от преобразователя частоты, необходим контроль температуры поверхности электродвигателя с целью недопущения превышения температуры выше указанного класса (ГОСТ Р МЭК 60079-14–2008). Это можно реализовать двумя способами: проведением типовых испытаний конкретного типа электродвигателя с конкретным типом преобразователя частоты или непосредственным контролем температуры поверхности электродвигателя.
Фирма АВВ провела типовые испытания со всеми преобразователями частоты серий ACS8…, которые имеют алгоритм прямого управления моментом (DTC – Direct Torque Control), подтвердившие отсутствие перегрева поверхности электродвигателя в заданном рабочем диапазоне. В случае комплектного применения взрывозащищенных электродвигателей с данными преобразователями необходимости в применении датчиков температуры поверхности нет. Во всех остальных случаях АВВ может оснастить свои электродвигатели датчиками температуры поверхности типа PTC или Pt100.
Проведение испытаний электродвигателя АВВ для АВО с прямой посадкой вентилятора на вал
Электродвигатель M3JP200MLB12 Exd IIB T4 для АВО с прямой посадкой вентилятора на вал прошел испытания в ОАО «Борхиммаш» на аппарате Айсберг 32,0- Б1-В09Е-3-12-С У. Испытания проводились в рабочем режиме на полную нагрузку с замером токов электродвигателя, производительности вентиляторов; виброскорости и размаха виброперемещений рамы; шумовых характеристик.
Испытания показали, что электродвигатели полностью соответствуют российским требованиям, предъявляемым к аппаратам воздушного охлаждения.
Совместно с электродвигателем испытаниям подвергали преобразователь частоты новой серии АВВ ACS880. Сотрудникам завода были показаны различные режимы работы электродвигателя от преобразователя частоты, в том числе в режиме энергосбережения.
