Электродвигатели взрывозащищенные с короткозамкнутым ротором
Электродвигатели взрывозащищенные с короткозамкнутым ротором: конструкция, принцип действия и применение
Взрывозащищенные электродвигатели с короткозамкнутым ротором представляют собой специализированный класс электрических машин, предназначенных для безопасной работы в средах, где присутствуют взрывоопасные газовые смеси, пары легковоспламеняющихся жидкостей или горючие пыли. Их основная задача – преобразование электрической энергии в механическую без возникновения источников зажигания, способных инициировать взрыв окружающей атмосферы. Конструкция таких двигателей базируется на классической схеме асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, которая модифицирована и усилена для соответствия строгим требованиям взрывозащиты.
Принцип действия и основы взрывозащиты
Принцип действия асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором основан на создании вращающегося магнитного поля трехфазной обмоткой статора, которое индуцирует токи в обмотке ротора (короткозамкнутом «беличьем колесе»). Взаимодействие этих токов с магнитным полем статора создает электромагнитный момент, приводящий ротор во вращение. Взрывозащищенное исполнение не меняет этот принцип, но фокусируется на предотвращении возникновения опасных факторов: искрения, чрезмерного нагрева поверхностей, образования электрической дуги как внутри, так и снаружи двигателя.
Взрывозащита достигается комплексом мер, регламентированных стандартами (в РФ – ГОСТ Р МЭК 60079-серии, на международном уровне – IEC 60079). Основные концепции, применяемые к двигателям с короткозамкнутым ротором:
- Взрывонепроницаемая оболочка (Ex d): Наиболее распространенный вид защиты для мощных двигателей. Корпус двигателя обладает повышенной механической прочностью и способен выдержать внутренний взрыв горючей смеси, не разрушившись и не передав пламя во внешнюю взрывоопасную среду через любые разъемные соединения (фланцы, зазоры между валом и подшипниковым щитом).
- Искробезопасная электрическая цепь (Ex i): Применяется для цепей управления, датчиков (например, термопреобразователей). Энергия в таких цепях ограничена до уровня, недостаточного для воспламенения конкретной смеси.
- Заполнение оболочки под избыточным давлением (Ex p): Внутренняя полость двигателя продувается чистым воздухом или инертным газом под избыточным давлением, предотвращая проникновение внутрь взрывоопасной атмосферы.
- Защита вида «е» (Ex e): Повышенная безопасность. Применяются дополнительные меры для предотвращения возникновения чрезмерных температур, искрения и дуги в нормальном режиме работы и при стандартных условиях перегрузки.
- Кварцевое заполнение оболочки (Ex q): Обмотка статора залита кварцевым песком, который изолирует возможные источники искрения и отводит тепло.
- 1Ex – знак взрывозащиты по российским стандартам (Ех – по МЭК).
- d – вид взрывозащиты (взрывонепроницаемая оболочка).
- IIB – оборудование группы II (для рудничной атмосферы – I), подгруппа B (определяет категорию взрывоопасной газовой смеси: IIA – пропан, IIB – этилен, IIC – водород, ацетилен).
- T4 – температурный класс, указывающий максимальную температуру поверхности двигателя. T4 = 135°C.
- Gb – уровень защиты оборудования: «G» для газов, «b» – повышенная надежность (защита обеспечивается в нормальном режиме работы и при ожидаемых неисправностях).
- Нефтегазовая промышленность (буровые установки, нефтеперерабатывающие и химические заводы, компрессорные станции, танкеры).
- Химическая и нефтехимическая промышленность.
- Добывающая промышленность (угольные шахты, обогатительные фабрики).
- Производство и хранение лакокрасочных материалов.
- Мукомольное и комбикормовое производство (запыленные среды).
- Водоочистные сооружения (зоны возможного выделения метана).
- Заземление: Надежное заземление корпуса двигателя в соответствии с ПУЭ и инструкцией.
- Подключение кабелей: Использование только сертифицированных сальников соответствующего размера и типа. Герметизация вводов обязательна.
- Затяжка соединений: Все болтовые соединения взрывонепроницаемых фланцев должны быть затянуты с предписанным моментом. Ослабление болтов недопустимо.
- Техническое обслуживание: При ТО запрещается нарушать целостность взрывозащищенных соединений без необходимости. После вскрытия необходимо проверить состояние уплотнительных поверхностей, очистить их, а при сборке соблюсти требуемые зазоры и моменты затяжки.
- Ремонт: Ремонт обмоток или механической части должен проводиться на предприятиях, имеющих лицензию на ремонт взрывозащищенного оборудования, с использованием оригинальных или сертифицированных запасных частей.
Конструктивные особенности
Конструкция взрывозащищенного двигателя включает ряд ключевых отличий от общепромышленного аналога.
Корпус и взрывонепроницаемые соединения
Корпус (станина) изготавливается из высокопрочного чугуна или сварной стали. Фланцевые соединения между станиной и подшипниковыми щитами выполняются с точно рассчитанными защитными лабиринтными путями (огнепреграждающими каналами). Эти пути имеют определенную длину и ширину зазора (L и G согласно стандартам), которые обеспечивают охлаждение продуктов горения до безопасной температуры при выходе из оболочки в случае внутреннего взрыва.
Узлы ввода кабеля (сальники)
Для ввода силового кабеля и кабелей управления используются только сертифицированные взрывозащищенные сальники кабельного ввода, соответствующие типу защиты оболочки (например, Ex d). Они обеспечивают надежное уплотнение на вводе.
Торцевое уплотнение вала (лабиринтное или сальниковое)
Место выхода вала из двигателя – критическая точка. Здесь применяются сложные лабиринтные уплотнения, часто в комбинации с масляными камерами (для двигателей с большим скольжением) или бесконтактные щелевые уплотнения. Их задача – предотвратить передачу взрыва по валу и обеспечить безопасный зазор между вращающейся и неподвижной частями.
Система охлаждения
Большинство взрывозащищенных двигателей – закрытого исполнения с внешним обдувом (обозначение IP54, IP55 по пылевлагозащите). Вентилятор, расположенный на валу, помещен в специальный кожух (колпак), который также является взрывонепроницаемым. Ребра охлаждения на станине имеют особую форму, облегчающую очистку от пыли (важно для пылеопасных сред).
Термозащита и мониторинг
Контроль температуры – ключевой аспект. В обмотки статора встраиваются датчики температуры (термосопротивления Pt100 или термопары), подключенные к искробезопасным цепям (Ex i). Они соединяются с внешними системами защиты, отключающими двигатель при превышении допустимой температуры. Сама температура на поверхности корпуса (T-класс) нормируется в зависимости от группы взрывоопасной смеси.
Маркировка, группы и температурные классы
Маркировка взрывозащиты содержит всю необходимую информацию для правильного выбора двигателя в конкретную зону.
Пример маркировки: 1Ex d IIB T4 Gb
| Температурный класс | Максимальная температура поверхности, °C |
|---|---|
| T1 | 450 |
| T2 | 300 |
| T3 | 200 |
| T4 | 135 |
| T5 | 100 |
| T6 | 85 |
| Группа смеси (подгруппа) | Типичные представители | Максимальный экспериментальный безопасный зазор (МЭБЗ), мм |
|---|---|---|
| I (рудничный метан) | Метан | 1.0 |
| IIA | Пропан, бензин, ацетон, аммиак | 0.9 |
| IIB | Этилен, коксовый газ | 0.65 |
| IIC | Водород, ацетилен | 0.35 (наиболее строгие требования) |
Области применения
Взрывозащищенные двигатели с короткозамкнутым ротором являются приводом для насосов, вентиляторов, компрессоров, дымососов, конвейеров, мешалок и другого оборудования в отраслях:
Особенности монтажа, эксплуатации и технического обслуживания
Монтаж и обслуживание должны выполняться персоналом, имеющим соответствующую подготовку по взрывозащите. Ключевые требования:
Сравнение с другими типами взрывозащищенных двигателей
Помимо асинхронных двигателей с КЗ ротором, во взрывоопасных зонах могут применяться двигатели постоянного тока или синхронные двигатели, но их доля значительно меньше. Основные преимущества двигателя с КЗ ротором – простота конструкции, высокая надежность, отсутствие щеточного аппарата (искрящего узла), что делает его идеальной основой для взрывозащищенного исполнения. Синхронные двигатели используются для привода мощных низкооборотных компрессоров, а двигатели постоянного тока – для кранового оборудования с регулированием скорости, но их взрывозащита сложнее и дороже из-за наличия коллектора.
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Чем отличается маркировка Ex d от Ex de?
Маркировка Ex de обозначает комбинированный вид взрывозащиты. В этом случае корпус двигателя выполнен как взрывонепроницаемая оболочка (Ex d), а клеммная коробка, где расположены соединения, имеет защиту вида «повышенная безопасность» (Ex e). Это позволяет безопасно производить подключение и отключение силовых кабелей в полевых условиях, не обесточивая всю линию, так как клеммная коробка Ex e считается безопасной для работы при наличии напряжения при соблюдении определенных условий.
Можно ли установить частотный преобразователь (ЧРП) на взрывозащищенный двигатель?
Да, это распространенная практика для регулирования скорости. Однако необходимо учитывать несколько критических факторов:
1. Двигатель должен быть предназначен для работы от ЧРП (иметь усиленную или специальную изоляцию обмоток, рассчитанную на импульсное напряжение).
2. Повышение температуры из-за высших гармоник и снижения скорости вращения встроенного вентилятора требует установки дополнительного внешнего охлаждения или снижения мощности (дерейтинга).
3. Сам ЧРП должен быть установлен вне взрывоопасной зоны либо иметь собственное взрывозащищенное исполнение (например, Ex d или Ex p).
4. Длина кабеля между ЧРП и двигателем должна быть минимизирована, часто требуется применение выходных фильтров (дросселей) для снижения пиковых напряжений.
Как правильно выбрать двигатель для зоны с взрывоопасной пылью?
Для зон, где присутствует горючая пыль (обозначается Zone 21, 22), применяются двигатели со специальной маркировкой. Защита может быть обеспечена:
— Корпусом, исключающим проникновение пыли (оболочка Ex t, защита вида «t» – защита оболочкой). Уровень пылевлагозащиты обычно не ниже IP6X.
— Взрывонепроницаемой оболочкой (Ex d), которая также подходит для пыли.
— Заполнением оболочки под избыточным давлением (Ex p).
Маркировка будет содержать указание на пыль: «D» (пыль) или «Db». Например: Ex tD A21 IP66 T130°C Db. Важно, чтобы температура поверхности двигателя (T-класс или прямое указание в °C) не превышала температуре самовоспламенения конкретной пыли, уменьшенной на запас безопасности.
Что такое «дерейтинг» двигателя и когда он применяется?
Дерейтинг – это вынужденное снижение номинальной мощности двигателя при работе в определенных условиях. Для взрывозащищенных двигателей это особенно актуально в двух случаях:
1. Работа на большой высоте над уровнем моря (более 1000 м): Разреженный воздух ухудшает охлаждение. Мощность снижается на определенный процент на каждые 100 м сверх лимита.
2. Работа при повышенной температуре окружающей среды (обычно выше +40°C): Теплоотдача ухудшается. Мощность также снижается для сохранения запаса по температуре поверхности и обмоток.
Коэффициенты дерейтинга указываются в каталогах производителя и должны строго соблюдаться.
Каков порядок действий при вскрытии (для ремонта) и последующей сборке взрывозащищенного двигателя?
1. Двигатель должен быть отключен от сети, закорочен и заземлен.
2. Перед вскрытием необходимо очистить внешнюю поверхность от загрязнений.
3. Демонтаж производится с помощью специального инструмента, без повреждения привалочных (уплотнительных) поверхностей фланцев.
4. При разборке проверить и зафиксировать количество и расположение установочных штифтов, шайб.
5. Все уплотнительные поверхности после разборки тщательно очистить от старой смазки и загрязнений, проверить на отсутствие сколов, рисок, коррозии.
6. При сборке на чистые уплотнительные поверхности нанести тонкий слой консистентной смазки, стойкой к рабочей температуре (например, на основе силикона).
7. Болты затягивать крест-накрест с предписанным производителем моментом затяжки с помощью динамометрического ключа.
8. После сборки рекомендуется проверить сопротивление изоляции обмоток и, если требуется стандартами, провести испытание на стойкость к внутреннему взрыву в аккредитованной лаборатории (особенно после капитального ремонта с заменой деталей, влияющих на взрывонепроницаемость).