Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

Ульяновский государственный технический университет

А. М. Крицштейн

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

Учебное пособие

для студентов, обучающихся по специальностям 120400, 120100

(дисципл ина «Электротехника и электроника»)

Ульяновск 2005 УДК 621.3 (075) ББК 31.21я7 К 82 Рецензенты: кафедра аэронавигации А и РЭО Ульяновского высшего авиационного училища; профессор Ульянов ского госу дар ств енного у нив ер ситета Семушин И. В.

Утверждено редакционно-издательским университета в качестве учебного пособия.

Крицштейн, А. М.

К 82 Электр ические машины: учебное пособие / А. М. Крицштейн. - Ульяновск: УлГТУ, 2005. - 83 с.

ISBN 5-89146-674- Пособие предназ начено для студентов машиностроительного факультета спец. 120400 и 120100. Включает материал по сл едующим разделам курса «Электротехник а и эл ектроник а»: электрические машины постоянного тока, электрические маш ины переменного тока.

Подготовлено на кафедре "Электропривод и автоматизация промышленных установок".

УДК 621.3 (075) ББК 31.21я © А. М. Крицштейн, © Оформление. УлГТУ, ISBN 5-89146-674-

ОГЛАВЛЕНИЕ

М ЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ

И ОФОРМЛЕНИЮ КОНТРОЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ

1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

1.1. Устройство принцип действия

1.2. Электротехнические материалы

1.3. Исполнение электрических машин

2. АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

2.1. Задание

2.2. Решить задачи

2.3. М етодические указания

2.3.1. Конструкции асинхронных двигателей серии 4А...... 2.3.2. Основные положения

2.3.3. Схема замещения асинхронной машины. Приведение параметров и переменных вращающегося ротора........ 2.3.4. Потери энергии и КПД асинхронных двигателей...... 2.3.5. Электромагнитный момент асинхронной машины.. 2.3.6. Пуск асинхронных двигателей.......

2.3.7. Торможение асинхронных двигателей

3. МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА............

3.1. Задание

3.2. Задача

3.3. М етодические указания

3.3.1. Конструкция двигателей постоянного тока серии 2П

3.3.2. Основные положения

3.3.3. Пуск электродвигателей постоянного тока................ 3.3.4. Торможение электродвигателей постоянного тока.. 4. ВОПРОСЫ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ

И ОФОРМЛЕНИЮ КОНТРОЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ

Одним из основных видов занятий по курсу «Электротехника и электроника» разделу «Электрические машины» является выполнение контрольных заданий. При изучении курса студенты приобретают необходимые знания о конструкциях электрических машин, физических процессах в них протекающих, основных методах расчетов параметров и режимов машин.

К представленным на рецензию контрольным задания м предъявляются следующие требования.

1. На первой странице должно быть изложено задание, указан вариант задачи и все заданные величины.

2. Основ ные положения решения должны быть достаточно подробно пояснены.

3. Рисунки, графики, схемы, в том числе и заданные условием задачи, должны быть выполнены аккуратно и в удобном для чтения масштабе.

4. В пояснительной записке следует оставлять поля шириной не менее 4 см для замечаний рецензента.

5. Расчет каждой исходной в еличины следует в ыполнить сначала в общем виде, а затем в полученную формулу подставить числовые значения в том же порядке и привести окончательный результат с указанием единиц из мерения.

6. Конечные результаты расчетов должны быть выделены из общег о текста.

7. Каждому этапу решения з адачи нужно давать необходимые пояснения.

8. При построении кривых выбирать такой масштаб, чтобы на 1 см оси координат приходилось 1*10n или 2*10n единиц из мерения физ ической в еличины, где n - целое число. Градуировку осей выполнять, начиная с нуля, равномерно через один или через два сантиметра. Числовые значения координат точек, по которым строятся кривые, не приводить. Весь график в целом и отдельные кривые на нем должны иметь названия.

9. Ответы на контрольные вопросы должны быть я сными и короткими, при необходимости нужно приводить схемы, графики и т. д. Н е допускается переписыв ание текста из учебников.

Для ответов может быть использована любая известная студенту литература, в том числе специальная. Ссылка на литературу обязательна.

10. Вычисления должны быть сделаны с точностью до третьей- четвертой значащей цифры.

11. Выполненные контрольные задания должны быть датированы и подписаны студентом.

12. Исправление ошибок в рецензированном тексте не допускается. Если неправ ильно в ыполнена не вся работа, а только часть ее, то переработанный и исправленный текст следует записать в тетради после первоначального текста под з аголовком «Исправление ошибок».

Контрольное задание засчитывается, если решения не содержат ошибок принципиального характера, а задание в целом отвечает всем вышеперечисленным требованиям.

1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

1.1. Устройство и принцип действия Конструктивная схема. Электрические машины имеют дв е основные части: неподвижный статор 1 и вращающийся ротор 2, разделенные зазором 5 (рис. 1.1). На статоре и роторе размещаются стальные сердечники, которые служат для проведения магнитного потока. Для уменьшения потерь на вихревые токи при переменном магнитном поле сердечники набираются из изолированных друг от друга листов электротехнической стали толщиной 0,5 или 0,35 мм. На внутренней окружности листов сердечника статора (рис. 1.2) или на наружной окружности листов сердечника ротора штампуются пазы 3 и 4, в которых з атем укладываются обмотки, служащие для проведения электрического тока. Обычно обмотки выполняются из меди, алюминия или их сплавов.

Рис. 1.1. Конструктивная схема Рис. 1.2. Пакеты сердечников асинэлектрической машины: хронного дв игателя: 1 -cердечник I - статор ; 2 - ротор; 3 - под- статора; 2 - сердечник ротора; 3шипники; 4 - в ал; 5 - в оздуш- пазы, в которых размешается якорная ный з азор; 6 - торцевы е шиты; обмотк а статора; 4 - пазы, в которых Якорные обмотки (обмотки, в которых индуктируется ЭДС) размещаются в магнитном поле, создаваемом в большинстве случаев обмоткой возбуждения. При вращении ротора обмотки перемещаются относительно друг друга, так как если обмотка возбуждения размещается на статоре, то якорная - на роторе и наоборот.

В центре листов сердечника ротора выштамповывается отверстие со шпоночной канавкой для крепления сердечника на валу. Вал вращается в подшипниках; конец его удлинен для сопряжения с другими рабочими механизмами. Вал может размещаться горизонтально или вертикально.

Подшипники у большинств а машин встроены в торцевые щиты, прикрепляемые болтами к станине (корпусу), изготовлявмой из чугуна, стали или алюминиевых сплавов (для облегчения веса в малых машинах).

Сердечник статора также крепится в станине, которая воспринимает механическую нагрузку статора и обеспечивает механическую устойчивость всей конструкции машины. На станине обычно имеются лапы для крепления к фундаментной плите.

В мощных машинах, диаметр щита которых превышает 1 м, подшипники часто крепят в специальных подшипниковых стояках, устанавливаемых на плите отдельно от станины.

Обмотки и сердечники для лучшего охлаждения в большинстве случаев обдуваются воздухом, обычно прогоняемым через воздушный зазор и по специальным каналам.

Таким образом, электрические машины имеют магнитопроводящие сердечники, токопроводящие обмотки, охлаждающую и конструктивную системы, обеспечивающую механическую прочность.

Определение и принцип действ ия. М ашина представ ляет собой энергопреобразующий механиз м, связанный с перемещением основных его частей относительно друг друга. М ашины, в которых преобразование энергии происходит вследствие процесса электромагнитной индукции, называются электрическими.

Явление электромагнитной индукции возникает при изменении магнитного потока, связанного с обмотками машины. Это из менение может происходить или вследствие пространственного перемещения (вращения) обмотки относительно магнитного поля (индуктируемую при этом ЭДС обычно называют ЭДС вращения), или при взаимно неподвижных в пространстве потоке и обмотке вследств ие изменения во времени величины сцепленного с обмоткой потока (индуктируемую при этом ЭДС обычно называют трансформаторной), или обоими этими способами.

В соотв етствии с установившимися в учебниках традициями в курсе электрических машин рассматриваются трансформаторы, которые представляют собой статические электромагнитные устройства, предназначаемые для преобразования электрической энергии переменного тока в электрическую энергию тоже переменного тока, но других параметров. Такое совмещение удобно с методической точки зрения, так как работа трансформаторов также основана на принципе электромагнитной индукции. Для трансформаторов характерно, что явление электромагнитной индукции осуществляется без взаимного механического перемещения обмоток, вследствие чего в них ЭДС индуктируется лишь в результате изменения потока во времени. В электрических машинах электромагнитная индукция возникает также в результате взаимного механического перемещения обмоток, поэтому ЭДС может индуктироваться в результате временного и пространственного из менения потока, связанного с якорными обмотками.

При нагрузке электрической машины по якорной обмотке проходит ток, намагничивающий сердечник. Поэтому приближенно сердечник простейшей двухполюсной машины с расположенной на нем якорной обмоткой можно рассматривать как электромагнит, имеющий полюса NЯ и SЯ, которые взаимодействуют с полюсами N и S сердечника обмотки возбуждения (рис.

1.3, а). Вследствие притяжения разноименных полюсов статора и ротора возникают силы притяжения F, имеющие тангенциальные составляющие Fq, создающие электромагнитный момент. Возникновение электромагнитного момента можно также объяснить, согласно закону Ампера, как результат действия сил Р, возникающих вследствие взаимодействия токов проводников якорной обмотки с полем машины (рис. 1.3, б).

При анализе работы электрических машин следует иметь в виду, что в случае отсутствия тока в якорной обмотке поле машины создается только обмоткой возбуждения (рис. 1.3, в). Если по якорной обмотке проходит ток, то вокруг ее проводников создается магнитное поле (рис. 1.3, г ). Поля обмоток якоря и возбуждения взаимодействуют, вследствие чего поле машины в воздушном зазоре поворачивается на угол в (рис. 1.3, д) по сравнению с его направлением в случае отсутствия тока в якорной обмотке (см. рис. 1.3, в).

Изменение линий магнитного поля при его деформации можно сравнить с растяжением упругих резиновых нитей. ВследстРис. 1.3. К объяснению возникнов ения электромагнитного момента:

а - электромагнитный момент, как результат взаимодействия полей статора и ротора; б - элек тромагнитный момент, как резуль тат взаимодейств ия ток а якорной обмотк и с потоком машины; в - направл ение поля воз буждения ;

г - направл ение поля якорной обмотк и; д - направ ление поля маш ины при нагрузке вие деформации поля возникают электромагнитные силы F, стремящиеся вытолкнуть проводники с током якорной обмотки из магнитного поля и создающие электромагнитный момент.

М агнитный поток стремится пройти по путям с наименьшим магнитным сопротивлением и идет в основном не через проводники якорной обмотки, заложенные в паз ах, а по стальным зубцам сердечника. Поэтому электромагнитные силы, поворачивающие ротор, действуют не непосредств енно на проводники обмотки, а в основном на зубцы якорного сердечника.

Таким образом, рабочий процесс электрической машины неиз менно связан с тем, что в якорной обмотке индуктируется ЭДС. При нагрузке в результате взаимодействия тока, проходящего по этой обмотке, с магнитным потоком машины возникает электромагнитный момент. Преобразование энергии в электрической машине сопровождается возникновением электромагнитного момента, который стремится повернуть ротор и статор в противоположные стороны.

Классификация по роду потребляемой энергии. Электрические машины могут преобразовывать механическую энергию в электрическую (генераторы), электрическую - в механическую (двигатели), а также электрическую - в электрическую же энергию другого рода (преобразователи). Кроме того, существуют специальные типы машин, используемых в системах автоматики в качестве усилителей, регуляторов, индикаторов и т. д.

Для всех электрических машин характерна обратимость, т. е.

возможность работать как в качестве генератора, так и в качестве двигателя, один и тот же трансформатор может быть как повышающим, так и понижающим, преобразователь может из менять направление преобразования электрической энергии. М ашины мощностью до 600 Вт условно будем называть микромашинами.

Области применения. Основной областью применения электрических машин является генерирование электрической энергии, а также ее преобразование в механическую энергию, которая используется для привода станков и механиз мов, электрической тяги и т. д. Производство почти всей электроэнергии происходит при помощи электромашинных генераторов, преобразование в механическую - при помощи электромашинных двигателей, которые нашли самое широкое применение в промышленности, сельском хозяйстве, авиации, транспорте, военном деле и быту. Трансформаторы служат для изменения напряжения в начале и конце линии электропередачи.

В современных системах автоматического управления и системах синхронной связи в качестве исполнительных органов применяются, как правило, электрические машины. В качестве регулирующих органов применяются электромашинные и магнитные усилители. Электрические машины используются как дифференцирующие и интегрирующие элементы и как источники ускоряющих и замедляющих сигналов в схемах синхронной связи, в программирующих, счетно-решающих и других системах. Эти машины применяются в из мерительной технике в качестве тахогенераторов, электромашинных динамометров, измерительных трансформаторов и т. д.

Достоинства электрических машин. Электрические машины вырабатывают электрическую энергию, которую удобно передавать на расстояние. распределять между потребителями и преобразовывать в другие виды энергии; они обладают высоким коэффициентом полезного действия - от 65 до 85% для машин мощностью около 1 кВт и от 95 до 99% для машин большой мощности. В крупных современных трансформаторах КПД достигает значений, превышающих 99%. Следует заметить. что КПД других современных машин, например тепловых, двигателей внутреннего сгорания и паровых турбин, не превышает 30-40%.

Электрические машины имеют малый удельный вес на 1 кВт мощности. Они характеризуются относитель но малой стоимостью, компактностью, долговечностью, простотой управления, удобством обслуживания и легко обеспечивают индивидуальный привод к каждому станку. Электрические машины позволяют использовать, передав ать и распределять энергию водных, тепловых и атомных станций.

1.2. Электротехнические материалы Значение электроматериалов. М атериалы, применяемые в электромашиностроительной промышленности, в значительной степени определяют технические показатели электрических машин. Одной из основных причин выхода из строя машин является старение и повреждение изоляции. В большинстве случаев мощность машин определяется допустимой температурой нагрева, которая ограничивается в основном тепловым старением изоляционных материалов. Например, для пропитанной хлопчатобумажной изоляции при повышении температуры на 10°С выше установленной стандартом срок службы изоляции уменьшается примерно вдвое. Это объясняется тем, что с увеличением температуры ускоряются химические процессы, из меняющие структуру материалов, из-за чего ухудшаются их механические и электрические свойства.

Повышенная нагревостойкость новых изоляционных материалов позволяет существенно увеличить нагрузку машины.

Уменьшение толщины изоляции улучшает условие передачи тепла и позволяет увеличить объем проводника в пазу, вследствие чего может быть увеличена мощность машины при сохранении ее габаритов. Использование высококачественной стали дает возможность существенно уменьшить вес и габариты машин и увеличить их КПД. Чем более высокую индукцию допускает сталь сердечников, тем меньше ее потери; чем большую температуру допускает изоляция обмоток, тем более легкими получаются электрические машины.

Большое значение имеет механическая прочность конструктивных материалов, из которых изготовляются машины. Например, механические свойства современной стали ограничивают увеличение диаметра роторов синхронных генераторов, из-за чего увеличение их мощности свыше определенных пределов встречает значительные трудности. Таким образом, успехи электромашиностроения в значительной степени зависят от достижений в области создания новых материалов и в первую очередь электроизоляционных материалов.

Применяемые в электропромышленности материалы делятся на три г руппы: конструктивные, активные и электроизоляционные.

Конструктивные и активные материалы. Из конструктивных материалов изготовляют части машин, несущие механическую нагрузку.

В электромашиностроении применяются в основном те же конструктив ные материалы, что и в общем машиностроении.

К ним относятся сталь, чугун, цветные металлы, их сплавы и пластмассы. Актив ные материалы служат для проведения магнитного потока машины и электрического тока; они делятся на токопроводящие и магнитопроводящие.

В качестве основ ного токопроводящего материала до последнего времени использовалась медь, которая сравнительно дешева, имеет малое удельное электрическое сопротивление, хорошо сваривается и обладает хорошими антикоррозийными свойствами. Однако медь дефицитна, поэтому в последние годы в качестве проводникового материала начали применять более дешевый и широко распространенный алюминий. Его достоинствами являются малый удельный вес и легкость механической обработки. Недостатками алюминия являются повышенное удельное электрическое сопротивление, плохая свариваемость и образование оксидной пленки, что затрудняет получение надежных электрических контактов при механическом соединении проводов.

Вследствие повышенного удельного электрического сопротивления на одинаковую мощность и быстроходность машины с алюминиевыми обмотками имеют большие габариты по сравнению с машинами, имеющими медные обмотки. Поэтому в крупных синхронных генераторах, габариты которых предельно допустимы, алюминиевые обмотки не применяются. Для пусковых обмоток синхронных и роторов асинхронных двигателей с повышенным сопротивлением обмоток широко применяют различные медные сплавы, например, латунь и фосфористую бронзу.

К токопроводящим элементам относятся щетки, при помощи которых осуществляется съем тока с вращающихся обмоток через контактные кольца или коллектор. Щетки обычно изготовляют на основе графита, угля и меди.

Основным магнитопроводящим материалом является листовая легированная электротехническая сталь, содержащая от 2 до 5% кремния. Присадка кремния увеличивает удельное электрическое сопротивление стали, в результате чего уменьшаются потери на вихрев ые токи, сталь становится устойчивой к окислению и старению, но делается более хрупкой. В последние годы широко используется холоднокатаная текстурованная сталь с более высокими магнитными свойствами в направлении проката.

Для уменьшения потерь от вихревых токов сердечник магнитопровода выполняется в виде пакета, собранного из листов штампованной стали. Толщина стального листа 0,5 или 0,35 мм при частоте перемагничивания f = 50 Гц. При более высоких частотах толщина листа выбирается еще меньшая - 0,2; 0,15; 0,1 мм. Для проведения постоянного магнитного потока по ярму широко используется стальное литье и чугун.

Электроизоляционные материалы. Электроизоляционные материалы применяются для электрической изоляции токоведущих частей машины. Они должны иметь высокую электрическую прочность и хорошую теплопроводность, быть нагрево-, влаго- и химически стойкими. Изоляция должна обладать высоким электрическим сопротивлением и малыми диэлектрическими потерями. От твердых материалов требуется достаточная механическая прочность и малая толщина.

По условию нагревостойкости твердые электроизоляционные материалы делятся на семь классов. Наибольшее распространение до последнего времени имели материалы класса А, к которому относятся пропитанные бумага, картон, дерево, хлопчатобумажные и шелковые ткани. М атериалы пропитываются для улучшения электрической прочности и теплопроводности, а также для уменьшения гигроскопичности. Пропитывающими веществами могут служить трансформаторное масло, масляные лаки и битумные составы. Допустимая температура нагрева провода или стали для машин с изоляцией класса А составляет 105°С. При отсутствии пропитки эти изоляционные материалы принадлежат к классу У, их допустимая температура нагрева 90°С [9].

Начинают широко применяться синтетические изоляционные материалы, имеющие малую толщину и высокие электрические и механические показатели. Синтетические органические пленки типа лавсан, пластмассы с органическим наполнителем и слоистые пластики принадлежат к электроизоляционным материалам класса Е, допустимая температура нагрева которых 120°С.

В последнее время также получает распространение изоляция из неорганических материалов, к которой следует отнести стеклоткани, сотканные из волокон толщиной 4-6 мкм. И х исходным материалом является бесщелочное стекло. Стеклоткани не гигроскопичны и не чувствительны почти ко всем кислотам, обладают большой теплостойкостью и теплопроводностью. Допустимая температура стеклоткани ограничивается свойствами пропиточных материалов. Исходным материалом классов В, F, Н и С являются стекловолокно, слюда и асбест. Эти классы различаются в зависимости от вида применяемых связывающих пропитывающих составов. М атериалы, в которых применяются органические лаки и смолы пов ышенной нагревостойкости, принадлежат к классу В; их допустимая температура нагрева составляет 130°С.

В случае применения синтетических связующих составов материалы относятся к классу F, их допустимая температура нагрева 155°С; при пропитывании кремнийорганическими связующими составами - к классу Н. имеющему допустимую температуру нагрева 180°С. Материалы без примеси связующих веществ принадлежат к классу С. допустимая температура которого не ограничивается.

В класс В входят изделия из пластмассы с неорганическим наполнителем. Сюда же относятся высококачественные материалы, которыми являются микалента и микафолий, изготовляемые из пластинок слюды, склеенных между собой и наклеенных на бумагу. Они широко применяются для изоляции мощных синхронных машин, так как удовлетворяют всем требованиям, предъявляемым к изоляционным материалам. Широкое распространение получает синтетическая изоляция типа термоластик, изготовленная на слюдяной основе с применением термоактивного полифиростирольного компаунда. Электроизоляционные и механические свойства термоластика выше, чем микаленты, но он имеет более сложную технологию изготовления.

Температура обмоток машины складывается из температуры окружающей среды и превышения температуры т обмоток по отношению к температуре среды. Стандартом на электрические машины оговариваются не предельно допустимые температуры нагрева, а допустимые превышения температуры т для изоляционных материалов данного класса и максимальная температура окружающей среды. Номинальный режим машины устанавливают таким образом, чтобы превышения температуры т обмоток были не больше допустимых стандартом. Определение нагрузки по допустимому превышению температуры т способствует увеличению срока службы машины, так как среднее значение температуры окружающей среды меньше максимальной, установленной стандартом для нормаль ных машин, рав ной +35°С (табл. 1.1).

Если по каким-либо причинам температура окружающего воздуха оказывается больше максимально допустимой, то нагрузка машины должна быть уменьшена таким образом, чтобы температура обмоток не превышала допустимой для данного класса изоляции. В случае же длительного уменьшения температуры окружающего воздуха (например, зимой) увеличивать нагрузку выше номинальной нельзя, так как естественные колебания температуры стандартом учитываются.

Допустимое пре- Допустимое преКласс изоляцион- вышение темпера- Класс изоляцион- вышение темпераного материал а ного материала 1.3. Исполнение электрических машин Системы охлаждения. Помимо снижения КПД, действие потерь энергии проявляется также и в том, что они выделяются в виде тепла и нагревают отдельные части машины. Вследствие этого рабочий процесс электрических машин связан с нагревом.

Основная величина потерь энергии имеет место в активных материалах, поэтому большая часть тепла выделяется в проводниках обмоток и в стали сердечников. Электрические машины выполняются с естественным и искусственным охлаждением. В качестве охлаждающих сред в разных машинах используется воздух, водород, масло и вода. При естественном охлаждении движение охлаждающей среды может создаваться конвекцией или в результате вращения частей машины, если в ней нет специальных вентиляционных приспособлений. Естественное охлаждение обычно имеют микромашины.

Вращающиеся электрические машины мощность ю более 0.6 кВт выполняются с искусственным охлаждением, которое осуществляется при помощи специальных вентиляционных устройств. Применение вентиляции позволяет существенно увеличить отвод тепла. Оно является экономически целесообразным.

так как при этом оказывается возможным повысить мощность.

Поэтому машины с искусственным охлаждением имеют меньшие габариты, вес и расход активных материалов.

Электрические машины малых и средних мощностей обычно выполняются с самовентиляцией. В этом случае напор охлаждающего воздуха создается вентилятором, укрепленным на валу, или вентиляционными лопатками и приспособлениями, помещенными на торцевой поверхности ротора.

В крупных машинах иногда применяют независимую вентиляцию, при которой напор охлаждающего воздуха создается специальным вентилятором, механически не связанным с валом машины. Регулируя скорость вращения вентилятора, можно в зависимости от величины нагрузки изменять интенсивность обдува.

Самовентиляция и независимая вентиляция могут быть проточной, или разомкнутой (горячий воздух выбрасывается из машины в окружающую среду, а из атмосферы засасывается холодный воздух), и замкнутой (горячий воздух охлаждается в специальных охладителях и подается вновь в машину). Замкнутая система вентиляции широко применяется в крупных синхронных машинах.

В машинах охлаждающий воздух может прогоняться в направлении оси вала (рис. 1.4, а). Такая система вентиляции называется осевой (аксиальной) и может быть вытяжной или нагнетательной; в первом случае в ентилятор помещается на «выходе», во втором - на «входе» воздуха. Воздух может прогоняться и в радиальном направлении (рис. 1.4. б), проходя, по каналам между пакетами стали и. обдувая, лобовые части обмоток. Такая система называется радиальной. Во многих случаях применяется комбинированная радиально-осевая система вентиляции.

Рис. 1.4. Системы вентиля ции: а-осевая; б- радиальная Виды исполнения электрических машин. Основным исполнением электрических машин являются защищенное и закрытое обдуваемое. М ашины в защищенном исполнении предохранены от случайного прикосновения к вращающимся и токоведущим частям, а также от попадания внутрь посторонних предметов. Двигатели, имеющие приспособления, защищающие их от попадания капель, падающих под углом к вертикали, называются брызг озащищенными. Доступ к вращающимся и токоведущим частям при защищенном исполнении затруднен, так как вентиляционные окна, предназначенные для в хода и выхода охлаждающего воздуха, расположены снизу таким образом, что брызги не могут попадать внутрь машины. В машинах закрытого исполнения непосредственное сообщение между ее внутренним пространством и окружающей средой отсутствует. Для лучшего охлаждения нагретых частей внутри машины создается циркуляция воздуха, которая в некоторых случаях осуществляется внутренним вентилятором. Корпус такой машины часто выполняется ребристым и обдувается внешним вентилятором, прогоняющим воздух, засасываемый из внешней среды, между корпусом и направляющим кожухом. В торцевой части кожуха имеются отверстия.

Закрытые машины могут быть герметическими, имеющими газонепроницаемое, водонепроницаемое и взрывобезопасное исполнения. М ощность закрытых нев ентилирусмых двигателей средних и больших мощностей при одинаковом нагреве обмоток должна быть значительно уменьшена (в 2 раза, а иногда и более) по сравнению с обдуваемыми машинами, имеющими те же габариты. У электрических микромашин объем активных частей, в которых выделяется тепло, по отношению к поверхности охлаждения небольшой. Поэтому они сравнительно хорошо охлаждаются при закрытом необдуваемом исполнении. Электрические машины мощностью свыше 0,6 кВт имеют защищенное или закрытое обдуваемое исполнение.

Ранее электрические машины иногда имели открытое исполнение, не защищающее от случайных прикосновений к их вращающимся и токоведущим частям.

2. АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

Описать конструкцию заданного электродвигателя, выполнить эскизы продольного и поперечного сечений двигателей. На выполненные эскизы нанести обозначения основных элементов конструкции, пояснить их наз начение, назвать материалы, из которых изготовлены эти элементы, узлы и детали.

Задача 2.1. Для трехфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором серии 4А, напряжение питающей сети 220/380 В. частота сети 50 Гц по данным таблицы 2.1 определи номинальный вращающий момент на в алу М н, номинальную частоту вращения ротора n1, мощность P1, потребляемую двигателем из сети, номинальные (линейные и фазные) токи обмотки статора (механическими потерями пренебречь).

Построить механическую характеристику двигателя (при расчете критического сколь жения использ ов ать ф ормулу Клосса).

Рассчитать пусковой резистор в цепи статора для снижения пускового тока в а раз.

Задача 2.2. Для трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором 4А с напряжением питающей сети 220/380 В и частотой f=50 Гц по данным таблицы 2.1 определить число полюсов двигателя 2р, номинальное скольжение Sн, номинальный вращающий момент на валу двигателя Mн, мощность, потребляемую из сети, P1,максимальный момент Мmax, пусковой момент M п, номинальный ток двигателя при соединении обмоток статора в треугольник и пусковой ток при соединении обмоток статора в звезду и треугольник.

Построить механическую характеристику двигателя (при расчете критического скольжения использовать формулу Клосса).

Определить мощность возбуждения при динамическом торможении.

Задача 2.3. Для трехфазного асинхронного двигателя с фазным ротором серии АК, напряжением питающей сети 220/380 В и частотой f=50 Гц по данным таблицы 2.3 определить номинальный вращающий момент на валу Мн, мощность электрических потерь в обмотке ротора Рэ, коэффициент полезного действия ц, активное сопротивление ротора r2.

Определить аналитическим и графическим способом сопротивление пускового реостата. Режим пуска форсированный или нормальный. (М еханическими потерями пренебречь).

Четные варианты определяют сопротивление пускового реостата при нормальном пуске, нечетные - при форсированном.

Определить сопротивление резистора противовключения при реверсе двигателя с заданным в таблице 2.3 начальным тормозным моментом M Т, если до переключения дв игатель работал с установившейся частотой вращения nн.

2.3.1. Конструкции асинхронных двигателей серии 4А Отрезок серии двигателей с короткозамкнутым ротором закрытого обдуваемого исполнения с высотами оси вращения от до 250 мм охватывает диапазон мощностей от 15 до 90 кВт (в четырехполюсном исполнении). На рис. 2.1 показана конструкция одной из таких машин. Станина 1 и торцевые щиты 2 отлиты из чугуна. Наружный вентилятор 3 крепится на выступающем конце вала 4, противоположном выводному. Вентилятор закрыт кожухом из листовой стали 5. Наружный воздух засасывается вентилятором через жалюзи кожу ха и прогоняется вдоль ребер станины.

На станине укреплена коробка выводов 6. При установке она может быть повернута в удобном для подводки питающего кабеля направлении.

Внизу станины ребра расположены более редко и укорочены по сравнению с другими, что дает возможность несколько уменьшить высоту оси вращения. Сердечник статора 7 выполнен из листов электротехнической стали 2013 и после опрессовки скреплен скобами 8. Сердечник закреплен в станине стопорными винтами 9, предохраняющими его от проворачивания при резких толчках нагрузки. Пазы сердечника - полузакрытые. Обмотка 10 всыпная из круглого обмоточного провода марки ПЭТ-155 или ПЭТ-155М, применяемого при машинной намотке. Сердечник ротора 11 выполняется из той же стали, что и статор, спрессовывается и в спрессованном состоянии заливается алюминием. Одновременно с заливкой пазов отливаются замыкающие кольца 12 и вентиляционные лопатки. На замыкающих кольцах с обоих торцов ротора при балансировке крепятся балансировочные грузы 13.

Рис. 2.1. Конструк ция асинхронного дв игателя серии 4А со степенью защиты 1Р44, h=160 мм Сер дечник р отор а в машина х с в ысотой оси в р ащения h 250 мм крепится на валу горячей посадкой. При больших h для крепления применяют шпонки. Вал ротора выполнен из стали 45. Вентилятор - литой из алюминия. При отливке вентилятора в него устанавливается стальная втулка 14, которая служит для крепления вентилятора на валу.

Подшипниковые щиты крепятся к станине при помощи болтов 15. В центре щита имеются отверстия, расточенные под посадку наружных обойм подшипников 16 и 17. Точность положения оси ротора относительно внутренней поверхности станины обеспечивается обработкой поверхностей посадки подшипниковых щитов на станину и наружных обойм подшипников при одной установке щитов на станке, а поверхностей станины под посадку щитов и сердечника статора при одной установке станины на расточном станке. Каждый из подшипников закрыт с обеих сторон подшипниковыми крышками 18 и 19. препятствующими вытеканию смазки при работе машины. Подшипниковые крышки имеют развитые поверхности прилегания к валу с лабиринтными уплотнениями.

В двигателях меньшей мощности устанавливаются два шариковых подшипника. При большей мощности со стороны выводного конца устанавливают роликовый подшипник, а с противоположной стороны - шариковый.

Станина крепится к фундаменту с помощью лап. имеющих отверстия под крепежные болты. Лапы отлиты за одно целое со станиной. Сверху станина имеет прилив с резьбовым отверстием, в которое ввинчивается рым-болт 20 для подъема двигателя при монтаже.

На лапах выполнены отверстия с резьбой, в которые ввинчиваются болты 21 для подсоединения шин заземления.

Пазы роторов двигателей отрезка серии с высотой оси вращения 160-250 мм - закрытые грушевидные, а в двухполюсных дв игателях с h=250 мм - закрытые лопаточные.

Рис. 2.2. Асинхронный двигатель серии 4А со степенью з ащиты IP23, h=l 80 мм: а - общий вид; б - продольный и поперечный разрезы Двигатели защищенного исполнения этого отрезка серии (рис. 2.2) отличаются от рассмотренных выше конструкцией станины 1, подшипниковых щитов 2 и наличием диффузоров 3. Наружный вентилятор в них отсутствует. Охлаждающий воздух под действием вентиляционных лопаток на замыкающих кольцах ротора засасывается в жалюзи 4, расположенные на подшипниковых щитах, омывает лобовые части обмотки 5 и ярмо сердечника статора б и выбрасывается в выходные отверстия станины 7. Диффузоры служат для разделения областей с пониженным давлением (перед вентиляционными лопатками) и с повышенным давлением (выше вентиляционных лопаток).

Двигатели защищенного исполнения с короткозамкнутыми и фазными роторами с высотами оси вращения 280-355 мм по конструкции корпуса отличны от описанных выше двигателей.

На рис. 2.3, 2.4 показаны двигатели соответственно с короткозамкнутым и фазным роторами (номера позиции на рисунках одинаковые).

Жесткая, сварная из стального проката станина 1 охватывает только нижнюю половину сердечника статора 2, который крепится в ней с помощью массивных нажимных колец 3. Корпус 4 выполнен из листовой стали. Подшипниковые щиты 5 также крепятся к станине только нижней половиной. Подшипники б и 7 заключены в капсулы, монтируются с крышками 8 и 9 до сборки двигателя и в собранном виде устанавливаются в подшипников ые щиты.

Охлаждающий воздух засасывается в двигатель через жалюзи 10 на торцевых щитах, направляется диффузорами 11 на вентиляционные лопатки 12 ротора 13, омывает лобовые части обмотки 14 и сердечник статора и выбрасывается в жалюзи на боковых сторонах корпуса.

Отказ от цельной станины существ енно уменьшил общую массу двигателей, а выполнение корпуса виде параллелограмма вместо традиционной для электрических машин цилиндрической формы позволил улучшить условия охлаждения двигателей без увеличения их габаритных размеров.

Рис. 2.3. Асинхронный двигатель серии 4А со степенью защиты IP с короткозамкнутым ротором (4АН315М4УЗ), h=315 мм:

а - общий вид; б - продольный и поперечны й разрезы Р ис.2.4. Конструкция асинхронного двигателя серии 4А со степенью зашиты 1Р с фазным ротором (4АНК355М4УЗ), h=355 мм.

На статоре асинхронной машины в большинстве случаев располагается трехфазная якорная обмотка, которая присоединяется к питающей сети. На роторе имеется обмотка, замкнутая в процессе работы накоротко. Статорная обмотка создает вращающийся поток, пересекающий проводники обмотки ротора и наводящий в них ЭДС. вызывающую ток. Вследствие взаимодействия тока ротора с потоком машины создается электромагнитный момент. На рис. 2.5, а показано направление линий магнитной индукции потока статора. стрелкой n1 обозначено направление его вращения.

крестиками - ЭДС. индуктируемые в проводниках ротора. Обмотка ротора замкнута, поэтому ЭДС вызывают токи, образующие свои поля (рис. 2.5. б). Поля обмоток ротора и статора взаимодействуют, вследств ие чего (рис. 2.5. в) и возникает электромагнитная сила, направленная в сторону вращения потока. М агнитный поток поток статора как бы увлекает за собой ротор.

Скорость вращения магнитного поля по в пространстве зависит от частоты тока и числа полюсов. За один период переменного тока магнитное поле в пространстве поворачивается на Р ис. 2.5. -Возникновение магнитного потока: а направление потока, создаугол, соответствующий двупо-ваемого статорной обмоткой и индуклюсным делениям 2т, т. е. одной тируемые им ЭДС в обмотке ротора: б поле, создаваемое токами обмотки ропаре полюсов. Таким образом, тора; в - деформация поля машины и чем боль ш е п ар полю сов направление электромагнитной силы в обмотке статора, тем меньше пространственный угол поворота магнитного поля за один период переменного тока, а, следовательно, тем меньше синхронная скорость вращения поля статора (об/мин) Скорость вращения ротора n (асинхронная скорость) всегда меньше синхронной скорости, т. е. ротор всегда отстает от поля статора.

Разность между скоростью поля статора и скоростью ротора (n0 – n1) называется скоростью скольжения ns. Эта та скорость, с которой поле пересекает проводники обмотки ротора где n1 - скорость ротора.

Отношение скорости скольжения к скорости поля называется скольжением Частота ЭДС. индуцированной во вращающейся обмотке ротора (вторичная цепь), пропорциональна ее частоте вращения относительно вращающегося поля следовательно, f2=Sf1.

Индуцированная ЭДС в обмотке статора (первичная обмотка) выражается где 1 - число витков обмотки статора; kобм1 - обмоточный коэффициент обмотки статора.

При неподвижном роторе (f1=f2) ЭДС в его обмотке будет в то время как при вращении ротора где f1 - частота сети; 2 - число в итков обмотки; Ф - магнитный поток; kобм2 - обмоточный коэффициент обмотки ротора.

Отношение указанных двух выражений показывает, что ЭДС во вращающейся части машины изменяется пропорционально скольжению Отношение уравнений (2.4) и (2.5) дает коэффициент трансформации асинхронной машины:

2.3.3. Схема замещения асинхронной машины.

Приведение параметров и переменных вращающегося ротора В асинхронных машинах связь между первичной и вторичной обмотками магнитная. При расчете режимов работы и характеристик удобно магнитную связь заменить электрической. Электрическая схема, в которой магнитная связь между обмотками трансформатора заменена электрической, назыв ается схемой замещения.

Наиболее удобной схемой з амещения является Г-образная схема замещения [3], в которой намагничивающий контур вынесен на вывод сети. В этой схеме замещения ток холостого хода не зависит от нагрузки, а сопротивления контуров статора и ротора соединены последовательно, образуя рабочий контур, параллельно которому подключен намагничивающий контур.

Рис. 2.6. Упрощенная Г-образная схема замещения асинхронной машины На рис. 2.6 Z 12 = Zm + Z 1 - сопротивление намагничивающей ветви, где Zm = rm + jxm, Z1 = r1 +jx1 - комплексное сопротивление обмотки статора, Z2 = r2' + jX2' - комплексное сопротивление обмотки ротора.

Потери в сопротивлении r2 1 S эквивалентны механической мощности на валу машины. Это сопротивление является единственным переменным параметром схемы. Величина этого сопротивления определяется скольжением, а, следовательно, механической нагрузкой на валу асинхронного двигателя.

Величина тока в рабочем контуре [5] 2.3.4. Потери энергии и КПД асинхронных двигателей Отдавая мощность на валу Р, трехфазные асинхронные двигатели потребляют из сети мощность P Потери в стали Pст1, возникающие в сердечнике статора, и потери в обмотке статора Робм1 превращаются в теплоту.

Потери в первичной обмотке рассчитываются по фазным значениям тока и сопротивления где r1 - активное сопротивление фазы статора при 75 °С.

Вычитая потери в статоре из потребляемой мощности, можно получить электромагнитную мощность Рэ, которая путем электромагнитной индукции поступает в ротор Возникающие в роторе потери состоят из потерь в стали Рсm2 и потерь в обмотке ротора Pобм При номинальном скольжении потери в стали очень малы и поэтому ими можно пренебречь. Электрические потери в обмотке ротора можно рассчитать по формуле Полная механическая мощность зависит отэлектромагнитной мощности и скольжения Потери в обмотке ротора пропорциональны скольжению Полезная механическая мощность асинхронного двигателя где Р - сумма потерь в асинхронном двигателе.

Коэффициент полезного действия асинхронного двигателя 2.3.5. Электромагнитный момент асинхронной машины Электромагнитная мощность связана с моментом асинхронной машины соотношением Используя выражения (1.17) и (1.13), а также схему замещения, получим приближенное уравнение для момента асинхронной машины (Н-м) где U1 - напряжение, В; r, х - сопротивления, Ом.

Рис. 2.7. Механическ ая характеристика асинхронной машины При анализе характеристики следует отметить два значения момента, важных с точки зрения эксплуатации. Это пусковой и максимальный моменты. Пусковой момент приближенно выражается (S=1) формулой момента в режиме двигателя Этот момент в режиме дв игателя появляется при так называемом критическом скольжении Если пренебречь сопротивлением r1, то Для практических построений механической характеристики пользуются формулами Клосса [4], которые позволяют, не имея параметров машины, построить зависимости М = f(S ) по каталожным данным.

Возьмем отношение (2.19) к (2.20,6) Согласно (2.21) Подставив (2.24) в (2.23). получим Если в (2.26) пренебречь Sкр в числителе и 2Sкр в знаменателе, то получим упрощенную формулу [9] Откуда Далее, задаваясь скольжением S от 0 до 1, по формулам (2.25) или (2.28) строится механическая характеристика двигателя.

Для крупных машин, у которых сопротивлением r1 можно пренебречь, механическую характеристику можно строить по упрощенной формуле (2.28).

Максимальное скольжение можно определить:

1) по параметрам машины (2.21);

2) по упрощенному соотношению Skp=5SH, где SH - номинальное скольжение;

3) по приближенной формуле Sкр = S н ( + 2 1), где = M max перегрузочная способность двигателя (принимаетMн ся по паспорту или каталогу).

Момент асинхронного двигателя прямо пропорционален квадрату напряжения M=U2.

Поэтому для построения механической характеристики при изменении напряжения нужно максимальный Mmax и пусковой М п моменты изменить пропорционально квадрату изменения подводимого напряжения.

Механическая характеристика двигателя, построенная по уравнению (2.28), приведена на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Механическая характеристика асинхронного двигателя А. Двигатели с фазным ротором Пуск в ход электродвигателей с фазным ротором производится с помощью резистора, включенного в цепь ротора (рис. 2.9).

Такое включение уменьшает начальный пусковой ток и позволяет получить пусковой момент, близкий к максимальному моменту двигателя. Ступени пускового резистора могут служить также для регулирования частоты вращения двигателя. В этом случае пускорегулируемые резисторы должны выдерживать безопасный для них нагрев достаточно длительное время.

Рассчитывают эти резисторы двумя способами: графическим и аналитическим.

Графический метод основан на прямолинейности механических характеристик в области рабочих скольжений. Вначале строится рабочая часть механической характеристики.

На вертикальной оси в определенном масштабе откладывают значения частоты вращения холостого хода nо, которые можно определить по формуле (2.1) или по паспортным данным.

Из точки, соответствующей номинальному моменту, проводят перпендикуляр М на, откладывают на нем в масштабе значения частоты вращения ротора n1 и получают точку б (см. рис. 2.9).

Соединяя прямой точку б с точкой идеального холостого хода nо, получают естественную механическую характеристику двигателя nоб. Далее, задав аясь максимальным M1 и переключающим М 2 пусковыми моментами, строим пусковые характеристики двигателя (рис. 2.9).

Для асинхр онных электродв игателей обычно принимают М1 =(1,8-2,5)Мн ; М2=(1,1-1,2)Мн, где номинальный момент двигателя М н в данном случае принимается равным нагрузочному М с.

т.е. М н=Мс.

Рис. 2.9. а - схема включения пусковых резисторов в цепь ротора; б - пусковые характеристики АД Отрезок аб между горизонтальной прямой n1a и естественной механической характеристикой n1б соответствует внутреннему активному сопротивлению, Ом, обмотки ротора r где Sн - номинальное скольжение электродвигателя. %;

R 2.Н - активное сопротивление неподвижного ротора. Ом.

где Iр.н. - номинальный ток ротора. А;

Eр.н. - ЭДС между кольцами неподвижного разомкнутого Электродвижущую силу между кольцами замеряют с помощью вольтметра при заторможенном роторе или принимают по каталогу.

Отрезок дг в масштабе сопротивлений дает величину первой секции пускового резистора. Отрезки дг, гв и т. д. соответствуют сопротивлениям отдельных секций пускового резистора в порядке их замыкания.

М асштаб для сопротивлений, Ом/мм, mс =rр/аб.

При аналитическом расчете необходимо помнить, что для асинхронных двигателей обычно принимают три-пять ступеней ускорения.

Если число ступеней неизвестно, то их можно определить где m - число ступеней резистора;

M1 - максимальный пусковой момент в процентах от номинального;

SH - номинальное скольжение, %;

= M 1/M 2 - отношение максимального пускового момента к Если число ступеней резистора известно, то можно определить по следующим формулам:

- для нормального режима пуска (задаемся моментом M 2) где М2 задается в процентах от М н:

- для форсированного режима пуска (задается моментом M1) Сопротивление отдельных секций резистора каждой фазы:

Б. Двигатели с короткозамкнутым ротором Пусковой ток короткозамкнутого электродвигателя достигает 5 - 8-кратной величины номинального тока. При маломощной сети толчки тока вызывают значительное падение напряжения и тем самым отрицательно влияют на работу других приемников.

Практически короткозамкнутые двигатели можно пускать в ход следующими способами:

- прямым включением в сеть на полное напряжение;

- переключением при пуске обмотки статора со звезды на треугольник;

- введением при пуске в цепь статора активных и реактив ных резисторов;

- помощью трансформаторов и автотрансформаторов и т. д.

Прямое включение двигателя на полное напряжение обеспечивает максимальный пусковой момент, но связано со значительными пусковыми токами, которые могут вызвать в сетях большие падения напряжения, величина которых зависит от соотношения между мощностями пускаемого в ход двигателя и питающего его трансформатора.

Пуск с помощью активного сопротивления в цепи статора применяют обычно для двигателей до 50 кВт; при большей мощности - с помощью индуктивного сопротивления.

В момент пуска в цепь каждой фазы обмотки статора включаются активные или индуктивные резисторы, которые шунтируются по достижении двигателем частоты вращения близкой к номинальной.

Резистор, включаемый в статорную обмотку, определяют заданными условиями снижения тока. Например, если требуется, чтобы ток при пуске с резистором составлял часть а от пускового тока без резистора, то Iп.р. = Iп, где Iп.р. - ток при включенном резисторе; Iп - ток при отсутствии пускового резистора.

Активное или индуктивное сопротивление резистора на фазу:

зистора);

резистора), где Z k = UH/(1,73-Iп) - полное сопротивление фазы двигателя при пуске, Ом; Uн - номинальное линейное напряжение двигателя;

rк=z kсоsп - активное сопротивление фазы двигателя при пуске, Ом; xk=z ksinп - индуктивное сопротивление фазы двигателя при пуске. Ом;

- коэффициент мощности двигателя при пуске;

кратность пускового тока;

ki = n Iн = 1 / 3 - отношение потерь в меди к номинальным потерям.

2.3.7. Торможение асинхронных двигателей Динамическое торможение асинхронных двигателей заключается в том, что статор отключается от сети переменного тока и на время торможения подключается к источнику постоянного тока.

Постоянный ток создает в статоре неподвижное магнитное поле, в котором по инерции будет вращаться замкнутый ротор.

В обмотках ротора при этом индуцируется ЭДС и ток, т. е.

двигатель превращается в синхронный генератор с неподвижными полюсами, который обусловливает значительный тормозной момент, останавливающий двигатель. Тормозной момент зависит от тока статора, а следовательно, от подводимого напряжения постоянного тока, сопротивлений статорной и роторной цепей, частоты вращения ротора.

Для увеличения тормозного момента в обмотку ротора вводят активное сопротивление или увеличивают значение постоянного тока, протекающего в цепи статора.

У электродвигателей с короткозамкнутым ротором начальные тормозные моменты малы и для их увеличения необходимо подавать в статор постоянный ток, равный 4 - 5-кратному значению тока холостого хода. Для электродвигателей с фазным ротором эта величина снижается до (2-3)Ixх. При этом тормозной момент обеспечивается в пределах (1,25-2,2)М н.

Величину тока холостого хода в процентах о номинального тока можно приближенно определить по табл. 2.4.

Величину добавочного тормозного резистора, введенного в обмотку ротора, можно определить по формуле Напряжение постоянного тока, подводимое к обмотке статора при различных схемах соединения обмоток (рис.2.10), определится:

для схемы (рис.2.10, б):

где r1 - активное сопротивление фазы статора;

Iп - постоянный ток.

Мощность эл. Синхронная частота вращения, об/мин большое количество энергии и протекает значительный ток. Резистор, введенный в цепь ротора, ограничивает якорный ток и определяет тормозной момент двигателя.

Полное активное сопротивление резистора в цепи ротора при торможении противовключением где Sн.пр - номинальное скольжение при противовключении;

SH - номинальное скольжение.

Рис.2.10. Схемы соединения обмоток статора при питании постоянным током где М пр - момент двигателя при противовключении;

М пр>1 - скольжение при противовключении ;

Полное активное сопротивление в режиме противовключения Rp состоит из активного сопротивления обмотки ротора rр, резистора Rп и резистора ступени противовключения rпр

3. МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Описать конструкцию заданного электродвигателя, выполнить эскизы продольного и поперечного сечений двигателей. На выполненные эскизы нанести обозначение основных элементов конструкций, пояснить их назначение, назвать материалы, из которых изготовлены эти элементы, узлы и детали.

Для двигателя постоянного тока параллельного возбуждения по данным таблицы 3.1 определить вращающий момент двигателя в номинальном режиме М н, частоту вращения якоря двигателя в режиме идеального холостого хода, подводимую мощность и коэффициент полезного действия.

Рассчитать пусковой резистор по следующим условиям: нагрузочный момент Мс при пуске постоянный и выбирается по таблице 3.1, пуск нормальный или форсированный (число пусковых секций определить из расчета). Расчет провести графическим или аналитическим методом.

Рассчитать сопротивление резистора динамического торможения, исходя из того, что пик тока якоря при торможении IТ задан.

Рассчитать резистор противовключения при услов ии, чтобы пик момента при противоключении M Т задан.

Рассчитать сопротивление резистора предварительной ступени включения.

Четные варианты выполняют расчет пускового резистора при нормальном пуске графическим методом, а нечетные - при форсированном пуске аналитическим методом.

3.3.1.Конструкция двигателей постоянного тока серии 2П Электродвигатели серии 2П предназначены для работы как от источников постоянного тока, так и от тиристорных преобразователей. Номинальные напряжения якорной цепи - 110; 220; 440;

600 В. Возбуждение независимое, номинальное напряжение возбуждения 110 и 220 В.

Электродвигатели мощностью до 200 кВт изготовляют на номиналь ные частоты вращения 750; 1000; 1500; 2200 и об/мин. Частота вращения электродвигателей может регулироваться как изменением напряжения якорной цепи, так и ослаблением поля. Ослаблением поля допускается увеличение частоты вращения.

Электродвигатели серии 2П защищенного исполнения типов 2ПА и 2ПН выполняют с изоляцией класса нагревостойкости В, электродвигатели закрытого исполнения типов 2ПО и 2ПБ - с изоляцией класса нагревостойкости F.

Конструктивно электродвигатель серии 2П состоит из следующих основных узлов и деталей (рис. 3.1): станины, якоря, коллекторного щита, щита со стороны привода, защитных лент.

Корпус станины имеет цилиндрическую форму, изготавливается из стали СтЗ. К корпусу винтами привернуты главные и дополнительные полюсы с обмотками. Главные полюсы состоят из сердечника и полюсного наконечника, которые штампуются заодно из листовой электротехнической стали 3411, 3413 толщиной или 0.5 мм. Листы полюса скрепляют заклепками. Сердечники дополнительных полюсов также выполняют из электротехнической стали 3411 толщиной 1 мм. При высотах оси вращения до 132 мм сердечники дополнительных полюсов выполняют из полосовой стали СтЗ. Обмотку главных полюсов (многослойную) выполняют из круглого медного провода марки ПЭТВ. Обмотку дополнительных полюсов выполняют из круглого провода марки ПЭТВ или прямоугольного провода марки ПСД. Собранные катушки основных и дополнительных полюсов подвергают тщательной пропитке в нагревостойком изоляционном лаке, что обеспечивает их монолитность и влагостойкость. Пакет якоря выполняют из штампованных и из олированных лаком листов электротехнической стали марок 2211, 2312, 2411, 3413 толщиной 0.5 мм, напрессовывают непосредственно на вал и зажимают между двумя нажимными кольцами (обмоткодержателями). которые одновременно служат опорой для лобовых частей обмотки якоря. Один из об- моткодержателей упирается в уступ на в алу, а другой запирается кольцом, насаженным на вал по горячей посадке. Вал изготовляется из стали марки 45. имеет ступенчатую форму для раздельной посадки на него сердечника якоря, коллектора и вентилятора.

Коллектор состоит из коллекторных пластин, изолированных друг от друга слюдяными пластинами, являющимися межламельной изоляцией. При наружном диаметре коллектора до 250 мм коллекторные пластины закрепляют пластмассой, которую впрессовывают во внутреннее отверстие между пластинами и коллекторной втулкой, предназначенной для посадки коллектора на вал.

Рис. 3.1. Машина постоянного тока 2П-160М:

1 - крышка подшипник а; 2 - щит подш ипниковый; 3 - траверса; 4 - л ента защитная; 5 - бал ансировочное кольцо; 6 - колл ектор; 7 - к оробк а выводов;

8 - станина; 9 - бол т; 10 - ш айба М 10; 11 - як орь; 12 - обмотк а я коря;

13 - диффузор; 14 - защитная лента; 15 - вентилятор; 16 - крышка подшипник а; 17 - ш арикоподш ипник 309; 18 - подш ипниковы й щит; 19 - болт М10х32; 20 - шайба М10; 21 - болт М6Х60; 22 - ш айба Мб; 23 - крышка подш ипник а; 24 - в ал; 25 - глав ны й пол юс; 26 - допол нитель ный полюс;

27 - щетк и В качестве армирующей пластмассы используют пластмассу АГс или К6.

Для присоединения концов обмотки якоря к коллектору в коллекторные пластины впаяны петушки.

К подшипниковому щиту со стороны коллектора с помощью болтов крепят траверсу щеткодержателей. Щеткодержатели штампуют на текстолитовых кольцах. В щеткодержателях установлены щетки. Аксиальную принудительную вентиляцию электродвигателя осуществляют при помощи литого вентилятора, насаженного на вал со стороны привода. Воздух забирается через жалюзи, выполненные в з ащитной лете со стороны коллектора, и выбрасывается через отверстия в защитной ленте со стороны привода (выходного вала). Для рационального распределения охлаждающего воздуха над активными частями машины предусмотрен диффузор.

Со стороны коллектора на валу предусмотрено специальное балансировочное кольцо. В подшипниковых щитах со стороны привода и со стороны коллектора установлены шариковые или роликовые подшипники. Концы обмоток якоря и возбуждения выводят к болтам панели, размещенной в коробке выводов.

В машинах постоянного тока насаженный на вал роторный сердечник вместе с заложенной в его пазах якорной обмоткой обычно называется якорем. Якорь машины постоянного тока вращается в магнитном поле, создаваемом обмотками возбуждения 1, надетыми на неподвижные полюсы 2 (рис. 3.2). По проводникам б нагруженной якорной обмотки проходит ток. В результате взаимодействия полей обмоток возбуждения и якорной создается электромагнитный момент, возникновение которого можно также объяснить взаимодействием тока якорной обмотки с магнитным потоком машины (см. рис. 1.3, д).

Рис. 3.2. Устройство машины постоянного тока:

1 - обмотка возбуждения; 2 - полюсы; 3 - ярмо; 4 — полюсный наконечник;

5 - якорь; 6 - проводники якорной обмотки; 7 - зубец якорного сердечника;

8 - воздушный зазор машины Из технологических соображений сердечник полюсов обычно набирается на шпильках из листов электротехнической стали толщиной 0,5-1 мм (рис. 3.3). Одна сторона полюса прикрепляется к станине, часто при помощи болтов, другая - располагается вблизи якоря. Зазор между полюсом и якорным сердечником является рабочим воздушным зазором машины. Со стороны, обращенной к якорю, полюс заканчивается так называемым полюсным наконечником, форма и размер которого выбираются таким образом, чтобы способствовать лучшему распределению потока в воздушном зазоре. На полюсе размещается катушка обмотки возбуждения. Иногда в малых машинах полюсы не имеют обмотки возбуждения и выполняются из постоянных 3.2), создаваемого обмоткой возбуждения, идет через сердечник 2 северного спинку якоря 5, после чего поток проходит аналогичный путь в обратной послеРис. 3.3. Полюс машины довательности к соседнему южному потока: люсу S и через ярмо 3 возвращается к сепостоянного 1 - пол юсный сердеч- верному полюсу N. Поток Ф проходит ник; 2 - воздуш ный з азамкнутый путь, который показан на рис.

зор; 3 - полюсный наколиниями магнитной индукции. Понечник; 4 - обмотка возбуж дения; 5 - бол т лярность полюсов чередуется (северный, для крепл ения пол юса; южный, северный и т. д.).

зазоре двухполюсной машины в функции геометрического угла а.

Начало координат О выбрано посередине между полюсами. В этой точке значение индукции равно нулю. По мере приближения к полюсному наконечнику индукция возрастает, сначала медленно (до точки а) у края полюсного наконечника, а затем резко. Под серединой полюсного наконечника в точке b индукция имеет наибольшее значение. Кривая распределения индукции располагается симметрично относительно оси полюса и в точке с, находящейся посередине между полюсами, проходит через нуль, затем индукция меняет знак. Кривая cde является зеркальным отображением относительно оси абсцисс кривой oabc. Области, в которых индукция имеет положительное и отрицательное значение, чередуются.

В общем случае машина может иметь р пар полюсов. Тогда при полном обходе всего воздушного зазора разместится р пространственных периодов изменения индукции, так как каждый период соответствует длине поверхности сердечника якоря, расположенной под измеряемого в геометрических градусах, пользуются также понятием угла аэ, измеряемого в электрических градусах. Принимают, что каждому пространственному периоду изменения кривой индукции Кривые изменения магнитной соответствует электриче- а - пространственное распределение инский угол аэ=360 эл. град дукции под полюсом; б - изменение ЭДС например, на рис. 3.5 видно, что при числе пар полюсов р=2 имеем э=2аг.

При вращении ротора в проводниках якорной обмотки индуктируется ЭДС. Согласно закону электромагнитной индукции ЭДС проводника где В - нормальная составляющая индукции в точке, определяемой углом, в которой в данный момент времени находится проводник, Тл;

I - активная длина проводника, т. е. длина, в которой индуктируется ЭДС;

- скорость перемещения проводника относительно потока, Рис. 3.5. Распределение потока в четырехполюсной машине:

а - чередов ание полюсов; б - распредел ение индукции в воздушном зазоре При работе машины длина 1 активного проводника сохраняется неизменной. Поэтому в случае равномерного вращения (=const) имеем Из выражения (3.2, а) следует, что при равномерном вращении якорной обмотки изменение ЭДС е проводника во времени (см. 3.4, б) в соответствующем масштабе повторяет кривую распределения индукции в воздушном зазоре В (см. рис. 3.4, а).

Анализируя кривую изменения ЭДС во времени, видим, что в проводниках якорной обмотки индуктируется переменная ЭДС.

В двухполюсной машине за один оборот вращения в проводниках якорной обмотки индуктируется ЭДС, частота которой f=n/60 Гц, где n - скорость вращения потока относительно проводника, вычисляемая в оборотах в минуту. Если машина имеет р Выражение (3.3) определяРис. 3.6. Выпрямление ЭДС при помоет частоту ЭДС многополюсщи коллектора:

I - медные пластины: 2 - виток обмотной машины. Оно показывает, ки якоря: 3 щетки; 4 - внешняя элекчто частота ЭДС пропорциотрическая цепь В единицах СИ скорость вращения имеет размерность электрический радиан в секунду. Подставляя в (3.3) значение.

выраженное через механическую скорость имеем В машинах постоянного тока для выпрямления ЭДС применяется коллектор, представляющий собой механический преобразователь, выпрямляющий переменный ток якорной обмотки в постоянный ток, проходящий через щетки во внешнюю цепь. Коллектор состоит из соединенных с витками обмотки якоря изолированных между собой пластин, которые, вращаясь вместе с обмоткой якоря, поочередно соприкасаются с неподвижными щетками, соединенными с внешней цепью. Одна из щеток в сегда является положительной, другая - отрицательной.

Простейший коллектор имеет две изолированные между собой медные пластины, выполненные в форме полуколец (рис. 3.5), к которым присоединены концы витка якорной обмотки. Пластины коллектора соприкасаются с неподвижными контактными щетками, связанными с внешней коллектора вращаются вместе c витками якорной обмотки.

время, когда ЭДС витка меняет знак на обратный, коллекторная пластина перемещалась от щетки одной полярности к щетке другой полярности. В результате этого на щетках возникает пульси- Рис. 3.7. Устройство коллектора:

янное по направлению Якорная обмотка состоит часть коллекторной пластины, служащая представляющих собой или несколько последовательно соединенных витков. Конец каждой секции присоединяется к одной из изолированных коллекторных пластин, образующих коллектор (рис. 3.7). По мере увеличения числа секций уменьшается пульсация напряжения на щетках (рис. 3.8). При двадцати коллекторных пластинах разница между максимальной и минимальной величиной напряжения, отнесенная к среднему значению, не превышает 0,65%.

Коллектор является сложным и дорогим устройством, требующим тщательного ухода. Его повреждения нередко служат причиной серьезных аварий. Предпринимались многочисленные попытки создать бесколлекторную машину постоянного тока, однако построить ее принципиально невозможно, так как в многовитковой якорной обмотке, активные стороны которой последовательно проходят под полюсами разной полярности, в любом случае наводится переменная ЭДС, для выпрямления которой необходимо особое устройство.

Поэтому машинами постоянного /пока называются электрические машины, у которых преобразование энергии происходит вследствие вращения якорной обмотки относительно неподвижного потока полюсов, а выпрямление тока в постоянный осуществляется коллектором.

Рис. 3.8. Пульсация напряжения на щетках генератора постоянного тока:

а -- при двух витках на полюс: б — при большом количестве витков Свойства двигателей постоянного тока в основном определяются способом питания обмотки возбуждения. В связи с этим различают двигатели с параллельным, независимым, последовательным и смешанным возбуждением. На рис. 3.9 дана классификация способов возбуждения.

При электромагнитном возбуждении поток создается обмотками возбуждения, питаемыми в большинстве случаев постоянным током.

Рис. 3.9. Схема классифик ации элек трических машин по способу возбуждения В машинах с независимым возбуждением обмотка возбуждения ОВ питается от постороннего источника тока (рис. ЗЛО, а).

В машинах с самовозбуждением обмотка возбуждения питается током от якорной обмотки этой же машины (рис. ЗЛО. б, в, г ).

Самовозбуждение может осуществляться при параллельном, последовательном и смешанном соединениях, когда одна обмотка возбуждения соединена параллельно с якорной, а другая последовательно. При этом машины соответственно называются машинами параллельног о, последовательного и смешанног о (компаундного) возбуждения.

Ток независимой и параллельной обмоток возбуждения у машин средних и больших мощностей имеет небольшую величину, не превышающую нескольких процентов, а у микромашин достигает 30% от тока, идущего через якорную обмотку.

Рис. 3.10. Схемы возбуждения машин постоянного тока:

а нeзависимое: б параллельное: в - последовательное: г смешанное В последнее время в связи с улучшением качества магнитожестких материалов, в частности с применением алюминиевоникелевых сплавов, машины малой мощности часто выполняют с возбуждением от постоянных магнитов. В некоторых случаях применяется комбинированное возбуждение - электромагнитное и от постоянных магнитов. В этом случае на полюсы магнитной системы, имеющей вставку из постоянных магнитов, надевают обмотки, которые питаются по одной из схем электромагнитного возбуждения.

Для контура «обмотка якоря - сеть», согласно второму закону