Охлаждение синхронных машин

Охлаждение синхронных машин

В крупных электрических машинах применяют замкнутую систему охлаждения с использованием водорода в качестве охлаждающего газа. Особые свойства водорода обеспечивают водородному охлаждению ряд преимуществ:

1. Технический водород более чем в десять раз легче воздуха, что способствует снижению потерь на вентиляцию, а следователь¬но, повышает КПД машины. Например, в турбогенераторе мощностью 150 тыс. кВт потери на вентиляцию при воздушном охлаждении составляют 1000 кВт, а при водородном охлаждении турбогенератора такой же мощности эти потери составляют всего лишь 140 кВт, т. е. более чем в семь раз меньше.

2. Благодаря повышенной теплопроводности водорода, которая в 6 — 7 раз больше, чем у воздуха, он интенсивнее охлаждает машину. Это дает возможность при заданных габаритах изготовить машину с водородным охлаждением мощностью на 20 — 25% больше, чем при воздушном охлаждении.

3. Водородное охлаждение снижает опасность возникновения пожара в машине потому, что водород не поддерживает горения.

4. Водородное охлаждение увеличивает срок службы изоляции обмоток, так как при явлении короны благодаря отсутствию азота в машине не образуются нитраты — соединения, разъедающие органические составляющие изоляционных материалов.

Эффективность водородного охлаждения повышается с рос¬том давления водорода в машине. Но наряду с перечисленными достоинствами водородное охлаждение имеет и недостатки, сущность которых сводится к тому, что водородное охлаждение ведет к усложнению и удорожанию как самой машины, так и ее эксплуатации. Объясняется это, в первую очередь, необходимостью содержания целого комплекса устройств водородного хозяйства, обеспечивающего подпитку, очистку и поддержание требуемого давления водорода в системе охлаждения машины. Однако в машинах большой единичной мощности (турбогенераторах, гидрогенераторах, синхронных компенсаторах) водородное охлаждение оправдано и дает большой экономический эффект.

Рассмотренные способы охлаждения машин являются косвенными, так как происходят без непосредственного контакта охлаждающего вещества с наиболее нагретыми элементами машины — обмотками. Отбор теплоты от обмоток при этих способах охлаждения происходит через электрическую изоляцию (в лобовых частях) и сталь магнитопровода, что снижает эффективность процесса охлаждения. Поэтому более эффективным является непосредственное охлаждение обмоток и других нагреваемых эле¬ментов машины. Для осуществления этого способа охлаждения в проводниках обмотки и сердечниках делают внутренние каналы, по которым циркулирует охлаждающее вещество — водород, вода, масло. Непосредственный контакт охлаждающего вещества с проводниками обмоток и внутренними слоями магнитопроводов повышает интенсивность теплоотвода и позволяет существенно увеличить удельные электромагнитные нагрузки машины (плотность тока и максимальное значение магнитной индукции). Обычно непосредственное охлаждение применяют в электрических машинах весьма большой мощности — турбо- и гидрогенераторах, что позволяет значительно увеличить единичную мощность этих машин.


Синхронные машины устройство

Синхронные машины устройство

Синхронная машина состоит из неподвижной части — статора — и вращающейся части — ротора. Статоры синхронных машин в принципе не отличаются от статоров асинхронных двигателей, т. е. состоят из корпуса, сердечника и обмотки (рисунок 1).

Конструктивное исполнение статора синхронной машины может быть различным в зависимости от назначения и габаритов машины. Так, в многополюсных машинах большой мощности при наружном диаметре сердечника статора более 900 мм пластины сердечника делают из отдельных сегментов, которые при сборке образуют цилиндр сердечника статора. Корпуса статоров крупногабаритных машин делают разъемными, что необходимо для удобства транспортировки и монтажа этих машин.

Роторы синхронных машин могут иметь две принципиально различающиеся конструкции: явнополюсную и неявнополюсную.

В энергетических установках по производству электроэнергии переменного тока в качестве первичных (приводных) двигателей синхронных генераторов применяют в основном три вида двигателей: паровые турбины, гидравлические турбины либо двигатели внутреннего сгорания (дизели). Применение любого из перечисленных двигателей принципиально влияет на конструкцию синхронного генератора.

Если приводным двигателем является гидравлическая турбина, то синхронный генератор называют гидрогенератором гидравлическая турбина обычно развивает небольшую частоту вращения (60-500 об/мин), поэтому для получения переменного тока промышленной частоты (50 Гц) в гидрогенераторе применяют ротор с большим числом полюсов. Роторы гидрогенераторов имеют явнополюсную конструкцию, т. е. с явно выраженными полюсами, при которой каждый полюс выполняют в виде отдельною узла, состоящего из сердечника 1, полюсного наконечника 2 и полюсной катушки 3 (рисунок 1, а). Все полюсы ротора закреплены на ободе 4, являющемся также и ярмом магнитной системы машины, в котором замыкаются потоки полюсов.

Конструкция роторов синхронных машин

Рисунок 1. Конструкция роторов синхронных машин:
а — ротор с явно выраженными полюсами; б — ротор с неявно выраженными полюсами

Большую группу синхронных машин составляют синхронные двигатели, которые обычно изготовляются мощностью до не¬скольких тысяч киловатт и предназначены для привода мощных вентиляторов, мельниц, насосов и других устройств, не требующих регулирования частоты вращения.
Рассмотрим устройство синхронного двигателя серии СДН2 (рисунок 2). Двигатели этой серии изготовляются мощностью от 315 до 4000 кВт при частотах вращения от 300 до 1000 об/мин и предназначены для включения в сеть частотой 50 Гц при напряжении 6 кВ.

Сердечник статора 4, запрессованный в стальной корпус, состоит из пакетов-сегментов, собранных из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Для лучшего охлаждения двигателя пакеты разделены радиальными вентиляционными каналами шириной по 10 мм. Обмотка статора 12 двухслойная с укороченным шагом. Сердечники полюсов 11 ротора крепятся к остову 3 шпильками 5. Обмотка ротора состоит из полюсных катушек. Контактные кольца 8 крепятся на конце вала. На роторе имеются лопатки 6 центробежного вентилятора. Стояковые подшипники скольжения 2 и 7 установлены на подшипниковых полущитах 1 и 9. Двигатель с торцовых сторон прикрыт стальными щитами 13. В обшивке 10 корпуса имеются вентиляционные окна, прикрытые жалюзи. На боковой поверхности корпуса расположена коробка выводов 14. Возбуждение двигателей осуществляется от тиристорных преобразователей с автоматическим регулированием тока возбуждения при пуске и остановке двигателей.

Устройство синхронного двигателя

Рисунок 2 Устройство синхронного двигателя серии СДН2

На рисунке 3 показано более подробно устройство элемента синхронного двигателя, характерное для большинства конструкций. На вал 1 посажен шихтованный обод 2, на котором посредством Т-образного хвостовика крепится сердечник полюса 3, выполненный заодно с полюсным наконечником. Сердечники полюсов изготовлены из штампованных листов конструкционной стали толщиной 1,0 или 1,5 мм. Хвостовик полюса запирается в продольном пазе обода посредством клиньев 9. Возможно также крепление полюсов к ободу посредством «ласточкина хвоста» или шпилек. Стальные щеки 4, стягиваемые шпильками, предотвращают распушение пакета полюса ротора. Щеки имеют заплечики, удерживающие полюсную катушку ротора 5.

Полюс синхронного двигателя

Рисунок 3. Полюс синхронного двигателя

В пазах полюсных наконечников расположены латунные или медные стержни 6 пусковой (успокоительной) обмотки, замкнутые с двух сторон сегментами 7.

Между наружной поверхностью полюсного наконечника и внутренней поверхностью сердечника статора 8 имеется воздушный зазор. По оси полюса этот зазор δ минимален, а на краях — максимален Smax. Такая конфигурация полюсного наконечника необходима для синусоидального распределения магнитной индукции в воздушном зазоре. Она достигается тем, что поверхность полюсного наконечника имеет радиус R < (Dl — 2δ) / 2, где D1 — диаметр расточки сердечника статора.


Синхронная машина

Синхронная машина

Синхронные машины — это бесколлекторные машины переменного тока. По своему устройству они отличаются от асинхронных машин лишь конструкцией ротора, который может быть явнополюсным или неявнополюсным. Что же касается свойств, то синхронные машины отличаются синхронной частотой вращения ротора (n2 = n1 = const) при любой нагрузке, а также возможностью регулирования коэффициента мощности, устанавливая такое его значение, при котором работа синхронной машины становится наиболее экономичной. Синхронные машины обратимы и могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя.
Синхронные генераторы составляют основу электротехнического оборудования электростанций, т. е. практически вся электроэнергия вырабатывается синхронными генераторами. Единичная мощность современных синхронных генераторов достигает миллиона киловатт и более.
Синхронные двигатели применяются главным образом для привода устройств большой мощности. Такие двигатели по своим технико-экономическим показателям превосходят двигатели других типов. В крупных электроэнергетических установках синхронные машины иногда используются в качестве компенсаторов — генераторов реактивной мощности, позволяющих повысить коэффициент мощности всей установки.


Способы охлаждения электрических машин

Способы охлаждения электрических машин

По способу охлаждения электрические машины разделяют на два вида: машины с естественным охлаждением и машины с искусственным охлаждением.

Естественное охлаждение электрических машин. Эти машины не имеют вентиляторов или каких-либо других устройств, способствующих охлаждению машины. Охлаждение происходит естественным путем за счет теплопроводности и конвекции.

Теплопроводность — это передача теплоты внутри твердого тела. Например, пазовые части обмотки статора, нагреваясь, передают теплоту через слои пазовой изоляции в сердечник. Через места крепления сердечника теплота передается в корпус статора. Передача теплоты теплопроводностью происходит от более нагретых слоев твердого тела к менее нагретым.

Конвекция состоит в том, что частицы газа (воздуха), соприкасающиеся с поверхностью нагретого тела (лобовые части обмоток, сердечники, корпус), нагреваются, становятся легче и поднимаются кверху, уступая свое место менее нагретым частицам, и т.д. Так конвекция называется естественной. Во вращающейся машине имеет место еще и искусственная конвекция, обусловленная вращением ротора, который создает принудительную циркуляцию (воздуха), что усиливает эффект конвекции внутри машины.

Искусственное охлаждение электрических машин. В этих машинах применяют специальное устройство, обычно вентилятор, создающий движение в машине газа, охлаждающего нагретые части машины. Значительную группу машин с искусственным охлаждением составляют машины с самовентиляцией, у которых вентилятор закреплен на валу машины; в процессе работы он, вращаясь, создает аэродинамический напор. Самовентиляция может быть наружной и внутренней.

При наружной самовентиляции воздухом обдувается внешняя поверхность корпуса статора. Машина в этом случае имеет закрытое исполнение с ребристой поверхностью (для увеличения поверхности охлаждения).

При внутренней самовентиляции в корпусе и подшипниковых щитах машины делают специальные отверстия, через которые из окружающей машину среды проникает внутрь машины, охлаждает ее, а затем выбрасывается наружу.

Принцип внутренней самовентиляции, получивший в электрических машинах преимущественное применение, иллюстрирует рисунке 1. На валу машины закреплен центробежный вентилятор. Вращаясь вместе с валом машины, он затягивает через отверстие в правом подшипниковом щите воздух, создавая внутри машины аэродинамимический напор, под действием которого воздух прогоняется через внутреннюю полость машины. Воздух проходит через вентиляционные каналы, зазор и межполюсное пространство (при явнополюсной конструкции машины). При этом он «омывает» и нагретые части машины и отбирает теплоту от нагретых частей и нагретым выходит через специальные отверстия (жалюзи) в левом подшипниковом щите, со стороны, противоположной вентилятору.

Принцип внутренней самовентиляции электрической машины

Рисунок 1. Принцип внутренней самовентиляции электрической машины

Для более эффективного охлаждения в магнитопроводе некоторых электрических машин делают вентиляционные каналы, через которые проходит охлаждающий газ. Вентиляционные каналы называют аксиальными, если они расположены параллельно оси ротора, и радиальными, если они расположены перпендикулярно этой оси (рисунок 2). Вентиляцию, при которой охлаждающий газ перемещается вдоль оси машины, называют аксиальной (рисунок 2, а), если же газ перемещается перпендикулярно оси машины по радиальным каналам, то вентиляцию называют радиальной (рисунок 2, б)

Радиальные вентиляционные каналы получаются делением общей длины сердечника на пакеты по 40 — 60 мм. Между пакета¬ми оставляют промежутки по 10 мм, которые и являются радиальными каналами. Иногда в машинах применяют радиально-аксиальную вентиляцию. В двигателях с регулировкой частоты вращения вниз от номинальной при малой частоте вращения само¬вентиляция становится малоэффективной. Это ведет к чрезмерно¬му перегреву машины. Поэтому в таких двигателях целесообразно применение независимой вентиляции (рисунок 3), когда вентилятор имеет собственный привод (частота вращения последнего не зависит от режима работы машины).

Аксиальная и радиальная системы вентиляции

Рисунок 2. Аксиальная (а) и радиальная (б) системы вентиляции:
1 — статор; 2 — ротор

Независимую вентиляцию применяют также для охлаждения электрических машин, работающих во взрывоопасной или химически активной среде. В этом случае вентилятор 4 (рисунок 3, а) через трубопровод 3 нагнетает воздух в машину 1 и по трубе 2 выбрасывает его наружу. Такая система независимой вентиляции называется разомкну¬той в отличие от замкнутой системы (рисунок 3, б), когда один и тот же объем газа циркулирует в замкнутой системе, состоящей из двигателя (объект охлаждения) 1, независимого вентилятора 2, трубопровода 1 и 5 и охладителя 4, в котором охлаждается нагретый в машине газ.

Все способы охлаждения электрических машин принято обозначать буквами IC, являющимися начальными буквами английских слов International Cooling, остальные буквы и цифры обозначают способ охлаждения машины. Сначала указывается буква, обозначающая вид хладагента: А — воздух, Н — водород, V — вода и т. д. Если хладагентом является только воздух, то буква опускается.
Затем идет несколько цифр: первая цифра условно обозначает устройство цепи охлаждения для циркуляции хладагента, например, воздуха, вторая — способ перемещения хладагента. Если машина имеет несколько цепей охлаждения (например, внутренняя вентиляция и наружный обдув), то в обозначении может быть четыре цифры: две — для обозначения наружной цепи охлаждения и две — для внутренней.

Примеры обозначения наиболее распространенных способов охлаждения электрических машин:
IC01 — машина с внутренней самовентиляцией; вентилятор расположен на машины.
IC03 — машина, охлаждаемая пристроенным вентилятором с собственным нагнетателем, расположенным на корпусе охлаждаемой машины.
IC37 — закрытая машина с подводящей и отводящей трубами; машина охлаждается вентилятором с приводным двигателем, установленным вне охлаждаемой машины.
IC0041 — закрытая машина с естественным охлаждением.
IC0141 — закрытая машина, обдуваемая наружным вентилятором, расположенным на валу машины.

Разомкнутая и замкнутая независимые системы вентиляции

Рисунок 3. Разомкнутая (а) и замкнутая (б) независимые системы вентиляции


Трехфазный асинхронный двигатель от однофазной сети

Трехфазный асинхронный двигатель от однофазной сети

Трехфазный асинхронный двигатель может быть использован для работы от однофазной сети. В этом случае такой двигатель включают как конденсаторный по одной из схем рисунок 1.

Значение рабочей емкости Сраб (мкФ) при частоте переменно¬го тока 50 Гц можно ориентировочно определить по одной из формул: для схемы, изображенной:

на рисунке 1 а), Cpa6 ≈ 2700 I1/ Uc;
на рисунке 1 б), Cpa6 ≈ 2800 I1/ Uc;
на рисунке 1 в), Cpa6 ≈ 4800 I1/ Uc;

где I1 — номинальный (фазный) ток в обмотке статора, А;
Uс — напряжение однофазной сети, В.

При подборе рабочей емкости необходимо следить за тем, чтобы ток в фазных обмотках статора при установившемся режиме работы не превышал номинального значения.

Схемы соединения обмотки статора трехфазного асинхронного двигателя при включении его в однофазную сеть

Рисунок 1. Схемы соединения обмотки статора трехфазного асинхронного двигателя при включении его в однофазную сеть

Если пуск двигателя происходит при значительной нагрузке на валу, то параллельно рабочей емкости Сраб следует включить пусковую емкость:

Сп = (2,5÷З,0)Сра6

В этом случае пусковой момент становится равным номинальному. При необходимости дальнейшего увеличения пускового момента следует принять еще большее значение пусковой емкости (Сп ≤ 8Сра6).
Большое значение для надежной работы асинхронного двигателя в качестве конденсаторного имеет правильный выбор конденсатора по напряжению.

Следует иметь в виду, что габариты и стоимость конденсаторов определяются не только их емкостью, но и рабочим напряжением. Поэтому выбор конденсатора с большим «запасом» по напряжению ведет к неоправданному увеличению габаритов и стоимости установки, а включение конденсаторов на напряжение, превышающее допустимое рабочее напряжение, приводит к преждевременному выходу из строя конденсаторов, а следовательно, и всей установки.

При определении напряжения на конденсаторе при включении двигателя по одной из рассмотренных схем необходимо иметь в виду следующее: при включении двигателя по схеме рисунок 1, а) напряжение на конденсаторе равно Uк ≈ 1,3 UС, а при включении двигателя по схемам рисунок 1, б) и в это напряжение равно Uк ≈ 1,15 Uc.

Пример 1. Определить значение рабочей емкости Сраб, необходимой для работы трехфазного асинхронного двигателя типа АВ052-4 от однофазной сети напряжением: Uc = 220 В.
Номинальные данные двигателя: Рном = 80 Вт, напряжение 220 / 380 В, ток сети I1ном = 0,56/0,32 А.

Решение. Напряжение сети 220 В соответствует соединению обмотки статора в треугольник, поэтому принимаем схему включения двигателя в однофазную сеть по рисунок 1, в).

Номинальный (фазный) ток статора I1 = 0,32 А.
Рабочая емкость: Срa6 = 4800 • 0,32/220 = 6,98 мкФ.

При этом рабочее напряжение конденсатора Uк ≈ 1,15 • 220 = 250 В.

Принимаем в качестве Сраб батарею из двух параллельно соединенных конденсаторов типа КБГ—МН емкостью по 4 мкФ каждый (емкость батареи 8 мкФ) на рабочее напряжение 600 В.

 

При использовании трехфазного двигателя в однофазном конденсаторном режиме его полезная мощность обычно не превышает 70–80 % номинальной мощности, а при однофазном режиме без рабочей емкости полезная мощность двигателя не превышает 60 % его номинальной мощности.


Конструктивные формы исполнения электрических машин

Конструктивные формы исполнения электрических машин

Свойства электрических машин определяются не только их электромеханическими параметрами и формой характеристик. Прежде всего, электрическая машина должна быть безопасной в эксплуатации для обслуживающего персонала, удобной при монтаже, успешно противостоять воздействиям внешних факторов. Перечисленные требования учитываются конструктивными формами исполнения электрических машин, которые определяются степенью защиты, способами охлаждения и монтажа, климатическими условиями и местом эксплуатации.

Степень защиты электрических машин обозначается двумя буквами IP — начальные буквы слов International Protection и двумя цифрами.
Первая цифра обозначает степень защиты персонала от со-прикосновения с токоведущими и вращающимися частями и от попадания внутрь машины твердых тел.

Вторая цифра обозначает степень защиты от попадания внутрь машины воды. Для машин напряжением до 1000 В установлено шесть степеней защиты, обозначаемых следующим образом:
0 — защита отсутствует;
1 — зашита от случайного соприкосновения большого участка человеческого тела с токоведущими и вращающимися частями; отсутствует защита от пред¬намеренного соприкосновения; имеется защита от попадания внутрь твердых тел диаметром не менее 52,5 мм;
2 — защита от соприкосновения пальцев человека с токоведущими и вращающимися частями и зашита от попадания внутрь машины твердых тел диаметром не менее 12,5 мм;
3 — защита от соприкосновения с токоведущими и вращающимися частями инструмента, проволоки и других предметов, толщина которых превышает 2,5 мм; защита от попадания внутрь машины твердых тел диаметром не менее 2,5 мм;
4 — защита от соприкосновения с токоведущими и вращающимися частями предметов толщиной более 1 мм и защита от попадания внутрь машины твердых тел толщиной не менее I мм;
5 — полная защита от соприкосновения с токоведущими и вращающимися частями и полная защита от вредных отложений пыли внутри машины.

Существует девять степеней защиты от проникания воды внутрь машины:
0 — защита отсутствует;
1 — защита от капель сконденсировавшейся воды, падающих вертикально;
2 — защита от капель воды, падающих под углом не более 15° к вертикали.
3 — защита от дождя, падающего под углом не более 60° к вертикали;
4 — защита от брызг воды любого направления;
5 — защита от водяных струй в любом направлении;
6 — защита от воздействий, характерных для палубы корабля, включая захлестывание морской волной;
7 — защита при погружении в воду в течение времени и давлении, указанных в стандарте;
8 — зашита при погружении в воду на неограниченное время при давлении указанном в стандарте.

Возможные степени защиты двигателей на напряжение до 1000 В приведены в таблица 1

Таблица 1

Степени защиты двигателей на напряжение до 1000 В

Конструктивные формы исполнения по степени защиты увязаны со способами охлаждения (таблица 2). За высоту оси вращения машины принимается расстояние от оси вращения вала до опорной плоскости лап (рисунок 1).

Таблица 2

Конструктивные формы исполнения по степени защиты

 

Высота оси вращения электрической машины

Рисунок 1. Высота оси вращения электрической машины

Монтаж электрических машин в местах их установки осуществляется обычно на лапах или посредством фланцев. При этом возможно горизонтальное или вертикальное расположение оси вала машины.

Разновидности конструктивного исполнения машин по способу монтажа определены стандартом. При этом имеется в виду крепление двигателя на месте его установки и способ сочленения с рабочим механизмом. Условное обозначение этого исполнения состоит из букв IM (начальные буквы слов International Mounting) и четырех цифр.

Первая цифра — конструктивное исполнение:
1 — на лапах с подшипниковыми щитами;
2 — на лапах с подшипниковыми щитами, с фланцем на одном или двух щитах;
3 — без лап с подшипниковыми щитами, с фланцем на одном или двух щитах;
4 — без лап с подшипниковыми щитами, с фланцем на станине;
5 — без подшипниковых щитов;
6 — на лапах с подшипниковыми щитами с со стояковыми подшипниками;
7 — на лапах со стояковыми подшипниками (безподшипниковых щитов);
8 — с вертикальным валом, кроме позиций 1, 2, 3 и 4 данного перечня;
9 — специальное исполнение по способу монтажа.

Вторая и третья цифры — способы монтажа (пространственное положение машины и направление выступающего конца вала).

Четвертая цифра — исполнение конца вала (цилиндрический или конический, один или два выступающих конца вала).

Примеры наиболее распространенных видов исполнения машин по способу монтажа приведены в таблице 3.

На надежность эксплуатации электрических машин значительное влияние оказывают климатические условия внешней среды, к которым относятся: температура и диапазон ее колебаний, относительная влажность, атмосферное давление, солнечная радиация, дождь, ветер, пыль, соляной туман, иней, действие плесневых грибов, содержание в окружающей среде коррозионно-активных материалов.

Климатическое исполнение двигателей обозначается буквами:
— двигатели, предназначенные для эксплуатации на суше, реках, озерах в макроклиматических районах:
— с умеренным климатом………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..У
— с холодным климатом………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….ХЛ
— с влажным тропическим климатом……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….ТВ
— с сухим тропическим климатом……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………ТС
— как с сухим, так и с влажным тропическим климатом…………………………………………………………………………………………………………………………….Т
— для всех микроклиматических районов на суше (общеклиматическое исполнение)………………………………………………………………………………..О
— для всех микроклиматических районов на суше и на море…………………………………………………………………………………………………………………….В

Таблица 3

Исполнения машин по способу монтажа

Стандартом также устанавливается исполнение электрических машин в зависимости от места размещения их при эксплуатации; обозначается цифрой:
1 — на открытом воздухе;
2 — на открытом воздухе или в помещениях, где колебания температуры и влажности несущественно отличаются от этих параметров на открытом воздухе (отсутствуют солнечная радиация и атмосферные осадки);
3 — в закрытых помещениях с естественной вентиляцией без искусственно регулируемых климатических условий;
4 — в помещениях с искусственно регулируемыми климатическими условиями;
5 — в помещениях с повышенной влажностью.

Пример обозначения типоразмера электрической машины: 4А112М4УЗ — трехфазный асинхронный двигатель серии 4А (основное исполнение), степень защиты IP44, охлаждение IC0141, высота оси вращения 112 мм, условная длина статора М, число полю¬сов 4 ( синхронная частота вращения 1500 об/мин), климатические условия (У) — умеренный климат, место размещения при эксплуатации (3) — в закрытом помещении с естественной вентиляцией.

Для особых условий эксплуатации разработаны специальные серии двигателей.

Взрывозащищенные двигатели предназначены для работы во взрывоопасных и пожароопасных средах. Эти двигатели имеют особо прочную оболочку, исключающую возможность воспламенения окружающей двигатель пожароопасной и взрывоопасной среды при возникновении возгорания или взрыва внутри двигателя вследствие его эксплуатации. Такие двигатели применяются на предприятиях химической промышленности, газо — и нефтеразработках и т.п.

Погружные двигатели имеют непроницаемую оболочку и предназначенные для работы в условиях их погружения в жид¬кость. Такие двигатели предназначены для работы в скважинах, заполненных водой, в шахтных забоях и т.п.


Пуск двигателя через понижающий автотрансформатор

Пуск двигателя через понижающий автотрансформатор

При пуске двигателя через понижающий автотрансформатор (рисунок 3) вначале замыкают рубильник 1, соединяющий обмотки автотрансформатора звездой, а затем включают рубильник 2 и двигатель оказывается подключенным на пониженное напряжение U/1.

Автотрансформаторный способ пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором

Рисунок 3. Схема автотранс­форматорного способа пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором

 

При этом пусковой ток двигателя, измеренный на выходе автотрансформатора, уменьшается в Ка раз, где Ка — коэффициент трансформации автотрансформатора. Что же касается тока в питающей двигатель сети, т. е. тока на входе автотрансформатора, то он уменьшается в К^2а раз по сравнению с пусковым током при непосредственном включении двигателя в сеть. Дело в том, что в понижающем автотрансформаторе первичный ток меньше вторичного в КА раз и поэтому уменьшение пускового тока при автотрансформаторном пуске составляет КаКа = К^2а раз. Например, если кратность пускового тока асинхронного двигателя при непосредственном его включении в сеть составляет Iп / I1ном = 6 , а напряжение сети 380 В, то при автотрансформатор¬ном пуске с понижением напряжения до 220 В кратность пускового тока в сети I/п/ I1ном = 6/ (380/220)^2 = 2 .

После первоначального разгона ротора двигателя рубильник 1 размыкают и автотрансформатор превращается в реактор. При этом напряжение на выводах обмотки статора несколько повышается, но все же остается меньше номинального. Включением рубильника 3 на двигатель подается полное напряжение сети. Таким образом, автотрансформаторный пуск проходит тремя ступенями: на первой ступени к двигателю подводится напряжение U1 = (0,50÷0,60)U1ном, на второй — U1 = (0,70÷0,80)U1ном и, наконец, на третьей ступени к двигателю подводится номинальное напряжение U1ном.

Автотрансформаторный способ пуска сопровождается уменьшением пускового момента, так как значение последнего прямо пропорционально квадрату напряжения. С точки зрения уменьшения пускового тока автотрансформаторный способ пуска лучше реакторного, так как при реакторном пуске пусковой ток в питающей сети уменьшается в U/1/ U1ном раз, а при автотрансформаторном — в (U/1/ U1ном)^2 раз. Но некоторая сложность пусковой операции и повышенная стоимость пусковой аппаратуры (понижающий автотрансформатор и переключающая аппаратура) несколько ограничивают применение этого способа пуска асинхронных двигателей.


Понижение подводимого к двигателю напряжения посредством реакторов

Понижение подводимого к двигателю напряжения посредством реакторов

Более универсальным является способ с понижением подводимого к двигателю напряжения посредством реакторов (реактивных катушек — дросселей). Порядок включения двигателя в этом случае следующий (рисунок 2). При разомкнутом рубильнике 2 включают рубильник 7. При этом ток из сети поступает в обмотку статора через реакторы Р, на которых происходит падение напряжения. В результате на обмотку ста-тора подается пониженное напряжение.
После разгона ро¬тора двигателя включают рубильник 2 и подводимое к обмотке статора напряжение оказывается номинальным.
Недостаток это¬го способа пуска состоит в том, что уменьшение напряжения сопровождается уменьшением пускового момента.

Реакторный способ пуска асинхронных двигателей

Рисунок 2. Схема реакторного способа пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором


Прямой пуск асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Прямой пуск асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Пуск непосредственным включением в сеть. Этот способ пуска, отличаясь простотой, имеет существенный не¬достаток: в момент подключения двигателя к сети в обмотке ста¬тора возникает большой пусковой ток, в 5-7 раз превышающий номинальный ток двигателя. При небольшой инерционности исполнительного механизма частота вращения двигателя быстро достигает установившегося значения и пусковой ток также быстро спадает, не вызывая перегрева обмотки статора. Но такой значительный бросок тока в питающей сети может вызвать в ней заметное падение напряжения. Однако этот способ пуска благодаря своей простоте получил наибольшее применение для двигателей мощностью до 38-50 кВт и более (при достаточном сечении жил токоподводящего кабеля).

Непосредственный способ включения в сеть асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Рисунок 1. Схема непосредственного включения в сеть (а) и графики изменения тока и момента при пуске (б) асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

При необходимости уменьшения пускового тока двигателя применяют какой-либо из способов пуска короткозамкнутых двигателей при пониженном напряжении.

Переключение двигателя со звезды на треугольник

Переключение двигателя со звезды на треугольник

В соответствии с формулой 1 пусковой ток двигателя пропорционален подведенному напряжению U1, уменьшение которого вызывает соответствующее уменьшение пускового тока. Существует несколько способов понижения подводимого к двигателю напряжения. Рассмотрим некоторые из них.

Пусковой ток асинхронного двигателяДля асинхронных двигателей, работающих при соединении обмоток статора треугольником, можно применить пуск переключением обмотки статора со звезды на треугольник (рисунок 1, а). В момент подключения двигателя к сети переключатель ставят в положение «звезда», при котором обмотка статора оказывается соединенной в звезду. При этом фазное напряжение на статоре понижается в раз. Во столько же раз уменьшается и ток в фазных обмотках двигателя (рисунок 2, б). Кроме того, при соединении обмоток звездой линейный ток равен фазному, в то время как при соединении этих же обмоток треугольником линейный ток больше фазного в раз. Следовательно, переключив обмотки статора звездой, мы добиваемся уменьшения линейного тока в 3 раза.

Автотрансформаторный способ пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором

Рисунок 1. Схема включения (а) и графики изменения момента и тока (фазного) при пуске (б) асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором переключением обмотки статора со звезды на треугольник

После того как ротор двигателя разгонится до частоты вращения, близкой к установившейся, переключатель быстро переводят в положение «треугольник» и фазные обмотки двигателя оказываются под номинальным напряжением. Возникший при этом бросок тока является незначительным.
Рассмотренный способ пуска имеет существенный недостаток — уменьшение фазного напряжения в √3 раз сопровождается уменьшением пускового момента в три раза. Такое значительное уменьшение пускового момента не позволяет применять этот способ пуска для двигателей, включаемых в сеть при значительной нагрузке на валу.
Описанный способ понижения напряжения при пуске приме¬ним лишь для двигателей, работающих при соединении обмотки статора треугольником.

Пуск двигателей с фазным ротором

Пуск двигателей с фазным ротором



На рисунке 1, а) показана схема включения пускового реостата в цепь фазного ро-тора. В процессе пуска двигателя ступени пускового реостата переключают таким образом, чтобы ток ротора оставался приблизительно неизменным, а среднее значение пускового момента было близко к наибольшему. На рисунке 2, б) представлен график изменения пускового момента асинхронного двигателя при четырех ступенях пускового реостата. Так, в начальный момент пуска (первая ступень реостата) пусковой момент равен Мп.maх. По мере разгона двигателя его момент уменьшается по кривой 1. Как только значение момента уменьшится до значения Мп.min рычаг реостата переводят на вторую ступень и сопротивление реостата уменьшается.

Схема включения пускового реостата

Рисунок 1. Схема включения пускового реостата (а) и построение графика пускового момента (б) асинхронного двигателя с фазным ротором

 

Теперь зависимость М = f(s) выражается кривой 2 и пусковой момент двигателя вновь достигает Мп.mах. Затем пусковой реостат переключают на третью и на четвертую ступени (кривые 3 и 4). После того как электромагнитный момент двигателя уменьшится до значения, равного значению противодействующего момента на валу двигателя, частота вращения ротора достигнет установившегося значения и процесс пуска двигателя будет закончен. Таким образом, в течение всего процесса пуска значение пускового момента остается приблизительно постоянным, равным Мп.ср.

Следует иметь в виду, что при слишком быстром переключении ступеней реостата пусковой ток может достигнуть недопустимо больших значений.

Пусковые реостаты состоят из кожуха, рычага с переключающим устройством и сопротивлений, выполненных из металлической проволоки или ленты, намотанной в виде спирали, или же из чугунного литья. Пусковые реостаты рассчитаны на кратковременное протекание тока, а поэтому рычаг пускового реостата нельзя долго задерживать на промежуточных ступенях, так как сопротивления реостата могут перегореть. По окончании процесса пуска, когда рычаг реостата находится на последней ступени, обмотка ротора замкнута накоротко.
В асинхронных двигателях с фазным ротором обеспечивается наиболее благоприятное соотношение между пусковым моментом и пусковым током: большой пусковой момент при небольшом пусковом токе (в 2-3 раза больше номинального).
Недостатками пусковых свойств двигателей с фазным ротором являются некоторая сложность, продолжительность и неэкономичность пусковой операции. Последнее вызывается необходимостью применения в схеме двигателя пускового реостата и непроизводительным расходом электроэнергии при его нагреве.


Однофазный конденсаторный двигатель

Асинхронные конденсаторные двигатели



Статор асинхронного конденсаторного двигателя имеет в своей конструкции две обмотки с равным количеством пазов и сдвинутых относительно друг друга на 90 градусов. Одну из обмоток является главной и включается непосредственно в однофазную сеть, а вторая обмотка является в данном случае вспомогательной и включают в эту же сеть через рабочий конденсатор Сраб (рис. 1, а).

Однофазный конденсаторный двигатель

Рисунок 1. Конденсаторный двигатель:
а — с рабочей емкостью, б — с рабочей и пусковой емкостями, в — механические характеристики; 1 — при рабочей емкости, 2 — при рабочей и пусковой емкостях

Отличительной особенность от однофазного асинхронного двигателя является то, что в асинхронном конденсаторном двигателе вспомогательная обмотка после пуска не отключается и остается включенной в течение всего периода работы. Ёмкость Сраб при этом создает фазовый сдвиг между токами Iа и Ib.

Асинхронные конденсаторные двигатели обладая достаточно высокими коэффициентом полезного действия и коэффициентом мощности (соs φ = 0,80 ÷ 0,95) имеют неудовлетворительные пусковые свойства, так как емкость Сраб обеспечивает круговое поле лишь при расчетной нагрузке, а при пуске двигателя поле статора эллиптическое. Пусковой момент при этом не превышает 0,5 Нм.

Для увеличения пускового момента параллельно емкости Сраб включают дополнительную емкость Спуск — пусковой конденсатор (рис.1, б).

По окончании пуска емкость Спуск следует отключать, так как при небольших скольжениях в цепи обмотки статора, содержащей емкость С и индуктивность L, возможен резонанс напряжений, из-за чего напряжение на обмотке и на конденсаторе может в два-три раза превысить напряжение сети.

Однофазный конденсаторный двигатель

Рисунок 2. Схемы включения двухфазного двигателя в трехфазную сеть

Конденсаторные двигатели иногда называют двухфазными, так как об-мотка статора этого двигателя содержит две фазы. Двухфазные двигатели могут работать и без конденсатора или другого ФЭ, если к фа¬зам обмотки статора подвести двухфазную систему напряжений (два напряжения, одинаковые по значению и частоте, но сдвинутые по фазе относительно друг друга на 90°).

Для получения двухфазной системы напряжений можно воспользоваться трехфазной линией с нулевым проводом, включив обмотки статора так, как показано на рис. 2, а: одну обмотку — на линейное напряжение UAB, а другую — на фазное напряжение Uc через автотрансформатор AT (для выравнивания значения напряжений на фазных об¬мотках двигателя).

Возможно включение двигателя и без нулевого провода (рис. 2, б), но в этом случае напряжения на обмотках двигателя будут сдвинуты по фазе на 120°, что приведет к некоторому ухудшению рабочих свойств двигателя.


Асинхронный трехфазный двигатель

Асинхронный двигатель состоит из двух основных частей, разделенных воздушным зазором: неподвижной части статора и вращающейся части ротора. Эти части имеют сердечник и обмотку.



Ввиду того, что обмотка статора включается в сеть, она является первичной, обмотка ротора — вторичной. Энергия в обмотку ротора поступает из обмотки статора за счет магнитной связи.

Конструктивно асинхронные двигатели делятся на два вида:
— двигатели с короткозамкнутым ротором;
— двигатели с фазным ротором.

Устройство трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Электродвигатель асинхронный трехфазный - устройство и принцип работы

Рисунок 1. Устройство трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором: 1 — вал; 2, 6 — подшипники; 3, 7 — подшипниковые щиты; 4 — коробка выводов; 5 — вентилятор; 8 — кожух вентилятора; 9 — сердечник ротора с короткозамкнутой обмоткой; 10 — сердечник статора с обмоткой; 11 — корпус; 12 — лапы

Статор состоит из корпуса 11 и сердечника 10 с трехфазной обмоткой.
Корпус двигателя изготавливается методом отлива из алюминиевого сплава или из чугуна. Двигатель изображенный на рисунке 1 имеет закрытое обдуваемое исполнение. Это можно определить по наличию на корпусе ряда продольных ребер, основным назначением которых является увеличение поверхности охлаждения двигателя.

В корпусе двигателя располагается сердечник статора 10. Он выполнен отштампованными листами из тонколистовой электротехнической стали толщиной обычно 0,5 мм покрытых слоем изоляционного лака. Листы собраны в пакет и скреплены специальными скобами или продольными сварными швами по наружной поверхности пакета.

Данная конструкция сердечника способствует значительному уменьшению вихревых токов, возникающих в процессе перемагничивания сердечника вращающимся магнитным полем. На внутренней поверхности сердечника статора в продольных пазах расположены пазовые части обмотки статора соединенные в определенном порядке лобовыми частями, находящимися за пределами сердечника по его торцовым сторонам.
Ротор состоит из вала 1 и сердечника 9 с короткозамкнутой обмоткой.
Короткозамкнутая обмотка называется «беличье колесо». Беличья клетка представляет собой ряд металлических стержней (выполненных из алюминия или меди). Она располагаются в пазах сердечника ротора и замкнуты с двух сторон короткозамыкающими кольцами.

Электродвигатель асинхронный трехфазный - устройство и принцип работы



Рисунок 2. Короткозамкнутый ротор: а — обмотка «беличья клетка», б — ротор с обмоткой, выполненной методом литья под давлением; 1 — вал; 2 — короткозамыкающие кольца; 3 — вентиляционные лопатки.

Сердечник ротора имеет шихтованную конструкцию.

Короткозамкнутая обмотка ротора выполняется заливкой собранного сердечника ротора алюминиевым сплавом. Совместно со стержнями обмотки отливаются короткозамыкающие кольца и вентиляционные лопатки (рисунок 2).

Вращение вала ротора осуществляется в подшипниках качения 2 и 6. Подшипники качения располагаются в подшипниковых щитах 3 и 7.
Охлаждение двигателя выполняется методом обдува поверхности корпуса. Поток воздуха нагнетается центробежным вентилятором 5, закрытого кожухом 8.
На обратной стороне кожуха располагаются отверстия для забора воздуха.

Концы обмоток фаз выводят на зажимы коробки выводов 4.

Электродвигатель асинхронный трехфазный - устройство и принцип работы

Рисунок 3. Расположение выводов об¬мотки статора (а) и положение перемычек при соединении обмотки статора звездой и треугольником (б)

Асинхронные двигатели предназначены для работы в трехфазной сети и могут работать на двух разных напряжениях, отличающиеся в √3 раз.
Выводы обмоток фаз в коробке выводов располагают таким образом, чтобы соединения обмоток фаз было удобно выполнять посредством перемычек, без перекрещивания. Крепление двигателя к поверхности осуществляется посредством лап 12
В качестве защиты персонала от поражения электрическим током на двигателях предусмотрены болты заземления (как правило, менее двух).
Принципиальная схема включения в трехфазную сеть асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором показана на рисунке 4.



Электродвигатель асинхронный трехфазный - устройство и принцип работы

Рисунок 4. Принципиальные схемы включения трехфазных асинхронных двигателей с
короткозамкнутым (а) и фазным (б) ротором

 

Трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором.

Электродвигатель асинхронный трехфазный - устройство и принцип работы

Рисунок 5. Устройство трехфазного асинхронного двигателя с фазным ротором: 1, 7 — подшипники, 2,6 — подшипниковые щиты, 3 — корпус, 4 — сердечник статора с обмоткой, 5 — сердечник ротора, 8 — вал, 9 — коробка выводов, 10 — лапы, 11 — контактные кольца.

Статор этого двигателя также состоит из корпуса 3 и сердечника 4 с трехфазной обмоткой. Подшипниковые щиты 2 и 6 с подшипниками качения 1 и 7. Лапы для крепления 10. Коробка выводов 9.

Ротор асинхронного двигателя с фазным ротором имеет более сложную конструкцию. На валу 8 закреплен шихтованный сердечник 5 с трехфазной обмоткой, выполненной аналогично об¬мотке статора. Обмотку ротора соединяют звездой и ее выводы при¬соединяются к контактным кольцам 11, расположенным на валу. Контактные кольца изолированным друг от друга и от вала. Для осуществления электрического контакта с обмоткой вращающегося ротора на каждое контактное кольцо 1 накладывают щетки 2, располагаемых в щеткодержателях 3. Каждый щеткодержатель снабжен пружинами, обеспечивающими прижатие щеток к контактному кольцу с определенным усилием.
Асинхронные двигатели с фазным ротором имеют более сложную конструкцию и менее надежны, но они обладают лучшими регулировочными и пусковыми свойствами, чем двигатели с короткозамкнутым ротором. Принципиальная схема включения в трехфазную сеть асинхронного двигателя с фазным ротором показана на рисунке 4 б. Обмотка ротора асинхронного двигателя с фазным ротором соединена с пусковым реостатом ПР, который создает в цепи ротора добавочное сопротивление Rдоб.