РАЗДЕЛ 6. ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ И ПУСКОЗАЩИТНАЯ АППАРАТУРА
Глава I. ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ
Электрические двигатели — машины, по назначению обратные генераторам. Генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую, двигатели, наоборот, электрическую энергию — в механическую. В сельском хозяйстве в основном применяются асинхронные двигатели переменного тока.
§ 1. Электродвигатели постоянного тока
Двигатель постоянного тока (рис. 52) состоит из двух частей: статора (индуктора) и ротора (якоря). Статор (неподвижная часть) состоит из следующих основных частей: стального магнитопровода с обмоткой возбуждения (катушками). Проходящий по катушкам ток создает постоянный магнитный поток. Вращающейся частью двигателя является ротор, который состоит из стального цилиндра с вмонтированной в нем обмоткой и вала с коллектором (набор изолированных друг от друга пластин).
Ток от постороннего источника через щетки (угольные пластины) подводится к коллектору, к которому прочно присоединены концы обмотки (катушек), расположенной на роторе. В результате взаимодействия магнитных полей статора и ротора ротор приходит во вращение.
§ 2. Синхронные электродвигатели
Синхронным называется электродвигатель, в котором вал ротора вращается со скоростью, равной скорости вращения магнитного поля (рис. 53).
Синхронные двигатели отличаются высоким коэффициентом мощности, достигающим единицы. Однако они относительно дороги и более сложны в эксплуатации, чем асинхронные. Поэтому синхронные машины в качестве двигателей пока имеют ограниченное применение в сельскохозяйственном производстве.
Скорость вращения магнитного поля определяется по формуле (28, стр. 33).
В асинхронном двигателе ротор вращается с меньшей скоростью. Поэтому скорость вращения ротора является асинхронной, а сам двигатель называется асинхронным.
Для определения отставания скорости вращения ротора от скорости вращения поля статора применяется определение, называемое скольжением. Если скольжение обозначить буквой s, а скорость вращения поля статора и ротора соответственно n1 и n2, то скольжение будет определяться формулой
(36)
Скорость вращения ротора изменяется также в зависимости от нагрузки на валу двигателя.
При изменении направления вращения поля статора изменится и направление вращения ротора. Практически этого можно достичь, поменяв местами два любых провода, соединяющих обмотку статора с питающей сетью.
§ 3. Принцип действия асинхронного двигателя
Принцип действия асинхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля, образуемого в обмотке статора с током, индуктированным этим полем в обмотке ротора.
Вращающееся магнитное поле создается статором — системой из трех обмоток, токи в которых сдвинуты по фазе между собой на 120°. Это вращающееся поле возбуждает в роторе токи, которые, в свою очередь, создают свое магнитное вращающееся поле. В результате взаимодействия этих двух полей образуется одно общее магнитное поле, под действием которого ротор вращается. Происходит преобразование электрической энергии в механическую.
Рис. 54. Асинхронный короткозамкнутый двигатель малой мощности: а, б) разрезы двигателя; в) разрез ротора; г) расположение катушек ротора.
§ 4. Устройство асинхронных двигателей
Асинхронные двигатели состоят из следующих основных частей: ротора, статора и двух боковых щитов (крышек) с подшипниками (рис. 54).
Статор — неподвижная часть. Статор состоит из листовой электротехнической стали и имеет пазы, в которые уложена статорная обмотка.
Трехфазный двигатель имеет три фазы, т. е. части статорной обмотки. Начало и конец каждой фазы выведены наружу корпуса двигателя для присоединения к электролинии. Начала фаз обозначаются знаками Cl, С2, С3, а концы этих фаз соответственно С4, С5 и С6.
Обмотка статора может быть включена «треугольником» или «звездой». Так, например, обозначение -/Δ — 380/220 в. Это значит, что при соединении обмотки в звезду, двигатель может работать при напряжении сети 380 в, а при соединении в треугольник — соответственно при напряжении 220 в. Для соединения обмотки в звезду концы всех фаз (С4, С5 и С6) соединяются вместе, а начала всех фаз (С1, С2, С3) подключаются к трем фазам сети. Для соединения обмоток треугольником начала одних фаз соединяются с концами других. Так, конец первой фазы (С4) соединяется с началом второй фазы (С2), конец второй фазы (С5) с началом третьей фазы (С3) и конец третьей фазы (С6) с началом первой фазы (С1). К каждому из трех соединений подключаются провода сети.
Ротор — вращающаяся часть. Вал ротора с двух концов лежит в подшипниках, которые находятся в щитах, прикрепленных болтами к корпусу. Роторы подразделяются на короткозамкнутые и фазные. Отсюда и асинхронные двигатели делятся на два типа: с короткозамкнутым ротором и с фазным.
Рис. 55. Фазный ротор.
Ротор состоит из электротехнической стали. По окружности имеются отверстия — пазы, в которые уложена обмотка.
В короткозамкнутом роторе обмотки во всех пазах соединяются между собой по концам ротора, образуя одну обмотку.
В фазном роторе (рис. 55) начала обмоток соединяются между собой, а концы подводятся к трем контактным кольцам. Контактные кольца изолированы как от вала, так и между собой. Над контактными кольцами находятся щеткодержатели, которые с помощью проводников соединяются с пусковым реостатом. Реостат предназначен для уменьшения пускового тока. Контакт между кольцами и выводными проводниками осуществляется с помощью щеток. Щетки расположены в щеткодержателях и с помощью пружинного зажима прижаты к кольцам.
Двигатель с фазным ротором, по сравнению с короткозамкнутым, более сложен в эксплуатации и стоимость его более высока. Он обладает несколько меньшим к. п. д. и cos φ. К достоинствам двигателя с фазным ротором относятся несложность регулировки скорости вращения и то, что пусковой ток его намного меньше, чем двигателя с короткозамкнутым ротором. Пусковой ток у короткозамкнутого двигателя в 5—7 раз больше номинального тока, а пусковой ток у двигателя с фазным ротором лишь в 2,5—3 раза превышает номинальный ток. Поэтому двигатели с фазным ротором находят применение на тех сельскохозяйственных машинах, которые относительно тяжело включаются (пускаются) в работу.
Наиболее массовое применение нашли асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором.
§ 5. Классификация асинхронных двигателей
По способу защиты от воздействия внешней среды асинхронные двигатели подразделяются на три основных типа: открытые, защищенные и закрытые (рис. 56). Открытые двигатели применяются в сухих отапливаемых помещениях. При этом в двигатели не должны попадать брызги воды, стружка и другие мелкие предметы. В противном случае применяются двигатели защищенного типа. Однако наибольшее применение в сельскохозяйственном производстве находят двигатели закрытого типа, которые полностью предохранены от попадания внутрь капель воды и пыли.
В зависимости от окружающей среды применяются двигатели, обмотки которых имеют особые изоляционные покрытия. В сильно сырых помещениях применяются двигатели, обмотки которых покрыты противосыростной изоляцией. В помещениях с химически активной средой (коровники, свинарники и т. д.) обмотки двигателей должны быть покрыты противоаммиачной изоляцией.
Асинхронные короткозамкнутые двигатели по существующим стандартам объединяются в единую серию А и АО.
Рис. 56. Типы асинхронных двигателей по способу защиты от воздействий внешней среды:
а) открытые; б) защищенные; в) закрытые.
Эта серия охватывает двигатели мощностью от 0,6 до 100 кВт семи габаритов: 3; 4; 5; 6; 7; 8 и 9-го. Габариты имеют отличие по наружному диаметру сердечника статора. Каждый габарит при определенной скорости вращения (числе полюсов) и исполнении имеет две мощности и два номера длины сердечника статора. Таким образом, в серии шкала мощности состоит из 14 ступеней: 0,6—1,0— 1,7—2,8—4,5—7,0—10—14—20 —28—40—55—75 и 100 кВт. Соответственно, серия имеет 14 типоразмеров двигателей.
В обозначении серии буква А определяет асинхронный двигатель защищенного исполнения, АО — асинхронный двигатель, закрытый обдуваемый.
В обозначении после букв идут цифры, которые означают: первая цифра — наружный диаметр сердечника статора (габарит), вторая цифра — порядковую длину сердечника и последняя цифра после тире — число полюсов. К примеру, АО62-4 будет означать: асинхронный двигатель, закрытый обдуваемый, в чугунной оболочке, шестого габарита, второй длины, четырехполюсный.
Электропромышленность с 1961 г. выпускает новую единую серию двигателей, которые обладают повышенными показателями. В обозначении этой серии непосредственно после букв добавляется цифра 2. В приведенном выше примере двигатель этой серии обозначал бы следующее наименование: АО262-4.
На базе обычных серий А и АО промышленность выпускает и другие двигатели, которые обладают одинаковыми параметрами в части общих размеров, номеров подшипников и др., но отличаются от обычных по своим энергетическим показателям и предназначаются для работы при определенных условиях. К таким двигателям относятся следующие: с повышенным пусковым моментом (АП и АОП), с повышенным скольжением (АС— АОС) и многоскоростные.
Двигатели с повышенным пусковым моментом наиболее целесообразно применять на машинах с тяжелым пуском в работу, дробилках, мельницах и т. п.
Двигатели с повышенным скольжением используются на машинах, которые имеют резко неравномерную нагрузку по времени. К ним относятся молоты механические, ножницы и т. п.
Многоскоростные двигатели позволяют регулировать скорость ступенями за счет переключения статорной обмотки на разное число полюсов. Многоскоростные двигатели имеют две, три, четыре скорости. Внешне многоскоростные двигатели отличаются от обычных большим количеством выводных проводов. Двухскоростные имеют шесть выводных проводов, трехскоростные — девять, а четырехскоростные — двенадцать.
Все модификации двигателей работают от сети переменного тока с частотой 50—60 гц в нормальных климатических условиях с температурой окружающего воздуха до плюс 35°.
В условиях жаркого климата с температурой окружающего воздуха до плюс 45° С и относительной влажностью воздуха до 95 % применяются двигатели специального тропического исполнения. Эти электродвигатели имеют в обозначении типоразмера дополнительную букву «Т» (тропические), стоящую после цифровой части обозначения. В отличие от двигателей нормального исполнения в них используются специальные материалы, антикоррозийные покрытия и смазки.
§ 6. Выбор электродвигателя
При выборе электродвигателя необходимо иметь в виду, что его мощность соответствовала максимальной нагрузке. Во время работы двигателя происходят потери мощности. Эти потери подразделяются на постоянные потери и переменные. Постоянные потери не зависят от нагрузки. К ним относятся потери в стали в результате перемагничивания и вихревых токов, а также потери механические (из-за трения в подшипниках и др.). Переменные потери зависят от величины нагрузки и происходят в проводниках обмотки. Чем больше ток, потребляемый двигателем, тем больше переменные потери.
Если двигатель перегревается сверх допустимой температуры, то это приводит к преждевременному старению изоляции обмоток, а следовательно, к выходу двигателя из строя. Изоляция различных классов может работать при определенных пределах температуры. Изоляция класса А (пропитанные электроизоляционным материалом волокнистые ткани из целлюлозы или шелка) при температуре 90° С должна служить около 20 лет. Если температуру повысить до 98° С, то срок службы изоляции уменьшается вдвое, а при температуре 150° выдерживает не больше 1,5 месяца.
При работе двигателя нагрузка обычно не постоянная. В то же время и характер работы двигателей не одинаков. Режим работы двигателя может быть: кратковременный, повторно-кратковременный и длительный. Нагрев двигателя при каждом из этих режимов будет различный. Режим работы тоже нужно учитывать при выборе мощности двигателя.
Производя выбор двигателя по конструктивному типу, принимается во внимание как способ соединения его с рабочей машиной, так и условия окружающей среды, в которых он будет работать.
По способу соединения с машиной применяются двигатели с горизонтальным или вертикальным валом. Бывают и встроенные, когда двигатель является как бы составной деталью машины. Используются для соединения различные устройства (муфта, клиноременная передача).
В зависимости от условий окружающей среды выбирается тип двигателя (открытый, закрытый, защищенный). Учитывается также скорость вращения двигателя, род тока и напряжения.
