Электромонтаж компрессорных систем

Выбор подходящего двигателя для компрессора необходим для обеспечения наиболее эффективной работы системы.

Это сводит к минимуму риск механических неисправностей и предотвращает дорогостоящий ремонт и простои. Чем больше срок службы и цикл работы двигателя, тем больше экономия средств.

Как правило, в воздушных компрессорах используются трехфазные асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором. Двигатели низкого напряжения оптимально подходят для мощности до 450–500 кВт. Для обеспечения большей мощности рекомендуется использовать двигатели высокого напряжения. 

Двигатель (обычно с принудительным воздушным охлаждением) рассчитывается на работу при температуре 40 °C и на высоте до 1000 м. Некоторые производители предлагают двигатели в стандартной комплектации, для которых максимальная температура окружающей среды равна 46 °C. При определении параметров компрессорной установки для большей высоты или более высокой температуры необходимо снизить выходную мощность двигателя. 

Обычно двигатель устанавливается на фланец и подключается к компрессору напрямую. Частота вращения зависит от типа компрессора, но на практике используются только 2-полюсные или 4-полюсные двигатели с частотой вращения 3000 об/мин. Также определяется номинальная выходная мощность двигателя (при 1500 об/мин).

Использование слишком мощного двигателя может привести к следующим последствиям: 

• увеличение расходов, 

• использование излишне высокого пускового тока, 

• использование более мощных предохранителей, 

• низкий коэффициент мощности, 

• меньший уровень эффективности. 

С другой стороны, недостаточно мощный двигатель может привести к таким проблемам, как:

• перегрузка
• и риск поломок.

Соответствие выходной мощности двигателя требованиям компрессора помогает избежать потенциальных проблем и обеспечивает максимальную производительность двигателя. В результате и двигатель, и компрессор смогут работать дольше и эффективнее.

Класс защиты электродвигателя показывает способность электродвигателя работать в условиях воздействия пыли и воды. Класс защиты электродвигателя определяется стандартами. 

Важно отметить, что двигатели открытой конструкции не являются оптимальным вариантом для компрессоров, так как они не обеспечивают надлежащей защиты от пыли и воды. Например, электродвигатель с классом защиты IP23 выдерживает попадание только брызг воды или мелкодисперсного тумана, но не полное погружение в жидкость.

Конструкция с защитой от проникновения пыли и струй воды (IP55) предпочтительнее, чем двигатели открытой конструкции (IP23), которые требуют регулярной разборки и очистки.

В противном случае скопившаяся внутри агрегата пыль приведет к его перегреву и сокращению срока службы. Поскольку корпус компрессорной установки обеспечивает защиту от пыли и воды, допускается использовать двигатели с классом защиты ниже IP55.

При выборе двигателя также важно учитывать способ запуска. При схеме «звезда/треугольник» пусковой крутящий момент двигателя не превышает трети от нормального значения. Поэтому рекомендуется сравнить графики крутящих моментов двигателя и компрессора и выбрать двигатель, который обеспечит достаточный крутящий момент при запуске компрессора.

Наиболее распространенными способами запуска являются прямой пуск, пуск по схеме «звезда/треугольник» и плавный пуск.

• Прямой пуск не представляет сложностей, но отличается высоким пусковым током и начальным крутящим моментом, что может повредить двигатель. 

• Схема «звезда/треугольник» ограничивает пусковой ток. Стартер состоит из трех контакторов, защиты от перегрузки и таймера, который переключает двигатель со схемы «звезда» на схему «треугольник». 

• Плавный пуск — это способ постепенного запуска, который задействует полупроводниковые переключатели для ограничения пускового тока. 

Для прямого пуска требуется только контактор и защита от перегрузки. Его недостатком является высокий пусковой ток, который в 6–10 раз превышает номинальный ток двигателя, а также высокий начальный крутящий момент, который, в частности, может повредить валы и муфты.

Схема «звезда/треугольник» используется для ограничения пускового тока. Стартер состоит из трех контакторов, защиты от перегрузки и таймера.

Двигатель запускается по схеме «звезда», затем, по истечении заданного времени (когда скорость достигает 90% от номинальной скорости), таймер включает контакторы рабочего режима по схеме «треугольник». 

Схема «звезда/треугольник» снижает пусковой ток примерно до 1/3 по сравнению с прямым пуском. Однако при этом начальный крутящий момент также падает до 1/3.

Относительно низкий начальный крутящий момент означает, что на этапе запуска нагрузка на двигатель должна быть низкой, чтобы двигатель смог почти полностью набрать номинальную скорость перед переключением на схему «треугольник».

При слишком низкой скорости в момент переключения на схему «треугольник» возможен такой же сильный пик тока/крутящего момента, как и при прямом пуске.

Плавный (постепенный) пуск используется в качестве альтернативы запуску по схеме «звезда/треугольник». В этом случае стартер состоит из полупроводников (переключателей питания типа IGBT), а не из механических контакторов. Запуск происходит постепенно, а пусковой ток превышает номинальный не более чем в три раза. 

Стартеры прямого пуска и пуска по схеме «звезда/треугольник» чаще всего встроены в компрессор.

В случае крупной компрессорной установки они могут располагаться отдельно в распределительном устройстве, с учетом следующего:

• требования к пространству,
• тепловыделение
• и доступ для обслуживания.

(См. подробную информацию о том, как создать оптимальные рабочие условия в компрессорной.)

Обратите внимание, что стартер для плавного пуска обычно устанавливается отдельно, рядом с компрессором, что связано с выделением тепла. При наличии достаточно мощной системы охлаждения возможна установка в корпус компрессора. У компрессоров, оснащенных двигателями высокого напряжения, пусковое оборудование всегда выносится в отдельный электрический шкаф.

Согласно требованиям стандарта, кабели должны «выбираться таким образом, чтобы в режиме нормальной работы они не подвергались воздействию избыточных температур и не могли получить тепловые и механические повреждения в результате короткого замыкания».

При выборе подходящих кабелей учитываются следующие параметры:

• нагрузка,
• допустимое падение напряжения,
• метод прокладки (на стойке, стене и т. д.)
• и температура окружающей среды.

Кроме того, для защиты кабелей от короткого замыкания и перегрузки можно использовать предохранители.

При использовании двигателей необходимо обеспечить два типа защиты. Для защиты от опасного короткого замыкания можно использовать предохранители. Защита от перегрузки (обычно это защита двигателя, включенная в стартер) размыкает соединение со стартером, когда значение тока превышает определенный уровень, тем самым предохраняя от повреждений двигатель и проводку двигателя.

Защита от короткого замыкания предохраняет стартер, защиту от перегрузки и кабели. Чтобы выбрать правильный типоразмер кабеля, см. стандарт IEC 60364-5-52. 

Существует еще один важный фактор: «условие срабатывания». Это означает, что система должна быть рассчитана на быстрое и безопасное отключение в случае короткого замыкания. Для выполнения этого условия необходимо учесть длину и сечение кабеля, а также защиту от короткого замыкания.

Защита от короткого замыкания устанавливается на одной из точек ввода кабелей и состоит из предохранителей или автоматического выключателя. Независимо от выбранного решения, правильно подобранные устройства обеспечивают достаточный уровень защиты. 

Предохранители более надежны в случае коротких замыканий с высокой силой тока. Но в то же время они не обеспечивают полностью изолирующего разрыва цепи, а при низком токе короткого замыкания на их срабатывание требуется больше времени. Автоматические выключатели обеспечивают быстрое и полностью изолирующее разъединение даже при низком токе короткого замыкания, но требуют более тщательного планирования. Параметры защиты от короткого замыкания зависят от расчетной нагрузки, а также от ограничений, налагаемых стартером.

Информацию о защите стартера от короткого замыкания см. в стандарте IEC (Международной электротехнической комиссии) 60947-4-1, тип 1 и тип 2.

Выбор типа 1 или типа 2 зависит от того, как короткое замыкание повлияет на стартер. 

Тип 1: «…в условиях короткого замыкания контактор или пускатель не должны создавать опасности для людей или оборудования, хотя они могут оказаться непригодными для дальнейшей эксплуатации без ремонта и замены частей». 

Тип 2: «…в условиях короткого замыкания контактор или пускатель не должны создавать опасности для людей или оборудования и должны оставаться пригодными для дальнейшей эксплуатации. Возможность сваривания контакторов допускается, и в этом случае изготовитель должен рекомендовать меры по обслуживанию…»

Электродвигатели потребляют активную мощность (которая преобразуется в механическую работу) и реактивную мощность (необходимую для намагничивания электродвигателя). Реактивная мощность нагружает кабели и трансформатор. Соотношение между активной и реактивной мощностью определяется коэффициентом мощности, cos φ. Он обычно составляет от 0,7 до 0,9, где меньшее значение соответствует двигателям малого размера.

Коэффициент мощности можно повысить практически до 1, вырабатывая реактивную мощность непосредственно на агрегате с помощью конденсатора. Это позволяет снизить потребность в реактивной мощности, получаемой от сети. В результате можно избежать дополнительной платы, которую поставщик электроэнергии может взимать за реактивную мощность, потребляемую сверх установленного уровня. Кроме того, таким образом можно разгрузить сильно нагруженные трансформаторы и кабели.

Если учесть все указанные факторы, можно обеспечить надлежащую работу электрической системы, что позволит максимально увеличить производительность и срок службы компрессора.

Дополнительную информацию о процессе установки компрессора см. ниже.