Электродвигатели асинхронные с режимом работы S2 (кратковременный режим)
В соответствии с международными стандартами IEC 60034-1 и ГОСТ Р МЭК 60034-1-2014, режимы работы электрических машин классифицируются по характеру и продолжительности нагрузки. Асинхронные электродвигатели, предназначенные для работы в режиме S2, называются двигателями кратковременного режима работы. Их ключевая особенность заключается в том, что они работают под нагрузкой в течение определенного, четко ограниченного времени, после чего отключаются и останавливаются на период, достаточный для охлаждения до температуры окружающей среды (практически до температуры охлаждающей среды).
Определение и сущность режима S2
Режим S2 – кратковременный режим. Двигатель работает при постоянной нагрузке в течение заданного времени tp, не достигая установившейся температуры. После этого двигатель отключается и остается в состоянии покоя в течение времени, достаточного для его охлаждения до температуры, не более чем на 2°C превышающей температуру охлаждающей среды.
Обозначение режима S2 обязательно дополняется указанием длительности рабочего периода. Например: S2 – 30 мин, S2 – 60 мин, S2 – 90 мин. Стандартные номинальные длительности: 10, 30, 60 и 90 минут.
Тепловой принцип и конструктивные особенности
Конструкция двигателей S2 оптимизирована под кратковременный нагрев. Поскольку двигатель не успевает выйти на тепловое равновесие с окружающей средой за время работы tp, допускается использование более высоких плотностей тока в обмотках и более высоких магнитных индукций в магнитопроводе по сравнению с двигателями продолжительного режима S1. Это позволяет, при тех же габаритах, получить большую выходную мощность на валу в течение заданного времени.
- Изоляция обмоток: Применяется изоляция того же класса (F или H), что и у двигателей S1, но за счет кратковременности работы фактическая температура достигает предельных для класса значений только к концу цикла работы. Это является резервом для перегрузки.
- Система охлаждения: Как правило, используется самовентилирование (IC 411). За короткое время работы вентилятор не успевает обеспечить полный отвод тепла, что также закладывается в расчеты.
- Материалы активных частей: Может использоваться сталь с улучшенными магнитными свойствами, а также алюминиевые сплавы для ротора с целью снижения инерции и более быстрого выхода на номинальный режим.
- Вспомогательные механизмы металлургического производства: Приводы рольгангов, манипуляторов, механизмов поворота ковшей.
- Грузоподъемные машины: Приводы передвижения тележек кранов, подъемники с редким использованием.
- Гидротехнические сооружения: Приводы шлюзовых ворот, аварийных заслонок.
- Испытательные стенды: Для кратковременного нагружения испытываемых объектов.
- Специальный технологический инструмент: Приводы мощных гайковертов, шпиндели некоторых станков.
- Отличие от S1 (продолжительный режим): Двигатель S1 работает неограниченно долго до достижения установившейся температуры. Двигатель S2 отключается до ее достижения.
- Отличие от S3 (периодический кратковременный режим): Режим S3 предполагает последовательность идентичных рабочих циклов, включающих время работы под постоянной нагрузкой и время паузы. В S3 двигатель не успевает охладиться до температуры окружающей среды за время паузы. S2 можно рассматривать как единичный цикл S3 с очень длительной паузой.
- Связь с S6 (непрерывно-периодический режим): В S6 цикл включает время работы под нагрузкой и время работы на холостом ходу. S2 – частный случай, где холостой ход отсутствует, а пауза – это полная остановка.
- Определение теплового времени常数: Замеряется время, за которое температура обмоток возрастает до 63.2% от установившегося перегрева при номинальной нагрузке в гипотетическом продолжительном режиме.
- Испытание на нагрев в режиме S2: Двигатель нагружается до номинальной мощности для заявленного времени
tp. К концу этого времени температура обмоток (измеренная методом сопротивления) не должна превышать предельно допустимую для класса изоляции. - Проверка механических характеристик: Определяются пусковой и максимальный моменты, которые должны соответствовать нормам для данного типа двигателя.
- Удешевление и снижение материалоемкости: получение большей мощности с единицы массы и объема активных материалов.
- Возможность оптимизации под конкретный технологический цикл.
- Снижение пикового потребления энергии при использовании вместо двигателя S1, работающего в длительном режиме с недогрузкой.
- Жесткая привязка к регламентированному времени работы. Превышение времени ведет к перегреву и аварии.
- Необходимость применения более точных систем контроля и защиты по температуре или времени.
- Ограниченность применения только для механизмов с четко определенным циклом.
- Более сложный процесс выбора и замены по сравнению со стандартными двигателями S1.
- Защиту по температуре с использованием встроенных датчиков (PTC-термисторы, PT100) в обмотках.
- Многофункциональные реле защиты двигателя (MPMR) с программируемой времятоковой характеристикой, которую можно настроить на конкретный цикл S2.
- Дополнительную независимую временную защиту (реле времени), отключающую двигатель по истечении номинального времени работы
tp. - √((1 - e-tp1/τ) / (1 - e-tp2/τ)),
Расчетные параметры и выбор двигателя S2
Выбор двигателя для режима S2 требует анализа двух ключевых факторов: требуемой мощности на валу и длительности цикла работы. Каталожная мощность двигателя S2 указывается именно для указанной в обозначении продолжительности. Использование двигателя S2 за пределами номинального времени tp приводит к перегреву и сокращению срока службы изоляции.
| Режим работы | Номинальная мощность, кВт | Продолжительность | Ток статора, А (при ~380В) | Примечание |
|---|---|---|---|---|
| S1 (продолжительный) | 18.5 | Неограниченно | 35.5 | Базовая конструкция |
| S2 — 30 мин | 22.0 | 30 минут | 41.5 | Мощность повышена на ~19% |
| S2 — 60 мин | 20.0 | 60 минут | 38.0 | Мощность повышена на ~8% |
Области применения асинхронных двигателей режима S2
Двигатели S2 применяются в механизмах с явно выраженным кратковременным или периодическим характером работы, где паузы между включениями сопоставимы или превышают время работы.
Взаимосвязь режима S2 с другими режимами работы
Режим S2 является базовым для понимания более сложных периодических режимов.
Методика проверки и испытания двигателей S2
Испытания двигателей S2 проводятся по стандартным методикам, но с акцентом на тепловые характеристики.
Преимущества и недостатки применения двигателей S2
Преимущества:
Недостатки и риски:
Часто задаваемые вопросы (FAQ)
Можно ли использовать двигатель S2 в режиме S1?
Категорически не рекомендуется. Двигатель S2 рассчитан на работу с повышенными плотностями тока и магнитными потоками. При работе в продолжительном режиме S1 он неизбежно перегреется сверх допустимой температуры для класса изоляции, что приведет к ее ускоренному старению и выходу из строя. Для работы в S1 необходимо снизить нагрузку на 15-30% в зависимости от tp, что экономически и технически нецелесообразно.
Как выбрать защиту для двигателя S2?
Стандартные максимально-токовые защиты (тепловые реле, электронные расцепители) могут не обеспечить адекватную защиту, так как они калиброваны под установившийся тепловой режим S1. Необходимо применять:
Что будет, если двигатель S2 – 30 мин проработает 40 минут?
Температура обмоток продолжит расти по экспоненте, выходя за пределы, на которые рассчитана изоляция. Каждые 8-10°C сверх нормы сокращают срок службы изоляции в 2 раза (правило Монтинга-Папста). Кратковременная перегрузка может привести к пробою изоляции, межвитковому замыканию и выходу двигателя из строя. Длительная эксплуатация в таком режиме недопустима.
Как пересчитать параметры двигателя S2 на другое время работы?
Приближенный пересчет мощности для одного и того же двигателя при разных длительностях S2 можно выполнить, исходя из постоянства тепловых потерь. Используется формула, основанная на эквивалентном тепловом режиме:
P2 ≈ P1
где τ – тепловая постоянная времени двигателя (указывается в подробных каталогах). Для инженерных оценок можно пользоваться таблицами пересчета производителя.
Чем режим S2 отличается от режима S3 (ПВ 40%)?
Ключевое отличие – в характере цикла и конечной температуре. В S3 (с относительной продолжительностью включения, например, 40%) двигатель работает циклически, и его температура колеблется вокруг некоторого среднего значения, не достигая температуры окружающей среды. В S2 двигатель работает один раз, а затем остывает полностью. Двигатель S2, рассчитанный на 30 минут, может быть непригоден для работы в режиме S3 с периодом цикла 10 мин (работа 4 мин, пауза 6 мин), так как за несколько циклов произойдет тепловое накопление.
Заключение
Асинхронные электродвигатели с режимом работы S2 представляют собой специализированный класс машин, оптимально спроектированных для эксплуатации в условиях кратковременной нагрузки. Их правильный выбор, основанный на точном знании длительности технологического цикла, и организация корректной защиты являются критически важными для надежной и долговечной работы. Применение двигателей S2 там, где это технически оправдано, позволяет достичь значительной экономии материалов, снижения габаритов и стоимости электропривода без ущерба для выполнения производственных задач. Инженеру-проектировщику необходимо четко разграничивать сферы применения двигателей S1, S2 и других периодических режимов, руководствуясь требованиями стандартов и техническими условиями конкретного применения.