Электродвигатели 6 и 10 кВ: какое напряжение выбрать

Электродвигатели принято разделять на низковольтные и высоковольтные по номинальному напряжению питания. Однако разница между ними не ограничивается цифрой на заводской табличке. Класс напряжения влияет на конструкцию обмотки, рабочий ток, способ подключения, пусковую аппаратуру и требования к обслуживанию привода.

Низковольтные двигатели обычно подключаются к промышленным сетям 380 или 660 В. Высоковольтные машины работают от сети 3, 6 или 10 кВ и применяются преимущественно в мощных промышленных установках.

При этом мощность и напряжение — разные характеристики. Двигатель на 630 кВт может быть рассчитан как на 660 В, так и на 6 или 10 кВ. Его мощность показывает, какую механическую работу он способен выполнять, а напряжение определяет условия электрического питания.

Почему мощные двигатели переводят на высокое напряжение

При одинаковой мощности увеличение напряжения позволяет уменьшить рабочий ток. Приблизительно его можно определить по формуле:

I = P / (√3 × U × η × cos φ),

где:

• I — ток двигателя;

• P — полезная мощность;

• U — напряжение сети;

• η — коэффициент полезного действия;

• cos φ — коэффициент мощности.

Рассмотрим двигатель мощностью 630 кВт. Если условно принять КПД равным 95%, а cos φ — 0,86, расчетный ток составит приблизительно:

• при 380 В — около 1170 А;

• при 660 В — около 675 А;

• при 6 кВ — около 74 А;

• при 10 кВ — около 45 А.

Разница получается существенной. Для низковольтной машины большой мощности потребуются кабели значительного сечения, мощная коммутационная аппаратура и сборные шины, рассчитанные на ток в сотни или даже тысячи ампер.

Высокое напряжение позволяет передавать ту же электрическую мощность при меньшем токе. Это снижает потери и падение напряжения в питающей линии, что особенно важно при значительном расстоянии между подстанцией и приводом.

Однако двигатель на 10 кВ не является более мощным только из-за напряжения. Две машины на 630 кВт, рассчитанные на 660 В и 10 кВ, передают на вал одинаковую номинальную мощность.

Чем отличается конструкция обмотки

Обмотка низковольтного двигателя рассчитана на относительно небольшое напряжение между проводниками. В высоковольтной машине требования к электрической изоляции значительно строже.

Необходимо обеспечить стойкость не только к номинальному напряжению, но и к коммутационным перенапряжениям, неоднородности электрического поля и частичным разрядам. Поэтому высоковольтная обмотка имеет более сложную изоляционную систему.

При ее изготовлении применяются специальные изоляционные материалы, формованные катушки, системы пропитки и меры по выравниванию электрического поля. После производства обмотка проходит высоковольтные испытания. Увеличенная толщина изоляции занимает часть пространства в пазах статора. Поэтому проектирование высоковольтной машины требует компромисса между электрической прочностью, охлаждением и использованием активных материалов.

Как различается подключение

Низковольтный двигатель подключается к низковольтному распределительному устройству. Для его управления могут применяться автоматические выключатели, контакторы, устройства плавного пуска и преобразователи частоты соответствующего класса напряжения.

Для высоковольтного двигателя требуется отдельная ячейка распределительного устройства на 3, 6 или 10 кВ. В состав схемы могут входить:

• высоковольтный выключатель или контактор;

• трансформаторы тока;

• микропроцессорная релейная защита;

• устройства контроля изоляции;

• ограничители перенапряжений;

• высоковольтный кабель;

• концевые и соединительные муфты;

• система оперативных блокировок.

Соединения высоковольтной цепи нельзя выполнять обычными низковольтными кабелями и аппаратами. Вся линия от распределительного устройства до выводов двигателя должна соответствовать номинальному напряжению.

Чем отличается пуск

Асинхронный двигатель при прямом включении потребляет ток, значительно превышающий номинальный. Для низковольтных машин небольшой и средней мощности такой пуск часто допустим, если сеть выдерживает возникающую нагрузку.

Пуск мощного высоковольтного двигателя требует отдельного расчета. Проверяют просадку напряжения на шинах, время разгона механизма, нагрев ротора и обмотки, а также влияние на другое оборудование предприятия.

В зависимости от условий могут применяться:

• прямой пуск;

• реакторный пуск;

• автотрансформаторный пуск;

• частотный преобразователь;

• другие специализированные пусковые схемы.

Высокое напряжение уменьшает номинальный ток, но не устраняет проблему пускового тока. Возможность прямого включения определяется параметрами двигателя, механизма и питающей сети.

Где применяются низковольтные двигатели

Низковольтные электродвигатели — наиболее распространенный тип промышленного привода. Они используются в насосах, вентиляторах, компрессорах, конвейерах, станках, дробилках, смесителях и другом оборудовании.

Их основные преимущества:

• развитая система типоразмеров и монтажных исполнений;

• сравнительно простое подключение;

• доступность коммутационной аппаратуры;

• большой выбор устройств плавного пуска и частотных преобразователей;

• более простое техническое обслуживание;

• возможность быстрой замены серийного двигателя.

Для большинства приводов малой и средней мощности использование сети 380 или 660 В экономически оправдано. Подходящие модели представлены в категории электродвигателей АИР.

Где применяются высоковольтные двигатели

Высоковольтные машины устанавливают там, где необходимо приводить в движение мощное оборудование, рассчитанное на продолжительную эксплуатацию. Они применяются на насосных и компрессорных станциях, электростанциях, горно-обогатительных предприятиях, металлургических комбинатах, в нефтегазовой, химической и цементной промышленности.

Такие двигатели могут использоваться для привода:

• крупных насосов;

• компрессоров;

• дымососов и тягодутьевых машин;

• дробилок;

• мельниц;

• вентиляторов;

• конвейеров;

• другого оборудования большой мощности.

В категории высоковольтных электродвигателей представлены машины различных серий и конструктивных исполнений. Для поиска оборудования по напряжению предусмотрена отдельная подборка высоковольтных электродвигателей 6 кВ.

Можно ли заменить низковольтный двигатель высоковольтным

Переход с 380 или 660 В на 6 либо 10 кВ нельзя рассматривать как обычную замену двигателя. Даже если мощность и частота вращения совпадают, потребуются соответствующее распределительное устройство, кабельная линия, защита и пусковая аппаратура.

Обратная замена также не выполняется без пересчета. Низковольтный двигатель той же мощности потребляет гораздо больший ток. Существующие кабели, шины и аппараты могут оказаться для него непригодны.

Изменить номинальное напряжение двигателя простым переключением соединения «звезда — треугольник» можно только в пределах напряжений, прямо предусмотренных изготовителем. Например, двигатель с маркировкой 380/660 В допускает определенные схемы подключения к этим сетям. Такая машина не рассчитана на непосредственное подключение к сети 6 кВ.

Что выбрать для конкретного привода

Выбор класса напряжения начинается не с двигателя, а с электрической сети предприятия. Если на объекте уже имеется распределение 6 или 10 кВ и требуется привод большой мощности, высоковольтная машина часто оказывается технически и экономически обоснованным решением.

Если оборудование имеет небольшую или среднюю мощность, а питание организовано от сети 380 или 660 В, низковольтный двигатель обычно проще подключить, регулировать и обслуживать.

При сравнении необходимо учитывать стоимость не только самого двигателя, но и всей системы:

• распределительного устройства;

• кабельной линии;

• пусковой аппаратуры;

• релейной защиты;

• частотного регулирования;

• монтажных работ;

• последующего обслуживания.

Главное различие между высоковольтным и низковольтным электродвигателем заключается в способе передачи электрической мощности. Высоковольтная машина получает ее при большем напряжении и меньшем токе, но требует более сложной изоляции и специализированной инфраструктуры. Низковольтный двигатель проще в подключении и обслуживании, однако при большой мощности ток становится настолько высоким, что применение 6 или 10 кВ может оказаться рациональнее.