1.4: Двигуни

Результати навчання студентів

Прочитавши цю главу, ви повинні мати можливість:

• Перерахуйте різні типи електродвигунів
• Опишіть конструкцію електродвигунів
• Поясніть обладнання для управління двигуном
• Визначте типи обслуговування двигуна

Двигуни

Для того, щоб перекачувати воду по всій системі розподілу, необхідний двигун для запуску насоса. Двигуни і двигуни є невід'ємною частиною переміщення води від джерела до замовника. Практично всі електродвигуни, що використовуються водопроводами для роботи насосів, живляться від змінного струму (змінного струму). AC тече в одному, а потім в іншому напрямку. Сила струму піднімається від нуля до максимуму, повертається до нуля, а потім падає і піднімається в зворотному напрямку.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Зображення COC OER ліцензовані відповідно до CC BY

Ця послідовність називається циклом. Частота змінного струму - це кількість циклів, які завершуються за одну секунду. Наприклад, 60 герц (Гц) еквівалентно 60 циклам в секунду. Кількість піків за цикл дорівнює потужності фази. Більші двигуни зазвичай живляться від трифазного живлення.

Електродвигуни доступні в широкому діапазоні типів, швидкостей та потужностей. Плавна вихідна потужність і високий пусковий момент підходять для прямого підключення до відцентрових насосів. Хоча більшість двигунів, що використовуються у водній промисловості, двигуни внутрішнього згоряння використовуються і мають своє місце функції. Двигуни внутрішнього згоряння в основному використовуються для обслуговування в режимі очікування під час аварійних ситуацій або при перебоях з електроенергією.

Визначення двигуна

Як і у більшості речей, існують певні терміни, фрази та слова, пов'язані з двигунами. Тому цей розділ буде обробляти кілька визначень, які допоможуть в загальному розумінні, коли ми просуваємося в цій главі.

• Кінська сила (к.с.) - одиниця виміру потужності для електродвигунів. Шотландський інженер прийняв термін на ім'я Джеймс Ватт. Ватт порівняв вихід парових машин з потужністю коней.
• Ватт - стандартна одиниця виміру потужності. Один ват еквівалентний одному джоулю в секунду. Він використовується для кількісної оцінки швидкості передачі енергії. Перетворення між ватами і кінськими силами показано нижче:
  • 0,746 ват = 1 к.с.
• Вольт - це вимірювання електричного тиску. Це схоже на фунти на квадратний дюйм тиску у воді. Загальні напруги 110/120 і 220/240 вольт для освітлення і роботи невеликих двигунів. Великі двигуни вимагають напруги 440/480 або вище.
• Ампер - одиниця виміру потоку електричного струму
• Ом - міра електричного опору або імпедансу. Електричний тиск падає через опору.
• Статор - це нерухома частина двигуна. Він зазвичай складається зі сталевого сердечника з прорізами, в які поміщені ізольовані котушки з мідної або алюмінієвої обмотки.
• Ротор - обертова частина двигуна. Він складається з сталевого сердечника з мідними або алюмінієвими обмотками. Ротор розташований на валу двигуна всередині статора і відокремлений від нього лише невеликим повітряним зазором.

Існують і інші терміни, пов'язані з двигунами, про які піде мова далі в цьому розділі.

Як працює двигун

Як вже згадувалося раніше, двигуни зустрічаються у всій галузі водоканалу. Однак у нашому повсякденному житті всюди є мотори. Є двигуни в комп'ютерах, фени використовують двигун, вентилятори, прилади, іграшки та багато інших речей використовують двигуни. Коли електричний струм починає рухатися по проводу, він створює навколо нього магнітне поле. Це магнітне поле може викликати рух, який може привести в рух двигун. Зв'язок між електрикою, магнетизмом і рухом є фундаментальна наука, що стоїть за електродвигуном.

Притягуючі та відштовхувальні сили магніту всередині двигуна - це те, що створює обертальний рух. Один полюс магніту позначається як північний, а інший південний. Струм, що проходить через дріт, обмотаний навколо катанки, називається електромагнітом. Простий двигун утворюється при розміщенні обертового магніту поблизу електромагніту. При підключенні змінного струму струм пропускається через електромагніт (статор) створює магнітний полюс, який притягує несхожий полюс іншого магніту (ротора). Реверсивний струм змінює полюс і ротор обертається і обертає вал. Магнітне поле в статорі індукує струм в роторі, який потім обертається, повертаючи вали двигуна і насоса.

Швидкість, з якою обертається магнітне поле, називається синхронною швидкістю двигуна. Ця швидкість виражається у вигляді оборотів в хвилину (об/хв). Частота 60 Гц має максимальну синхронну швидкість 3600 об/хв або 60 оборотів в секунду. Пам'ятайте, в 60 Гц припадає 60 циклів в секунду. 60 циклів, помножених на 60 оборотів, дорівнює 3600 об/хв. Двигуни можуть працювати на частках 3600 об/хв за рахунок збільшення кількості полюсів в статорі. Наприклад, чотириполюсний двигун має синхронну швидкість 1800 об/хв, а шестиполюсний - синхронну швидкість 1200 об/хв. Двигуни також можуть працювати зі своєю синхронною швидкістю або трохи нижче.

Для запуску двигунів потрібно більше електричного струму, ніж потрібно для підтримки роботи двигуна. Пусковий струм двигуна (струм із заблокованим ротором) - це струм, який витягує двигун миттєво, коли двигун підключений до системи живлення. Струм заблокованого ротора часто в п'ять-десять разів перевищує нормальний струм повного навантаження. Струм починається з максимального значення, а потім зменшується до звичайного струму двигуна, коли двигун досягає повної швидкості.

Однофазні двигуни

Однофазні двигуни працюють так само, як і 3-фазні двигуни, за винятком того, що вони працюють лише з однієї фази. Миттєва потужність однофазних двигунів не є постійною. Це пояснюється тим, що система досягає пікового значення двічі в кожному циклі. Зазвичай вони використовуються лише в дробових розмірах кінських сил, але вони можуть бути обладнані до 10 к.с. при 120 або 240 В. Жодна потужність не потрібна для приведення цих двигунів до швидкості, і вони повинні бути запущені деяким зовнішнім пристроєм. Пускова обмотка зазвичай вбудована в двигун для забезпечення початкового високого крутного моменту. Коли двигун приходить на високу швидкість, відцентровий вимикач змінює з'єднання з працюючою обмоткою.

Існує три основних типи однофазних двигунів:

• Двигуни з роздільною фазою використовують ротор без обмоток. Вони мають порівняно низький пусковий момент, тому необхідний низький пусковий струм.
• Відштовхувально-індукційні двигуни є більш складними і дорогими, ніж двигуни з роздільною фазою, і вимагають більш високого пускового струму
• Конденсаторно-фазні двигуни мають високий пусковий момент і високий пусковий струм. Вони використовуються в додатках, де навантаження можна довести до швидкості дуже швидко і потрібно нечастий запуск.

Трифазні двигуни

Трифазні двигуни використовуються, коли потрібно більше ½ кінських сил. Трифазний двигун має дві основні частини. Ротор - це поворотний компонент, а статор - частина, яка обертає ротор. Ротор також називають білячої кліткою. Біляча клітка складається з круглої мережі прутків і кілець, які зовні схожі на клітку, з'єднану з віссю. Статор всередині трифазного двигуна складається з кільця з трьома парами котушок. Котушки рівномірно розташовані навколо ротора. Кожна пара котушок приєднується до однієї фази живлення. Оскільки кожен знаходиться поза фазою один з одним, створюється обертове магнітне поле і обертається навколо статора з безперервною швидкістю. Трифазні двигуни працюють на 230, 460, 2300 або 4000 В. Існує три основних класи трифазних двигунів.

• Індукційні двигуни з короткою кліткою
• синхронні двигуни
• Асинхронні двигуни з рановим ротором

Для роботи насосів у водній промисловості використовуються різні двигуни. У таблиці нижче вказано тип двигуна, фазу, застосування та наведено деякі додаткові коментарі.

Тип двигуна	Фаза	Заявка	Коментарі
Індукція (ротор клітки білки)	Одномісний	Струменеві насоси, малі відцентрові насоси	<1 к.с., потрібен перемикач
Індукційна клітка білки (спліт-фаза)	Три	Загальні відцентрові	Низькі експлуатаційні витрати, одна швидкість
Фаза-рани	Три	Змінна швидкість	Регульована швидкість
Синхронний	Три	Використовується там, де енергоефективність є критичною	Без ковзання, ефективний
Вертикальний порожнистий вал	Три	Вертикальна турбіна	Встановлений на нагнітальну головку насоса
Занурювальні	Три	Занурювальні	Занурювальні

Основні компоненти двигуна

Існує кілька компонентів, з яких складається мотор. У цьому розділі розглядаються п'ять (5) основних компонентів.

• Рама - рама двигуна забезпечує захист. Рама зазвичай виготовляється з чавуну або сталі. Існує чотири (4) поширені типи каркасів.
  • Відкритий захист від крапель - Цей тип рами має отвори, які дозволяють повітрю проходити і охолоджувати двигун. Отвори побудовані так, щоб краплі рідини або твердих частинок зазвичай не заважали руховим операціям. Ці рами підходять для більшості внутрішніх установок, але не повинні використовуватися, якщо вода або хімічні речовини будуть бризкати на раму.
  • Повністю закритий вентилятор охолоджений - У повністю закритій рамі він побудований так, що зовнішнє повітря не може потрапити в двигун. Охолодження забезпечується вбудованим вентилятором. Ці рами підходять для зовнішнього використання і в атмосфері, навантаженій вологою.
  • Повністю закритий вибухозахищений - Цей тип рами сконструйований, щоб протистояти вибуху газу або пари всередині двигуна. Це також запобігає займанню газу або пари, що оточують двигун іскрами всередині двигуна. Цей тип рами слід використовувати щоразу, коли двигун розташований поблизу вибухонебезпечної атмосфери, такої як зони подачі хімічних речовин.
  • Занурювальний - Занурювальний каркас призначений для повного занурення у воду. Він оснащений спеціальними ущільненнями, щоб утримувати воду і утримувати масло, що оточує двигун.
• Статор - Як пояснювалося раніше, статор є нерухомою частиною двигуна. Він зазвичай складається зі сталевого сердечника з прорізами, які представляють собою ізольовані котушки з мідної або алюмінієвої обмотки.
• Ротор - обертова частина двигуна називається ротором. Він розташований на валу двигуна всередині статора.
• Підшипники - Для того, щоб вал двигуна утримувався в положенні з мінімальним опором тертя, використовуються підшипники. Ротор в свою чергу підтримується підшипниками, що дозволяє ротору повертатися. Корпус двигуна підтримує підшипники. Підшипники або змащуються маслом або мастилом, щоб запобігти зносу металевих поверхонь.
• Вал - вал - це стрижень, який проходить через підшипники та ротор. Ротор повертає вал для подачі механічної потужності.
• Обмотки - обмотки - це дроти, прокладені в котушках, обмотаних навколо магнітного сердечника. Це утворює магнітні полюси при напрузі електричним струмом.
• Кінцеві дзвони - Кінцеві дзвони двигуна або щити є основною опорою для підшипників

Двигуни призначені для широкого діапазону навантажень, умов навколишнього середовища та монтажних конфігурацій. Багато конфігурації двигунів стандартизовані - це розміри до 200 к.с. Більші двигуни зазвичай не стандартизовані. Коли двигуни перетворюють електричну енергію в механічну енергію, утворюється тепло. Тому двигуни повинні бути сконструйовані з певним типом вентиляції. При зовнішніх температурах більше 104 ° F термін служби двигуна може бути скорочений.

Обладнання для управління двигуном

Менші двигуни зазвичай запускаються шляхом безпосереднього підключення напруги лінії до двигуна. Однак у більших двигунів (більших, ніж дробові кінські сили) потрібен запуск двигуна. Типовий стартер двигуна включає головний вимикач відключення, запобіжники або автоматичні вимикачі, монітори температури, а також засіб для дистанційного керування двигуном.

Функції управління двигуном діляться на дві основні категорії. Значна частина функцій управління двигуном призначена для захисту двигуна та пов'язаних з ними живильних кабелів. Інша функція визначає, коли і як працює двигун.

Існують контролери двигуна з повною напругою і зниженням напруги. Контролери повної напруги використовують повну лінійну напругу від електричного джерела для запуску двигуна. Пусковий струм проводиться безпосередньо від лінії електропередач. У контролері зниженої напруги пусковий струм двигуна занадто високий і може пошкодити електричну систему. Контролер використовує знижену напругу і струм для запуску двигуна насоса.

Системи управління двигуном бувають або автоматичними, або ручними. Ручні системи, як правило, менш дорогі і вимагають праці працівника для роботи. Ці типи систем управління, як правило, розташовані в центральній диспетчерській. Автоматичні контролери зазвичай працюють дистанційно і зменшують потребу в ручному управлінні. Будь-який тип системи управління повинен бути включений з сигналізацією високого та низького рівня як система раннього попередження.

З метою запобігання або зниження ймовірності виходу з ладу двигуна часто використовується обладнання захисту двигуна. Теплові реле перевантаження на стартерах запобігають перегорання двигуна, якщо ненормальні умови експлуатації збільшують навантаження понад проектну потужність. Запобіжники і автоматичні вимикачі розміщуються в основній силовій проводці двигуна для захисту від коротких замикань. Запобіжники або ланцюги виходять з ладу і вимикають двигун. Реле перевантаження по струму або перевантаження використовуються для відчуття стрибків струму в блоці живлення. У разі стрибка напруги ці реле відключають двигун від джерела живлення. У районах, де може виникнути блискавка, для запобігання пошкодженню від стрибків напруги використовуються блискавковідводи. Реле напруги часто використовуються для виявлення втрати потужності та ініціювання перемикання на альтернативне джерело живлення. Існує безліч інших реле для захисту від таких речей, як зворотні струми, фазові реверси та зміни частоти. Датчики також використовуються для захисту від перегріву, збільшення оборотів і інших робочих змінних, які не вважаються нормальними.

Обслуговування двигуна

Як і у випадку з усім механічним обладнанням, регулярна програма планового технічного обслуговування є розумною. Загальні предмети огляду та технічного обслуговування включають хороше ведення домашнього господарства, щоб зберегти територію навколо двигуна чистою та вільною від речей, що може сприяти передчасному виходу з ладу. Слід дотримуватися контрольного списку для регулярного вивчення таких речей, як вирівнювання та баланс двигуна, належне змащення, адекватна ізоляція, дисбаланс фаз та з'єднання вимикачів та схем.

Підшипники повинні бути належним чином доглянуті, а також. Корпус підшипника повинен бути заповнений маслом. З новими насосами масло слід повністю замінити після першого місяця експлуатації. Тоді звичайні зміни масла повинні відбуватися кожні 6 - 12 місяців. У змащених мастилом підшипниках слід уважно стежити за температурою, особливо протягом першого місяця. Зменшення повинно бути завершено відповідно до специфікацій виробника.

Також слід вести належний облік. Інформація про марку, модель, потужність, тип, серійний номер та гарантійну інформацію слід зберігати, щоб замінити або відремонтувати той самий або сумісний двигун. Дата установки та назва компанії, яка встановила двигун, також повинні зберігатися з усіма іншими записами двигуна. Виробники надають запропоновані графіки огляду та технічного обслуговування. Також важливо вести облік найменувань і адрес виробника і місцевих ремонтних представників.

Результати будь-якого тестування також повинні зберігатися у файлі. Залежно від розміру та типу двигуна тестування може варіюватися. Деякі загальні параметри тестування включають, але не обмежуючись ними вібрацію двигуна та робочі температури. Також рекомендується планова перевірка кабелів і заземлення.

Зразки питань

1. Вольт - це вимір електричного ___________.
   1. Опір
   2. Тиск
   3. Потужність
   4. Струм
2. Ампер - це вимірювання електричного ___________.
   1. Опір
   2. Тиск
   3. Потужність
   4. Струм
3. Ом - це вимірювання електричного ___________.
   1. Опір
   2. Тиск
   3. Потужність
   4. Струм
4. Який з перерахованих нижче не є трифазним двигуном?
   1. Індукція відштовхування
   2. Індукція клітки білки
   3. Синхронний
   4. Індукція ранового ротора
5. Чотириполюсний двигун має синхронну швидкість ___________.
   1. 1200 об/хв
   2. 1800 об/хв
   3. 2400 об/хв
   4. 3600 об/хв
6. Швидкість, з якою обертається магнітне поле, називається ___________ двигуна.
   1. Швидкість бігу
   2. Швидкість обертання
   3. Синхронна швидкість
   4. Динамічна швидкість
7. Що з перерахованого нижче є базовим однофазним двигуном?
   1. Відштовхувально-індукційна
   2. Індукція клітки білки
   3. Синхронний
   4. Індукція ранового ротора
8. Статор - це ___________ частина двигуна.
   1. обертається
   2. Стаціонарні
   3. Ізоляційні
   4. Не входить до складу двигуна
9. Двигуни розраховані на зовнішню температуру ___________.
   1. менше 150F
   2. менше 125F
   3. менше 110F
   4. менше 104F
10. PLC позначає ___________.
    1. Програмований логічний центр
    2. Місцеве управління насосом
    3. Програмований логічний контролер
    4. Місцевий центр насоса