Tři kroky, jak zvolit ten správný motor

Elektromotory jsou primárním prostředkem pro zajištění pohybu moderních průmyslových strojů a zařízení, ale projektanti nemohou jednoduše zvolit tu nejlevnější verzi, která se jakžtakž hodí. Při použití správného provedení představují elektromotory nákladově efektivní a spolehlivou metodu vytváření rotačního pohybu a mohou být rovněž spojeny s převodovkami a dalšími mechanismy k dosažení různých úrovní a typů síly. Motory, které nejsou správně dimenzovány, budou neúčinné a mohou v budoucnu způsobovat nemalé problémy s provozem a údržbou.

Projektanti jsou občas ohromeni širokou škálou dostupných motorů, jejich stylů a velikostí, stejně jako množstvím výrobců. Typické motory mohou být poháněny střídavým nebo stejnosměrným proudem, mají pevné nebo variabilní otáčky, disponují krokovými mechanismy a servy pro vysoce přesné aplikace. Každý styl má určité silné stránky, ale všechny aplikace musejí být správně nadimenzovány, aby provozovaly zátěž za všech normálních podmínek. Tento článek se zaměřuje na základní motory poháněné střídavým proudem (viz obr. 1).

Vědět, jak nadimenzovat motor pro danou aplikaci, vyžaduje metodický pohled na požadavky. U každého výrobce strojů nebo OEM představují náklady vždy klíčové hledisko. Posouzení podmínek prostředí, provozních požadavků a dostupného příkonu elektrické energie povede uživatele k výběru správným směrem. Tento článek shrnuje základní úvahy a kroky pro správný výběr a dimenzování elektrických motorů.

Výhody výběru správného motoru

Správné nadimenzování motoru je rozhodující pro každou aplikaci. Vhodně zvolené motory obsluhují poháněná zařízení tím nejefektivnějším způsobem, což zase zajišťuje nejnižší míru opotřebení. Když zařízení pracuje správně, maximalizuje se doba provozu stroje a také návratnost investic do motoru a poháněného zařízení.

Energetická účinnost představuje další významný faktor. Od začátku 90. let minulého století vyžadovaly předpisy postupně používání více typů motorů s výkonem 1,0 hp a vyšším, aby bylo dosaženo větší účinnosti. Rafinovanější návrhy a konstrukční metody využívající více mědi umožňují těmto prémiovým motorům odebírat v provozu méně proudu. Počáteční náklady jsou obvykle vyšší, avšak zpravidla je to kompenzováno nižšími provozními náklady po celou dobu životnosti motoru.

Problémy s vývinem tepla a způsob instalace patří mezi dva hlavní důvody selhávání motoru, proto je nutné zvážit oba případy. Teplo může pocházet z několika zdrojů a nejvíce poškozuje izolační systémy motoru. Může to být způsobeno tím, že motory jsou instalovány ve venkovním prostředí nebo může být teplo přenášeno z přidruženého výrobního zařízení.

Elektrické motory generují během provozu rovněž své vlastní teplo ve vinutí a dalším zdrojem tepla je mechanické tření na ložiskách motoru. Problémy s nevhodně provedenou instalací, jako je nesouosost hřídelí, nepatřičný způsob chlazení, nesprávný typ motoru pro dané okolní prostředí a vibrace, musejí být co nejdříve napraveny. U správně dimenzovaných motorů se nebude vyskytovat problematické teplo v důsledku přetížení a přebytečné teplo může být zmírněno zajištěním správného chlazení s odpovídajícím dostupným prouděním vzduchu.

Nevhodně provedená instalace, která má za následek nesouosost hřídelí nebo nadměrné vibrace, časem mechanicky poškodí motor, ložiska i přidružená zařízení. Motory musejí být správně nainstalovány a dostatečně dimenzovány pro aplikované zatížení, aby se minimalizovaly problémy s nadměrnými vibracemi a byla zajištěna dlouhá životnost ložisek. Náležitý výběr nosných držáků motoru může zjednodušit instalaci a pomoci při správném seřízení.

Kroky vedoucí ke správnému dimenzování motoru

Proces dimenzování motorů pro jakoukoli aplikaci se dělí do tří hlavních kroků:

• zkoumání provozních charakteristik zatížení;
• zvážení všech aspektů provozního prostředí;
• plánování dostupného napájení.

Dimenzování motoru by mělo být obecně prováděno v tomto pořadí, ale každý faktor se týká i těch ostatních a ovlivňuje je. Správné zohlednění těchto hledisek a výběr motoru na jejich základě vede k volbě takového motoru, který je schopen vykonávat potřebnou práci bez zkrácené životnosti kvůli předčasnému poškození vinutí, izolace nebo ložiska. Primárním úkolem motoru je pokračovat v rotaci nastavenou rychlostí bez ohledu na točivý moment tak, aby byl schopen dodávat potřebné množství mechanické síly. Motor musí překonat setrvačnost zátěže nebo odpor vůči pohybu, zrychlit na požadované otáčky a poté je udržet. Avšak ne u každého zatížení motoru tomu tak je.

Konstantní zátěže točivým momentem patří mezi ty nejjednodušší aplikace. Jedná se o zatížení, u nichž se požadovaný točivý moment příliš nemění s otáčkami. To je běžné u dopravníků, kompresorů a jeřábů (viz foto 2). Požadavek na výkon se liší v závislosti na otáčkách nebo množství práce, která je efektivně prováděna. Pro tyto aplikace s konstantním točivým momentem je nutné určit zatížení, kterým bude motor zatěžován, aby se zvolila správná velikost výkonu. To může být uvedeno na typovém štítku poháněného stroje nebo vyplynout ze zkoušení velikosti točivého momentu pro stanovení množství požadované síly. Minimální požadovaný výkon se vypočítá podle vzorce:

HP = (T×N) / 5,252

kde:
HP = výkon potřebný pro motor uvedený v koňských silách
T = zatěžovací moment
N = rychlost otáčení

Variabilní zatížení točivého momentu, kde se požadovaný točivý moment mění s otáčkami, charakterizují zařízení, jako jsou čerpadla a ventilátory. Tato zatížení by měla být dimenzována na nejvyšší možné zatížení. Při jakémkoli zatížení motoru je nutné počítat s pevnými provozními otáčkami nebo rozsahem proměnných otáček, při kterých se bude motor při připojení k zařízení otáčet. Měniče s proměnnou frekvencí pro úpravu otáček motoru jsou dobrou volbou zejména proto, že mnoho zátěží pocítí velké snížení spotřeby elektrické energie, pokud lze motor provozovat při nižších otáčkách. Pro aplikace s proměnnou rychlostí musí být vyhodnocen poměr rozběhu motoru a zařízení.

Tento poměr je výsledkem maximálních nebo jmenovitých otáček motoru dělený nejnižšími provozními otáčkami. Je zapotřebí vzít v úvahu i tu skutečnost, že motor může ztratit schopnost vlastního ochlazování, pokud jsou jeho otáčky nastaveny příliš nízko. U motorů, které budou používat frekvenční měnič, se ujistěte, že se jedná o třífázový motor se střídačem.

Pracovní cyklus zátěže definuje, jak dlouho má být motor v provozu a jak dlouho bude v klidovém režimu. Jmenovitý pracovní cyklus motoru musí být lepší než ten, u něhož je vyžadováno zatížení. Časté rozběhy motoru příliš neprospívají, protože generují více tepla. Motor se jmenovitým pracovním cyklem nižším než 100 % nebo souvislým bude menší a levnější, ale musí být provozován s klidovými cykly, aby se odlehčil nárůst tepla. V mnoha aplikacích je rozumné specifikovat motor se 100% provozním cyklem.

Zvažte všechny aspekty provozního prostředí

Aspekty provozního prostředí zahrnují maximální a minimální okolní teplotu, normální hodnotu vlhkosti, včetně té během oplachování, dále pak nečistoty, jako je prach a špína. Podle toho bude prováděn výběr typu konstrukce motoru. Existuje mnoho konfigurací, aby se vyhovělo podmínkám různých prostředí, leč třemi nejpopulárnějšími typy pro průmyslové aplikace jsou:

• Otevřený, avšak chráněný proti odkapávání (ODP): Relativně otevřený kryt podporuje chlazení, ale vyžaduje vnitřní prostory, relativně čisté a suché místo; chráněno proti stříkající vodě.

• Úplně uzavřený, ventilátorem chlazený (TEFC): Uzavřený, ale ne zcela vzduchotěsný kryt, často s žebrovanou kostrou podporující chlazení; vybavený externím ventilátorem; všestranný motor pro většinu lokalit.

• Úplně uzavřený, chlazený dmychadlem (TEBC): Stejně jako u TEFC, ale je vybaven samostatně poháněným externím dmychadlem, které udržuje motor v chladu, i když pracuje při nízkých otáčkách, kdy by integrovaný ventilátor nebyl účinný.

Osvědčenou praxí je vybrat motor schopný odolávat provoznímu prostředí s co nejlepším výkonem chlazení. Tím se prodlouží doba provozuschopnosti zařízení a sníží počet nutných servisních zásahů.

Naplánujte dostupný zdroj napájení

Dostupný zdroj napájení a upřednostněné ovládání motoru rovněž hrají roli při dimenzování motorů pro jednotlivé aplikace. U střídavých motorů si uživatelé budou muset vybrat jednofázový nebo třífázový motor na základě toho, jaká síť je v podniku k dispozici. Obecně lze říci, že třífázový výkon je vhodnější pro strojní a procesní aplikace. Čím vyšší je provozní napětí, tím nižší je elektrický proud potřebný pro stejné zatížení; navíc nižší proud používá vodiče menšího průřezu a generuje méně tepla. Běžná elektrická připojení průmyslových motorů na střídavý proud jsou jednofázová 120 V AC, jednofázová 230 V AC a třífázová 240/480 V AC.

Výběr provozního napětí často závisí na použití toho, co je v daném místě běžně dostupné. Ale tam, kde je možnost výběru, je vhodné si uvědomit, že vyšší provozní napětí prodlužuje životnost motoru. To je zvláště důležité u menších motorů, kde hmotnost, konstrukce ventilátoru a izolační systémy nemusejí dostatečně odvádět teplo. U třífázového motoru lze snadněji přepínat na zpětný chod než u jednofázového motoru, a proto je výhodný pro aplikace vyžadující provoz vpřed a vzad.

Typické aplikace

Níže jsou uvedeny typické aplikace použití a odpovídající vhodný způsob volby motorů:

• Jednofázové nebo třífázové motory (kryt typu ODP): Mezi typické použití patří obráběcí stroje, dopravníky, balicí stroje, dávkovací stroje, zařízení pro potraviny a nápoje, čerpadla, ventilátory a vzduchové kompresory.

• Třífázové motory (kryt typu TEFC): Typické aplikace jsou stejné jako u motorů ODP, ale tyto jsou vhodné pro použití do mokrých a znečištěných prostor.

• Motory s vysokou účinností NEMA (kryt typu TEBC): Mezi typické použití patří reduktory převodových stupňů, čerpadla, obráběcí stroje a další zařízení s přímým připojením, jež jsou instalována ve vlhkém, prašném nebo špinavém prostředí, kde je vyžadována dlouhá životnost a vysoká účinnost.

• Motory s tryskovými čerpadly (tyto motory se vyznačují použitím speciálních těsnění, materiálů hřídelí a provedení): V praxi pohánějí trysková čerpadla, studňová čerpadla a další aplikace pro čerpání kapalin.

Správné dimenzování motoru zajišťuje rovnováhu potřebnou v provozu

Pokud budou dodrženy kroky uvedené v tomto článku, máte jistotu, že motor bude dimenzován pro všechny zátěžové stavy, bude schopen odolat vlivům okolního prostředí a funkčně odpovídat dostupnému výkonu. Je třeba si uvědomit, že v současné době je na trhu k dispozici nepřeberné množství různých motorů od různých výrobců, a tak velmi záleží na vhodném výběru motoru pro vaši konkrétní aplikaci, aby bylo dosaženo této rovnováhy a počáteční i provozní náklady byly co nejnižší.

Bryan Sisler je produktový manažer pro oblast pohonů a motorů ve společnosti AutomationDirect. Posledních 27 let se věnuje automatizačnímu průmyslu, v rámci kterého se specializuje na pohony, motory a komunikační technologie u řady velkých průmyslových výrobců a distributorů.