Normy NEMA oraz IEC dotyczące silników elektrycznych są podobne, jednak przyjęte praktyki ich wykorzystywania są inne. Personel kierowniczy zarządzający fabryką posiadającą silniki obydwu standardów musi zwracać uwagę na dzielące je różnice.
Silniki elektryczne powszechnie stosowane w Stanach Zjednoczonych, Kanadzie, Meksyku, niektórych częściach Ameryki Południowej i Arabii Saudyjskiej wykonane są zgodnie z normami National Electrical Manufacturers Association (NEMA). Jednak prawie 70% silników przemysłowych sprzedawanych na całym świecie jest produkowanych zgodnie z normami Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej (IEC). Normy dla tych silników to MG 1 dla NEMA oraz seria 60034 i 60071 dla IEC, które określają specyfikacje mechaniczne, elektryczne i wydajnościowe.
Wiele osób nie rozumie w pełni różnic między tymi silnikami elektrycznymi. Istnieją nie tylko mechaniczne różnice montażowe i wymiarowe, ale także zwykłe cechy i konstrukcje elektryczne. Użytkownicy muszą rozpoznać i dostosować się do tych różnic podczas zarządzania projektami na całym świecie. Coraz powszechniejsze staje się importowanie maszyn wykorzystujących silniki IEC, a wielu producentów oryginalnego sprzętu (OEM) używa silników IEC w produktach przeznaczonych na eksport poza Amerykę Północną.
W przeszłości producenci silników NEMA byli zwykle niezależnymi firmami z siedzibą w USA. Obecnie wiele dużych firm produkujących silniki w Ameryce Północnej jest częścią dużych międzynarodowych firm, które produkują zarówno silniki NEMA, jak i IEC. Te same komponenty silnika mogą pojawić się w obu.
Niniejszy artykuł koncentruje się na 3-fazowych silnikach niskonapięciowych NEMA (poniżej 600 V) o mocy od 1 do 350 KM (od 0,746 do 261 kW) i ich odpowiednikach IEC najczęściej stosowanych w przemyśle.
Różnice mechaniczne
Najbardziej oczywistą różnicą mechaniczną jest to, że silniki NEMA są zdefiniowane w jednostkach calowych, a IEC w jednostkach metrycznych. Poza tym silniki NEMA oferują szerszy zakres obudów silników, które nie są powszechne w konstrukcjach IEC, takich jak silniki z otwartą kroplówką stosowane w wielu zastosowaniach sprężarek i wentylatorów (patrz rysunek 1).
Silniki IEC są powszechnie produkowane z ramami z żebrowanego odlewu aluminiowego lub żeliwnego, podczas gdy silniki NEMA są produkowane z ramami z żebrowanego odlewu i obudowami z walcowanej stali (patrz rysunek 2). Istnieją tylko niewielkie różnice w rozmiarach ram w zależności od wysokości wału (patrz Tabela 1). Średnice i długości wałów różnią się między NEMA i IEC, podobnie jak wymiary podstawy montażowej i rozstaw otworów montażowych.
Szczególnie ważną różnicą jest to, że silniki NEMA zwykle używają smaru na bazie polimocznika, podczas gdy większość silników IEC używa smaru litowego. Smary te nie są kompatybilne i nie powinny być mieszane. Jeśli populacja silników w zakładzie jest mieszana między NEMA i IEC, należy zachować ostrożność, gdy ktoś jest wysyłany do ponownego smarowania silników.
Zazwyczaj silniki NEMA są wykonane z zamontowaną z boku skrzynką kablową (pozycja F1) z przewodami do połączeń. Większość silników IEC ma skrzynkę przyłączeniową na godzinie 12 (F3) z listwą zaciskową do połączeń.
Silniki NEMA zwykle nie mają uszczelnienia wału, z wyjątkiem niektórych konstrukcji o dużym obciążeniu, takich jak te wykonane zgodnie z IEEE-841, w których stosuje się bezkontaktowe uszczelnienie wału obrotowego. W niektórych niestandardowych konstrukcjach na wale można zastosować uszczelnienie wargowe, aby zapobiec przedostawaniu się cieczy. Wiele silników IEC jest dostarczanych ze standardową uszczelką wargową.
Silniki NEMA często mają “otwór wyciekowy” w najniższym punkcie każdej płyty końcowej, aby umożliwić odprowadzanie skroplin. W silnikach o dużym obciążeniu otwór ten jest zamieniany na spust odpowietrzający. Praktyka ta nie jest powszechna w silnikach IEC.
W ciągu ostatnich kilku lat NEMA zaczęła przyjmować standardy IEC jako część MG 1. Poziomy ochrony przed wnikaniem (IP) dla silników i chłodzenia (IC) są przedstawione w standardzie MG 1. Niedawno zharmonizowano normy dotyczące wibracji.
Niektóre typowe konfiguracje mechaniczne stosowane w Ameryce Północnej nie są powszechne w świecie IEC. Silniki pomp (JM i JP) z przepisami dotyczącymi osiowego obciążenia wału nie są stosowane w silnikach IEC, ponieważ pompy przejmują obciążenie osiowe z wirnika zamiast z silnika.
Różnice elektryczne
Silniki NEMA są zazwyczaj projektowane z charakterystyką momentu obrotowego/prądu NEMA Design B zgodnie z częścią 12 normy MG 1. Silniki o wyższym prądzie rozruchowym mają konstrukcję A. Silniki IEC w tych rozmiarach mają konstrukcję IEC N i NE, zwykle mają nieco wyższe prądy rozruchowe niż silniki NEMA Design B. Silniki o wysokim momencie rozruchowym to NEMA Design C, podobnie jak IEC Design H i HE. Silniki o wysokim poślizgu stosowane w prasach wykrawających i pompach olejowych to NEMA Design D; nie ma odpowiednika IEC.
Silniki 3-fazowe 60 Hz stosowane w Ameryce Północnej mają zwykle napięcie 230/460 V z 9-przewodowym połączeniem 1-wyjściowym/2-wyjściowym. Silniki IEC o mocy 4 kW i większej mają połączenia typu trójkąt/trójkąt dla napięcia 230/400 V, gdzie uruchamiają się w układzie trójkąt/trójkąt, a nie bezpośrednio w poprzek linii (patrz Tabela 2).
Różnica między NEMA i IEC nie polega na kombinacjach napięcia/częstotliwości, ale na tolerancji, jaką każdy standard nakłada na te parametry. Maksymalna dopuszczalna zmiana napięcia przez NEMA wynosi ?10% przy częstotliwości znamionowej, podczas gdy maksymalna dopuszczalna zmiana częstotliwości wynosi ?5% przy napięciu znamionowym. IEC dzieli silniki na strefy robocze, w których silnik strefy A powinien być zdolny do wykonywania swojej podstawowej funkcji przy napięciu w zakresie ?5% wartości znamionowej i częstotliwości w zakresie ?2% wartości znamionowej. IEC uznaje również strefę B, która dopuszcza wahania napięcia w zakresie ?10% i wahania częstotliwości w zakresie +3%, -5%.
Większość silników NEMA ma ciągły cykl pracy. NEMA definiuje również silniki o przerywanym cyklu pracy dla niektórych zastosowań z 15-minutowymi, 30-minutowymi i 1-godzinnymi cyklami pracy. Oznacza to czas pracy silnika przy pełnym obciążeniu przed osiągnięciem maksymalnej bezpiecznej temperatury roboczej, po czym silnik musi ostygnąć do temperatury otoczenia przed ponownym uruchomieniem. Norma IEC ma bardziej rozbudowany system oceny cyklu pracy, który obejmuje również obciążenia cykliczne, ale S1 jest normalnym ciągłym cyklem pracy w większości konstrukcji silników. Norma IEC 60034-1 zawiera bardziej szczegółowe definicje tych cykli pracy wraz z ilustrującymi je wykresami.
Większość silników NEMA jest projektowana ze współczynnikiem serwisowym 1,15. W sekcji 1.42 NEMA MG 1, współczynnik serwisowy (SF) jest zdefiniowany jako “mnożnik, który po zastosowaniu do mocy znamionowej wskazuje dopuszczalne obciążenie mocy, które może być przenoszone w warunkach określonych dla współczynnika serwisowego”. Silniki IEC nie uznają współczynnika serwisowego, więc byłyby równoważne 1,0. W Stanach Zjednoczonych niektórzy producenci sprężarek stosują współczynnik serwisowy przy wymiarowaniu swoich silników. Jeśli silnik IEC jest używany w sprężarce zwymiarowanej w ten sposób, może być potrzebny silnik o wyższej mocy znamionowej.
Zarówno silniki NEMA, jak i IEC są przystosowane do standardowej temperatury otoczenia 40°C (104°F) z minimalną temperaturą -15°C (5°F). Klasy izolacji silników są takie same dla klas B, F i H. Silniki NEMA są przystosowane do wysokości 1300 stóp (1000 metrów) nad poziomem morza, tak samo jak w normach IEC.
Sprawność silnika
Sprawności silników NEMA są zdefiniowane w MG 1 i mają dwa poziomy zdefiniowane jako “Energy Efficient”, jak pokazano w tabeli 12-11 normy i “Premium Efficient”, jak w tabeli 12-12 normy. NEMA Premium jest znakiem towarowym i termin ten powinien być używany wyłącznie przez producentów, którzy są częścią programu silników premium NEMA. Norma IEC 60034-30-1 definiuje klasy sprawności silników. IEC IE2 jest odpowiednikiem sprawności energetycznej, a IE3 jest w większości odpowiednikiem sprawności premium.
Zwykłe metody testowe dla tych silników to IEEE 112-2017 Metoda B i CSA 390:10 (R2019). W przeszłości metoda testowa IEC była inna, ponieważ nie mierzyła wszystkich strat, niektóre straty były zakładane. W ciągu ostatnich kilku lat IEC 60034-2-1 Metoda B1 jest aktualną metodą testową równoważną metodom IEEE i CSA.
Od 1992 r. Departament Energii Stanów Zjednoczonych (DOE) narzucił poziomy sprawności dla silników sprzedawanych do użytku w USA. Obejmuje to również silniki importowane jako część maszyny. Obecny poziom dla silników o integralnej mocy to sprawność premium (IE3) i obejmuje zarówno konstrukcje silników NEMA, jak i IEC. Kanada podążyła za Stanami Zjednoczonymi w zakresie tych przepisów, a Meksyk reguluje silniki sprzedawane wyłącznie poprzez dystrybucję. UE wymaga silników IE3, ale obecnie dopuszcza stosowanie silników IE2 w połączeniu z napędem o regulowanej prędkości.
Podczas gdy USA i Kanada uznają silniki pomp pożarowych za oddzielną klasę silników i dopuszczają sprawność na poziomie energooszczędności tabeli NEMA 12-11 (IE2) ze względu na ich rzadkie użycie i niższy prąd rozruchowy, UE nie wprowadza takiego rozróżnienia. Silniki pomp pożarowych w UE są silnikami ogólnego przeznaczenia i muszą mieć sprawność IE3.
Uwagi końcowe
Silniki elektryczne produkowane według norm NEMA oraz IEC są podobne do siebie, jednak przyjęte praktyki ich wykorzystywania są inne. Personel kierowniczy zarządzający fabryką posiadającą silniki obydwu standardów musi zwracać uwagę na dzielące je różnice.
