Глава VII. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
§ 1 Общие сведения
Машины переменного тока — двигатели и генераторы — принято разделять на две большие группы — машины асинхронные и синхронные.
К группе асинхронных относятся машины переменного тока, у которых частота вращающегося магнитного поля и частота вращения подвижной части — ротора — всегда различны и не могут быть одинаковыми по характеру основных физических процессов, происходящих в машине.
Группа синхронных машин объединяет машины, переменного тока, частота вращения ротора которых всегда равна (синхронна) частоте вращающегося магнитного поля.
По числу фаз различают трех фазные и однофазные машины переменного тока.
Как и электрические машины вообще, машины переменного тока обратимы, то есть каждая из них может работать и генератором и двигателем. Это, однако, не означает, что практически безразлично, в каком режиме (двигательном или генераторном) использовать данную машину. Синхронным и асинхронным, однофазным и трехфазным машинам временного тока присущи специфические свойства, которые предопределяют сферу их применения. Так, более мощные экономичные трехфазные машины распространены шире, чем однофазные.
Синхронные машины используются в основном в качестве генераторов (ими оснащены все современные мощные электростанции); синхронные двигатели применяют реже, в отдельных процессах и производствах.
Из всех электрических машин наиболее широкое, преимущественное распространение и в промышленности и в сельском хозяйстве получил трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (около 95% всех двигателей — асинхронные). Эго простые по конструкции, надежные в работе, удобные в обслуживании и дешевые машины. Следствием очевидных достоинств стали массовость их использования и чрезвычайно обширная сфера действия.
Данная глава в целом посвящена описанию устройства, принципа действия, работы, основных свойств и характеристик именно этого, получившего наибольшее применение представителя семейства электрических машин переменного тока — трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.
Рис. 85. Асинхронный трехфазный электродвигатель с короткозамкнутым ротором в разобранном виде:
1 — щит; 2 — статор; 3 — крышка щитка; 4 — короткозамкнутый ротор; 5 — защитный кожух вентилятора; 6 — вентилятор.
§ 2. Устройство асинхронного электродвигателя
Основные части асинхронного электродвигателя — неподвижный статор 2 (рис. 85) и вращающийся ротор 4.
Статор состоит из чугунного или алюминиевого корпуса, сердечника с пазами, набранного из отдельных изолированных листов электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм, и обмотки, выполненной обычно из медной изолированной проволоки. В статор укладывают три обмотки (по числу фаз), сдвинутые в пространстве по отношению друг к другу на угол 120°, а их выводы помещают в коробку, размещенную на корпусе, и определенным образом маркируют (табл. 2).
Таблица 2
Обозначения выводов обмоток статора (ГОСТ 183—66)
Обмотки статора соединяют по двум схемам: з в е з д а и т р е у г о л ь н п к. Для получения схемы звезда (рис.
Рис. 80. Схема включения обмоток трехфазного электродвигателя:
а — в звезду; б — и треугольник; в — исполнение схем «звезда» и «треугольник» на клеммном щитке.
§ 2. Устройство асинхронного электродвигателя
Основные части асинхронного электродвигателя — неподвижный статор 2 (рис. 85) и вращающийся ротор 4.
С т а т о р состоит из чугунного или алюминиевого корпуса, сердечника с пазами. Чтобы составить схему треугольник (рис. 86, б), конец С4 первой фазы соединяют с началом С2 второй, конец С5 второй с началом СЗ третьей, конец С в третьей с началом С1 первой п общие точки Cl—С6, С2—С4, СЗ—С5 подключают к сети.
§ 10. Рабочие характеристики асинхронного электродвигателя
Рабочие характеристики электродвигателя выражают зависимости частоты вращения ротора, тока статора, к. и. д., cos ф, потребляемой мощности Р1 и вращающего момента М от полезной мощности Р2 на валу при постоянных значениях напряжения U и частоты тока.
Скоростная характеристика асинхронного двигателя жесткая, то есть в диапазоне нагрузок на валу от холостого хода до номинальной частота вращения ротора изменяется незначительно.
Характеристика вращающего момента представляет собой чуть изогнутую вверх кривую, выходящую из начала координат. Это объясняется снижением частоты вращения при увеличении полезной мощности.
Коэффициент мощности cos ф при холостом ходе электродвигателя равен 0,2—0,3. С увеличением нагрузки растет активная слагающая тока и cosф увеличивается, достигая значения 0,08—0,92 при поминальной нагрузке, а затем медленно уменьшается.
Коэффициент полезного действия электродвигателя с увеличением нагрузки возрастает до максимального значения при нагрузке 0,8 номинальной, а далее понижается из-за увеличения потерь на нагревание обмоток статора.
Ток статорной обмотки электродвигателя увеличивается вместе с нагрузкой. При перегрузках он растет быстрее полезной мощности.
Электродвигатели серий А2, АО2 и 4А
Отечественная промышленность выпускает единую серию асинхронных трехфазных электродвигателей А2 и АО2 с короткозамкнутым ротором мощностью от 0,6 до 100 кВт. Эта серия состоит из девяти габаритов, различающихся размером наружного диаметра сердечника статора. Каждый габарит при данных частоте вращения и исполнении предусматривает две мощности и соответственно два номера длины сердечника статора.
Эти электродвигатели, в чугунном или алюминиевом корпусе, защищенного или закрытого обдуваемого исполнения, с изоляцией класса Е для 1—5-го габаритов и повышенной нагревостойкости для 6—9-го габаритов, рассчитаны на работу от сети переменного трехфазного тока частотой 50 Гц, напряжением 380/220 В, с отдачей паспортной мощности при температуре окружающей среды 40° С и влажности до 80%.
На базе электродвигателей основного исполнения созданы модификации: АОП2 — с повышенным пусковым моментом, АОС2 — с повышенным скольжением, АОК2 — с фазным ротором, многоскоростные (на две, три и четыре частоты вращения ротора), а также специализированного исполнения: Т — тропическое, X —химостойкое, В — влагоморозостойкое, Щ — малошумное.
Кроме того, выпускается серия трехфазных асинхронных электродвигателей серии Д с чугунным и Да с алюминиевым корпусом.
В 1972 г. начато производство асинхронных трехфазных электродвигателей с короткозамкнутым ротором серии 4А мощностью от 1,12 до 400 кВт, защищенного и закрытого обдуваемого исполнения, предназначенных для работы от сети напряжением 220/380 и 380/660 В, частотой тока 50 Гц. Электродвигатели этой серии имеют ряд преимуществ но сравнению с другими, выпускаемыми в настоящее время: их масса и габаритные размеры меньше, пусковые моменты увеличены, уровни воздушного шума п вибрации снижены, они более надежны и долговечны, их отличают удобство при монтаже и эксплуатации и современное конструкторско-художественное оформление.
Специальные асинхронные электродвигатели сельскохозяйственного назначения
Электродвигатели общепромышленного назначения не отвечают специфическим условиям сельского хозяйства, в связи с чем промышленность приступила к выпуску на базе серий АО2 и Д специальных асинхронных электродвигателей сельскохозяйственного назначения. Они предназначаются для работы на открытом воздухе и во всех сельскохозяйственных помещениях с температурой окружающей среды от —45° С до +40° С и относительной влажностью воздуха до 98% при 20° С.
Кроме того, они допускают содержание в воздухе до 1,16 г/м3 горючей соломистой и хлопковидной пыли, 0,03 г/м3 аммиака, 0,03 г/м3 сероводорода и 14,7 г/м3 углекислого газа.
Электродвигатели серии АО2 и АОП2 сельскохозяйственного назначения выпускают 3—7 габаритов мощностью от 1,5 до 30 кВт на 1000, 1500 и 3000 об/мин. В обозначение электродвигателей этой серии введены буквы СХ (например, АО2-32-2СХ).
Электродвигатели серии Да сельскохозяйственного назначения выпускают мощностью oт 0,25 до 4 кВт на 750, 1000, 1500 и 3000 об/мин, а также многоскоростные — на две и три скорости.
Буквы и цифры в обозначении расшифровываются (на
примере Да 80А4С) так: Д — серия, а — алюминиевый корпус, 80 — высота оси вращения, А — короткий магнитный сердечник, 4 — четырехполюсный, С — сельскохозяйственного назначения (при наличии буквы П — для привода осевых вентиляторов птицеводческих помещений).
Обмотки электродвигателей сельскохозяйственного назначения серий Да и А02 габаритов 3 и 4 соединены в звезду с тремя выводами наружу (С1, С2, С3) и рассчитаны на номинальное напряжение 380 В, а обмотки электродвигателей серии А02 габаритов 5, 6 и 7 при этом же напряжении соединяют в треугольник с шестью выводами.
Все электродвигатели сельскохозяйственного назначения обладают улучшенными пусковыми свойствами (их пуск возможен при номинальной нагрузке) и повышенными значениями к. п. д. и cos ф. Это машины закрытого обдуваемого, химовлагоморозостойкого исполнения; от попадания пыли, инородных предметов и влаги они защищены манжетными резиновыми уплотнениями по линии вала.
Электродвигатели до 5-го габарита имеют изоляцию класса В, 6-го и 7-го габаритов — класса F, допускающую максимальный нагрев обмоток соответственно до 125 и 145°С.
§ 13. Однофазные асинхронные электродвигатели
Однофазные электродвигатели, применяемые в сельскохозяйственном производстве для привода ряда машин (например, вентиляторов, некоторых водяных насосов и др.), выпускаются напряжением 127, 220 и 380 В, частотой тока 50 Гц, мощностью от 18 до 600 Вт.
Ротор таких электродвигателей (рис. 94, а) коротко замкнутый, а в пазы статора уложены рабочая и вспомогательная обмотки.
Поскольку однофазный переменный ток не создает вращающегося магнитного поля, в однофазных электродвигателях пускового момента не возникает. Однако если ротор такого электродвигателя сначала принудительно развернуть, то создается вращающий момент, действующий в направлении вращения ротора.
Чтобы получить пусковой момент, в статор укладывают пусковую (вспомогательную) обмотку, сдвинутую в пространстве относительно рабочей на угол 90° (рис. 94, б).
Рис. 94. Схемы включения простейшего однофазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором: а — с одной основной рабочей обмоткой; б— со вспомогательной (пусковой) обмоткой; в — с рабочим конденсатором; г— с рабочим и пусковым конденсаторами: 1 — основная обмотка; 2 — вспомогательная обмотка; Ср -рабочий конденсатор; СП — пусковой конденсатор.
Выводы пусковой обмотки обозначают буквами П1—П2, рабочей С1—С2. Для изменения направления вращения ротора достаточно поменять местами выводы пусковой , или рабочей обмотки.
При пуске обе обмотки включают на полное напряжение сети. После того как электродвигатель разобьет номинальную частоту вращения (примерно через 3 с), пусковую обмотку отключают.
Электродвигатели с пусковой обмоткой имеют небольшой пусковой момент, малую перегрузочную способность и низкие к. п. д.. и cos ф.
Для увеличения пускового момента последовательно с пусковой обмоткой чаще включают емкостное сопротивление — конденсатор (рис. 94,в). Такой электродвигатель называют конденсаторным. Его пусковой момент составляет 45—50% номинального. Чтобы еще больше увеличить пусковой момент, параллельно рабочей емкости Ер на время пуска включают пусковую емкость Сп(рис. 94, г). Такой электродвигатель, называют конденсаторным с пусковой емкостью.
