Причины, вызывающие искрение на коллекторе. 4 страница

Рисунок 58

Короткозамкнутая обмотка ротора в большинстве двигателей выполняется заливкой собранного сердечника ротора расплавленным алюминиевым сплавом. При этом одновременно со стержнями обмотки отливаются коротко замыкающие кольца и вентиляционные лопатки (рисунок 58б).

Вал ротора вращается в подшипниках качения 2 и 6, расположенных в подшипниковых щитах 3 и 7.

Охлаждение двигателя осуществляется методом обдува наружной оребренной поверхности корпуса. Поток воздуха создается центробежным вентилятором 5, прикрытым кожухом 8. На торцовой поверхности этого кожуха имеются отверстия для забора воздуха. Двигатели мощностью 15 кВт и более помимо закрытого делают еще и защищенного исполнения с внутренней самовентиляцией. В подшипниковых щитах этих двигателей имеются отверстия (жалюзи), через которые воздух посредством вентилятора прогоняется через внутреннюю полость двигателя. При этом воздух «омывает» нагретые части (обмотки, сердечники) двигателя и охлаждение получается более эффективным, чем при наружном обдуве.

Концы обмоток фаз выводят на зажимы коробки выводов 4. Обычно асинхронные двигатели предназначены для включения в трехфазную сеть на два разных напряжения, в √3 раз. Например, двигатель рассчитан для включения в сеть на напряжение 380\660 В. Если в сети линейное напряжение 660 в, то обмотку статора следует соединить звездой, а 380 В, то треугольником. В обоих случаях на обмотке каждой фазы будет 380 В. Выводы обмоток фаз располагают на панели таким образом, чтобы соединения обмоток фаз было удобно выполнять посредством перемычек, без перекрещивания последних. В некоторых двигателях небольшой мощности в коробке выводов имеется лишь три зажима. В этом случае двигатель может быть включен в сеть на одно напряжение (соединение обмотки статора такого двигателя звездой или треугольником выполнено внутри двигателя).

Монтаж двигателя в месте его установки осуществляется либо посредством лап 12 (рисунок 57), либо посредством фланца. В последнем случае на подшипниковом щите (обычно со стороны выступающего конца вала) делают фланец с отверстиями для крепления двигателя на рабочей машине. Для предохранения обслуживающего персонала от возможного поражения электрическим током двигатели снабжаются болтами заземления (не менее двух).

Другая разновидность трехфазных асинхронных двигателей – двигатели с фазным ротором –конструктивно отличаются от рассмотренного двигателя главным образом устройством ротора (рисунок 59).

Рисунок 59

Статор этого двигателя также состоит из корпуса 3 и сердечника 4 с трехфазной обмоткой. У него имеются подшипниковые щиты 2 и 6 с подшипниками качения 1 и 7. К корпусу 3 прикреплены лапы 10 и коробка выводов 9. Однако ротор имеет более сложную конструкцию. На валу 8 закреплен шихтованный сердечник 5 с трехфазной обмоткой, выполненной аналогично обмотке статора. Эту обмотку соединяют звездой, а ее концы присоединяют к трем контактным кольцам 11, расположенным на валу и изолированных друг от друга и от вала. Для осуществления электрического контакта с обмоткой вращающего ротора на каждое контактное кольцо 1 (рисунок 60). Накладывают обычно две щетки 2, располагаемых в щеткодержателях 3. Каждый щеткодержатель снабжен пружинами, обеспечивающими прижатие щеток к контактному кольцу с определенным усилием.

Рисунок 60

Асинхронные двигатели с фазным ротором имеют более сложную конструкцию и менее надежны, но они обладают лучшими регулировочными и пусковыми свойствами, чем двигатели с короткозамкнутыми роторами. Обмотка ротора этого двигателя соединена с пусковым реостатом ПР, создающим в цепи ротора добавочное сопротивление R_доб.

На корпусе асинхронного двигателя прикреплена табличка, на которой указаны тип двигателя, завод – изготовитель, год выпуска и номинальные данные (полезная мощность, напряжение, ток, коэффициент мощности, частота вращения и КПД).

Принцип действия асинхронного двигателя.

Неподвижнаячасть асинхронного двигателя – статор - имеет такую же конструкцию, что и статор синхронного гене­ратора. В расточке статора расположена вращаю­щаяся часть двигателя — ротор, состоящий из вала, сердечника и обмотки (рисунок 61). Обмотка ротора представляет собой короткозамкнутую конструкцию, состоящую из восьми алюминиевых стержней, расположенных в продольных пазах сердечника ротора, замкнутых с двух сторон по торцам ротора алюминиевыми кольцами (на рисунке эти кольца не показа­ны). Ротор и статор разделены воздушным зазором. При вклю­чении обмотки статора в сеть трехфазного тока возникает вращающееся магнитное ноле статора с частотой вращения n₁.

Р

Рисунок 61

Вращающееся поле статора (полюсы N₁ и S₁) сцепляется как с обмоткой статора, так и с обмоткой ротора и наводит в них ЭДС. ЭДС обмотки стато­ра, являясь ЭДС самоиндукции, действует встречно приложенному к обмотке напряжению и ограничивает значение тока в обмотке. Обмотка ротора замкнута, поэтому ЭДС ротора создаем в стержнях обмотки ротора токи. Взаимодействие этих токов с полем статора создает на роторе электромагнитные силы F_эм, на­правление которых определяют но правилу «левой руки». Из рисунка 61 видно, что силы F_эм стремятся повернуть ротор в направлении вращения магнитного поля статора. Совокупность сил F_эм создает на роторе электромагнитный момент М, приводящий его во враще­ние с частотой n₂. Вращение ротора посредством вала передается исполнительному механизму.

Режимы работы.

В соответствии с принципом обратимости электри­ческих машин асинхронные машины могут работать как в двигательном, так и в генера­торном режимах. Кроме того, возможен еще и ре­жим электромагнитного торможения противовключением.

Двигательный режим. При включении обмотки статора в сеть трехфазного тока возникает вращающееся магнитное ноле, которое, сцепляясь с короткозамкнутой обмоткой ротора, наводит в ней ЭДС. При этом в стержнях обмотки ротора появляются токи. В результате взаимодействия этих токов с вращаю­щимся магнитным полем на роторе возникают эле­ктромагнитные силы. Совокупность этих сил создает электромагнитный вращающий момент, под действи­ем которого ротор асинхронного двигателя приходит во вращение с частотой n₂<n₁ в сторону вращения ноля статора. Если вал асинхронного двигателя ме­ханически соединить с валом какого-либо исполни­тельного механизма ИМ (станка, подъемного крана и т.н.), то вращающий момент двигателя М, пре­одолев противодействующий (нагрузочный) момент М_нагр исполнительного механизма, приведет меха­низм во вращение.

Генераторный режим. Если обмотку статора включить в сеть, а ротор асинхронной машины посредством приводного двигате­ля ПД (двигатель внутреннего сгорания, турбина и т. п.), являю­щегося источником механической энергии, вращать в направле­нии вращения магнитного поля статора с частотой n₂>n₁, то направление движения ротора относительно поля статора изме­нится на обратное (по сравнению с двигательным режимом ра­боты этой машины), так как ротор будет обгонять поле статора. При этом скольжение станет отрицательным, а ЭДС, наведенная в обмотке ротора, изменит свое направление. Элек­тромагнитный момент на роторе М также изменит свое направ­ление, т. е. будет направлен встречно вращающемуся магнитному полю статора и станет тормозящим по отношению к вращаю­щемуся моменту приводного двигателя М₁. В этом случае механическая мощность приводного двигателя в основной своей части будет преобразована в электрическую активную мощность Р₂ переменного тока. Особенность работы асинхронно­го генератора состоит в том, что вращающееся магнитное поле в нем создается реактивной мощностью Q трехфазной сети, в ко­торую включен генератор и куда он отдает вырабатываемую активную мощность Р₂. Следовательно, для работы асинхронного генератора необходим источник переменного тока, при подключе­нии к которому происходит возбуждение генератора, т. е. в нем возбуждается вращающееся магнитное поле.

Скольжение асинхронной машины в генераторном режиме может изменяться в диапазоне -∞<S<0, т. е. оно может при­нимать любые отрицательные значения.

Режим торможения противовключением. Если у работающего трехфазного асинхронного двигателя поменять местами любую пару подходящих к статору из сети присоединительных проводов, то вращающееся поле статора изменит направление вращения на обратное. При этом ротор асинхронной машины под действием сил инерции будет продолжать вращение в прежнем направле­нии. Другими словами, ротор и поле статора асинхронной ма­шины будут вращаться в противоположных направлениях. В этих условиях электромагнитный момент машины, направленный в сторону вращения поля статора, будет оказывать на ротор тор­мозящее действие. Этот режим работы асинхронной машины называется электромагнитным торможением противовключением. Активная мощность, поступающая из сети в машину при этом режиме, частично затрачивается на компенсацию меха­нической мощности вращающегося ротора, т.е. на его торможение.

Тема: Пуск в работу, магнитная цепь, рабочие характеристики асинхронного

двигателя.

Наличие контактных ко­лец у двигателей с фазным ротором позволяет подключить к об­мотке ротора пусковой реостат (ПР). При этом активное сопро­тивление цепи ротора увеличивается до значения:

(50)

где - электрическое сопротивление пускового реостата,

приведенное к обмотке статора.

Влияние возросшего значения активного сопротивления на пусковой момент двигателя М_п. Это влияние графически показано

на рисунка62, из которого видно, что если при отсутствии ПР, т.е. при активном сопротивлении цепи ротора пусковой момент М_п = М_по, то при введении в цепь ротора добавочного активного сопротивления когда пусковой момент возрастает и при достигает наибольшего значения М_п.наиб.. При пусковой момент уменьшается.

Рисунок 62

При выборе сопротивленияпускового реостата исходят из условий пуска двигателя: если двигатель включают при значительном нагрузочном моменте на валу, сопротивление пускового реостата выбирают таким, чтобы обеспечить наибольший пусковой момент; если же двигатель включают при небольшом нагрузочном моменте на валу, когда пусковой момент не имеет решающего значения для пуска, оказывается целесообразным сопротивление ПР выбирать несколько больше значения, соответствующего наибольшему пусковому моменту, т.е. чтобы . В этом случае пусковой момент оказывается несколько меньшим наибольшего значения М_п.наиб, но зато пусковой ток значительно уменьшается.

На рисунок 63,а показана схема включения ПРв цепь фазного ротора. В процессе пуска двигателя ступени ПР переключают таким образом, чтобы ток ротора оставался приблизительно неизменным, а среднее значение пускового момента было близко к наибольшему.

Рисунок 63

На рисунке63,б представлен график изменения пускового момента асинхронного двигателя при четырех ступеняхпусковогореостата. Так, в начальный момент пуска (первая ступень рео­стата) пусковой момент равен М_п.мах. По мере разгона двигателя его момент уменьшается по кривой 1. Как только значение момента уменьшится до значения М_п.мin, рычаг реостата перево­дят на вторую ступень и сопротивление реостата уменьшается. Теперь зависимость М=f(S) выражается кривой 2 и пусковой момент двигателя вновь достигает М_п.мах.Затем ПР 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 М_п.ср. Следует иметь в виду, что при слишком быстром переключении ступеней реостата пусковой ток может достигнуть недопустимо больших значений.

усковые 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 находитсяна 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 инеэкономичностьпусковой операции. Последнее вызывается необходимостью применения в схеме двигателя пускового реостата и непроизводительным расходом электроэнергии при его нагреве.

Пуск непосредственным включением в сеть (рисунок 64). Этот способ пуска, отличаясь простотой, имеет существенный недоста­ток: в момент подключения двигателя к сети в обмотке статора 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 можетвызвать 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). При необходимости уменьшения пускового тока двигателя применяют какой-либо из способов пуска короткозамкнутых двигателей при пониженном напряжении.

Более универсальным является способ пуска понижением подводимого к двигателю напряжения посредством реакторов (реактивных катушек—дросселей). Порядок включения двигателя в этом случае следующий (рисунок 66, а). При разомкнутом рубильнике 2 включают рубильник 1. При этом ток из сети поступает в обмотку статора через реакторыР, на которых происходит падение напряжения jI_пх_р (где Хр — индуктивное сопротивление реактора, Ом). В результате на об­мотку статора подается пониженное напряжение:

(51)

После разгона ротора двигателя включают рубильник 2 и подводимое к обмотке статора напряжение оказывается номиналь­ным.

Рисунок 66

Недостаток этого способа пуска состоит в том, что уменьшение напряжения в раз сопровождается уменьшением пускового момента М_п, в раз.

При пуске двигателя через понижающий ав­тотрансформатор (рисунок 66,б) вначале замы­кают рубильник 1, со­единяющий обмотки ав­тотрансформатора звез­дой, а затем включают рубильник 2 и двигатель оказывается подключенным на понижен­ное напряжение При этом пусковой ток двигателя, измерен­ный на выходе автотрансформатора, уменьшается в К_А раз, где К_А - коэффициент трансформации автотрансформатора. Что же касается тока в питающей двигатель сети, т. е. тока на входе авто­трансформатора, то он уменьшается в К_А² раз по сравнению с пусковым током при непосредственном включении двигателя в сеть. Дело в том, что в понижающем автотрансформаторе пер­вичный ток меньше вторичного в К_А раз и поэтому уменьшение пускового тока при автотрансформаторном пуске составляет К_АК_А= К_А² раз. Например, если кратность пускового тока асин­хронного двигателя при непосредственном его включении в сеть составляет , а напряжение сети 380В, то при авто­трансформаторном пуске с понижением напряжения до 220 В кратность пускового тока в сети .

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 проходиттремяступенями: на первой ступени к двигателю подводится напря­жение , на второй - и, наконец, на третьей ступени к двигателю подво­дится номинальное напряжение .

Как и предыдущиеспособы пуска при пониженномнапряжении,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 раз, а при автотрансформатор­ном — в раз.Но некоторая сложность пусковой опе­рации и повышенная стоимость пусковой аппаратуры (понижаю­щий автотрансформатор и переключающая аппаратура) несколько ограничивают применение этого способа пуска асинхронныхдви­гателей.

Опишите рабочие характеристики трёхфазного асинхронного двигателя.

Рабочие характеристики асинхронного двигателя (рисунок 67) представляют собой графически выраженные зависимости частоты вращения n₂, КПД, полезного момента (момента на валу) М₂, коэффициента мощности cosφ₁ и тока статора I₁ от полезной мощности Р₂ при U₁ =const и f₁=const.

Рисунок 67

Скоростная характеристика n₂=f(P₂). Частота вращения ро­тора асинхронного двигателя:

(52)

скольжение

(53)

т. е. скольжение двигателя, а следовательно, и его частота враще­ния определяются отношением электрических потерь в роторе к электромагнитной мощности Р_эм. Пренебрегая электрическими по­терями в роторе в режиме холостого хода, можно принять Р_э2= 0, а поэтому s₀≈0 и n₂₀≈n₁. По мере увеличения нагрузки на валу двигателя отношение растет, достигая значений 0,01-0,08 при номинальной нагрузке. В соответствии с этим зависимость n₂=f(P₂) представляет собой кривую, слабо наклоненную к оси абсцисс. Однако при увеличении активного сопротивления ротора угол наклона этой кривой увеличивается. В этом случае измене­ния частоты вращения n₂ при колебаниях на­грузки Р₂ возрастают. Объясняется это тем, что с увеличением возрастают электриче­ские потери в роторе.

Зависимость М₂=f(Р₂). Зависимость полезного момента на валу двигателя М₂ от полезной мощности Р₂ определяется выражением

(54)

Из этого выражения следует, что если n₂=const, то график М₂=f₂(Р₂) представляет собой прямую линию. Но в асинхрон­ном двигателе с увеличением нагрузки Р₂ частота вращения ро­тора уменьшается, а поэтому полезный мо­мент на валу М₂ с увеличением нагрузки возрастает несколько быстрее нагрузки, а следовательно, график М₂=f(Р₂) имеет кри­волинейный вид.

Зависимость cosφ₁= f(Р₂) . В связи с тем, что ток статора I₁ имеет реактивную (индук­тивную) составляющую, необходимую для создания магнитного ноля в статоре, коэффи­циент мощности асинхронных двигателей меньше единицы. Наибольшее значение коэф­фициента мощности соответствует режиму х. х. Объясняется это тем, что ток х. х. I₀ при любой нагрузке остается практически неиз­менным. Поэтому при малых нагрузках дви­гателя ток статора невелик и в значительной части является реак­тивным (I₁≈I₀). В результате сдвиг по фазе тока статора I₁ отноcительно напряжения Ủ₁ получается значительным (φ₁≈φ₂), лишь немногим меньше 90° (рисунок 68). Коэффициент мощности асинхронных двигателей в режиме х. х. обычно не превышает 0,2. При увеличении нагрузки на валу двигателя растет активная составляющая тока I₁ и коэффициент мощности возрастает, достигая наибольшего значения (0,80- 0,90) при нагрузке, близкой к номи­нальной. Дальнейшее увеличение на­грузки сопровождается

уменьшением соs φ₁, что объясняется возрастанием индуктивного сопротивления ротора за счет увеличения скольжения, а следовательно, и частоты тока в ро­торе. В целях повышения коэффициента мощности асинхронных двигателей чрезвычайно важно, чтобы двигатель работал всегда или по крайней мере значительную часть времени с

Рисунок 68 нагруз­кой, близкой к номинальной. Это можно обеспечить лишь при правильном выбо­ре мощности двигателя. Если же дви­гатель работает значительную часть времени недогруженным, то для повышения соs φ₁ целесообразно подводимое к двигателю напряжение U₁ уменьшить. Например, в двигателях, работающих при соединении обмотки статора треугольником, это можно сде­лать пересоединив обмотки статора в звезду, что вызовет умень­шение фазного напряжения в раз. При этом магнитный поток статора, а следовательно, и намагничивающий ток уменьшаются примерно в раз. Кроме того, активная составляющая тока статора несколько увеличивается. Все это способствует повышению коэффициента мощности двигателя. На рисунке 69 представ­лены графики зависимости соs φ₁ асинхронного двигателя от нагрузки при соединении обмоток статора звездой (кривая 1) и треугольником (кривая 2).

Рисунок 69

Тема: Устройство и работа синхронного генератора

Возбуждение синхронных машин

При рассмотрении принципа действия синхронного генератора установлено, что на роторе синхронного генератора расположен источ­ник МДС (индуктор), создающий в генераторе маг­нитное поле. С помощью приводного двигателя (ПД) ротор генератора приводится во вращение с синхронной частотой n₁. При этом магнитное поле ротора также вращается и, сцепляясь с обмоткой статора, наводит в ней ЭДС.

Синхронные двигатели конструктивно почти не отличаются от синхронных генераторов. Они также состоят из статора с обмоткой и ротора. Поэтому независимо от режима работы любая синхронная машина нуждается в процессе возбуждения — наведения в ней магнитного поля.

Основным способом возбуждения синхронных машин является электромагнитное возбуждение, сущность которою состоит в том, что на полюсах ротора располагают обмотку возбуждения. При прохождении по этой обмотке постоянного тока воз­никает МДС возбуждения, которая наводит в маг­нитной системе машины магнитное поле.

До последнего времени для питания обмотки возбуждения применялись специальные генераторы постоянного тока независимого возбуждения, называемые возбудителями В (рисунок 70, а), обмотка возбуждения которого (ОВ) получала пи­тание постоянного тока от другого генератора (па­раллельного возбуждения), называемого подвозбудителем (ПВ). Ротор синхронной машины и якоря возбудителя и подвозбудителя располагаются на общем валу и вращаются одновременно. При этом ток в обмотку возбуждения синхронной машины поступает через контактные кольца и щетки. Для регулирования тока возбуждения применяют регу­лировочные реостаты, включаемые в цепи возбуж­дения возбудителя (г₁) и подвозбудителя (г₂).