Асинхронные двигатели.
В 1890 г. выдающийся русский инженер М. О. Доливо- Добровольский открыл принцип вращающегося магнитного поля, создаваемого трехфазным переменным током, на котором и основано устройство асинхронного двигателя.
Асинхронные двигатели являются наиболее распространенными в народном хозяйстве благодаря простоте конструкции. Их изготовляют либо с короткозамкнутым ротором, либо с фазным ротором, имеющим контактные кольца и щетки. По конструктивному исполнению, определяемому условиями окружающей среды, в которой электродвигатели должны работать, они делятся на защитные, закрытые, и взрывозащищенные. Асинхронные двигатели различных исполнений показаны на рис. 51.
Электропромышленность до 1961 г. выпускала асинхронные двигатели единой серии А, которые имели стандартные обозначения, приведенные в табл. 5. Первая цифра после букв в обозначении этих электродвигателей означает наружный диаметр сердечника статора (габарит), вторая цифра—порядковую длину сердечника, цифра после тире — число полюсов.
Рис. 51. Асинхронные двигатели: а — защищенный, б — закрытый, в — взрывозащищенный
Обозначение асинхронных двигателей единой серии
Например, АОС62-6 означает: двигатель единой серии с повышенным скольжением, закрытый, обдуваемый, в чугунной оболочке, шестого габарита, второй длины, шестиполюсный.
С 1961 г. заводы электропромышленности выпускают новую единую серию асинхронных двигателей мощностью до 100 кВт, предназначенную для замены электродвигателей серии А и АО. По сравнению с ранее выпускавшимися в электродвигателях новой серии существенно улучшены характеристики (к. п. д. и cos φ), а также снижены масса и размеры и повышена эксплуатационная надежность (применение высокопрочных изоляционных материалов и лаков).
Буквенное обозначение типов электродвигателей принято такое же, как и ранее выпускавшихся, но с добавлением цифры 2, а именно А2, АО2 и т. д. Например, АО281-10 означает: асинхронный двигатель, закрытый, обдуваемый, новой единой серии, восьмого габарита, первой длины, десятиполюсный.
На базе основного исполнения электродвигателей серии А2 и АО2 изготовляют электродвигатели с повышенным пусковым моментом, скольжением и т. д.
Электродвигатели с фазным ротором применяют в тех случаях, когда надо обеспечить плавный пуск, ограничить величину пускового тока, иметь большой начальный пусковой момент или когда необходимо регулировать скорость вращения электродвигателя. Уменьшение пускового тока и увеличение пускового момента достигается введением в цепь ротора пускового сопротивления (рис. 52). Перед пуском сопротивление 7 вводится полностью в цепь ротора (переключатель 6 устанавливается на контакты 1).
Рис. 52. Схема пуска трехфазного асинхронного двигателя с фазным ротором
После этого рубильником включается в сеть обмотка статора. Затем переключатель 6 постепенно переводится на контакты 2, 3, 4 и 5, при этом электродвигатель постепенно разворачивается. При положении переключателя на контактах 5 пусковое сопротивление полностью выводится из цепи ротора и электродвигатель развивает номинальное число оборотов.
Если электродвигатель редко пускают в ход, контактные кольца в конце пуска замыкают накоротко специальным устройством, которое одновременно поднимает щетки с контактных колец. При частых пусках щетки обычно не поднимают.
Защита короткозамкнутых асинхронных двигателей от перегрузок и коротких замыканий. Короткозамкнутый асинхронный двигатель при пуске потребляет из сети в течение нескольких секунд ток, превышающий номинальный в 5—8 раз, что усложняет устройство его защиты от коротких замыканий и длительных опасных перегрузок.
Для защиты короткозамкнутых асинхронных двигателей от коротких замыканий применяют плавкие предохранители и автоматические выключатели. Номинальный ток плавкой вставки предохранителя выбирают по формуле
Предположим, что надо подобрать ток плавкой вставки предохранителя для ответвления от магистрали к трехфазному асинхронному короткозамкнутому двигателю мощностью 20 кВт при напряжении 380 В и номинальном токе 39 А, указанном на паспортной табличке. Плавкие вставки имеют стандартные величины номинальных токов 15, 20, 25, 35, 60, 80, 100, 125, 160, 200 А.
Кратность пускового тока приведена в справочных таблицах технических данных для каждого типа асинхронных двигателей.
Допустим, что пусковой ток двигателя в семь раз больше его номинального тока
Расчетный ток плавкой вставки
Следовательно, ближайшее значение тока плавкой вставки 100 А.
Такая плавкая вставка предохраняет электродвигатель от коротких замыканий, но она не может защищать его от перегрузок. Даже при длительной двойной перегрузке электродвигателя по току (39x2=78 А) плавкая вставка не перегорит. Если же выбрать Плавкую вставку на меньший ток, такая вставка может перегореть от перегрева пусковым током в момент пуска.
При пуске короткозамкнутых двигателей небольшой мощности стали отказываться от защиты их от перегрузки, ограничиваясь применением предохранителей для защиты от коротких замыканий и простым пусковым аппаратом в виде рубильника или пакетного выключателя.
Защита электродвигателя от длительных опасных перегрузок только тепловыми реле не обеспечивает защиту от коротких замыканий, поэтому перед магнитными пускателями, защищающими электродвигатели от перегрузок, устанавливают предохранители с плавкими вставками, выбранными по пусковому току *.
Современная защита от перегрузок асинхронных короткозамкнутых двигателей осуществляется магнитными пускателями с тепловыми элементами или автоматами с тепловыми и электромагнитными расцепителями, которые обеспечивают наилучшие условия для эксплуатации.
Большое значение для надежности тепловой защиты имеет правильный выбор тепловых элементов, устанавливаемых в магнитных пускателях. Тепловые элементы промышленность выпускает под номерами (от 1 до 65), их подбирают для защиты асинхронных двигателей в зависимости от их номинального тока и типа теплового реле. В приложении 1 приведена таблица для выбора нагревательных элементов к магнитным пускателям асинхронных двигателей.
Рис. 53. Схема пуска трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором переключением со звезды на треугольник
Пуск короткозамкнутых двигателей может быть произведен переключением обмотки статора со звезды на треугольник по схеме, показанной на рис. 53. Для такого пуска электродвигатель должен иметь обмотку статора, соединенную в треугольник при номинальном напряжении сети. Включая обмотку переключателем вначале на звезду (на положение 3 переключателя)', получают на каждой фазе обмотки напряжение, которое в 1,73 раза меньше линейного напряжения сети. Соответственно уменьшается пусковой ток при включении электродвигателя. После того как двигатель развернется, производят переключение на треугольник (на положение Т переключателя), вследствие чего на каждой фазе обмотки статора появится нормальное междуфазное (линейное) напряжение сети.
* Предохранители для защиты от коротких замыканий устанавливают непосредственно перед магнитными пускателями или в силовых пунктах.
Рис. 54. Схема пуска трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором через сопротивление в цепи фазы статора
Таким образом, если электродвигатель имеет номинальное напряжение 127/220 В, его можно пускать переключением со звезды на треугольник только при напряжении сети 127 В; при напряжении двигателя 220/380 В переключение со звезды на треугольник применимо только при напряжении сети 220 В. Для пуска электродвигателя переключением со звезды на треугольник при напряжении сети 380 В он должен быть на номинальное напряжение 380/660 В.
При пуске с переключением обмотки статора со звезды на треугольник в момент включения на звезду снижается не только напряжение на каждой фазе, но и начальный момент вращения электродвигателя, поэтому этот пуск применим тогда, когда электродвигатель включают в ход вхолостую или с нагрузкой, не превышающей 40% номинальной.
Понизить напряжение на обмотке статора короткозамкнутого двигателя при пуске для снижения толчка пускового тока можно также путем включения в цепь одной из фаз пускового сопротивления R, как показано на рис. 54. После разгона электродвигателя включается рубильник Р1, шунтирующий пусковое сопротивление. Достоинствами этой схемы являются ее простота и малая стоимость, а недостатками — большое снижение начального пускового момента, неравномерный разгон и потери электроэнергии в пусковом сопротивлении.
Для уменьшения пускового тока короткозамкнутых асинхронных двигателей применяют также включение пусковых регулируемых сопротивлений в три фазы статора и включение через понижающий автотрансформатор. Эти схемы усложняют и удорожают пусковое устройство и применяются в тех случаях, когда прямой пуск недопустим, главным образом, для электродвигателей большой мощности.
Рис. 55. Реверсирование трехфазного асинхронного двигателя с помощью переключателя
Изменение направления вращения асинхронного двигателя (реверсирование) достигается переменой мест каких-либо двух фаз питающей сети. Для реверсирования применяют реверсивные магнитные пускатели и другие переключающие устройства (рис. 55).
Электрическое торможение.
В некоторых технологических процессах, где привод машин осуществляется от асинхронных двигателей, целесообразно сокращать время выбега электродвигателя после его отключения до полной остановки. Для этой цели может быть применено электрическое торможение. На рис. 56 показана схема торможения асинхронного двигателя методом противовключения, где применен реверсивный магнитный пускатель 1K — 2К и реле скорости PC. После включения электродвигателя кнопкой «Пуск» включается пускатель 1К и размыкается нормально замкнутый блок-контакт 1К в цепи катушки пускателя обратного направления 2К. Одновременно с пуском электродвигателя включается реле скорости PC, замыкая нормально разомкнутый блок-контакт PC.
Нажимая кнопку «Стоп», мы отключаем электродвигатель от сети пускателем 1К, но одновременно замыкается блок-контакт 1K в цепи катушки 2К и пускатель 2К включает электродвигатель в обратном направлении. В это время кнопкой «Пуск» электродвигатель включить нельзя, так как в цепи катушки 1К разомкнут блок-контакт 2К. При остановке электродвигателя (или установленной малой скорости) реле PC разомкнет блок-контакт PC в цепи катушки 2К и электродвигатель отключится от сети; схема приводится в положение готовности для повторного пуска.
На рис. 57 показана схема динамического торможения асинхронного двигателя включением постоянного тока от вспомогательного источника (применен селеновый выпрямитель ВС).
При нажатии на кнопку «Пуск» электродвигатель включается по схеме магнитным пускателем К. Одновременно замыкается блок-контакт К в цепи постоянного тока и включается электромагнитное реле времени РВ. Замыкается блок-контакт РВ в параллельной цепи катушки тормозного двухполюсного контактора постоянного тока КТ, но включения катушки КТ не происходит, так как в ее цепи при включении пускателя К разомкнулся нормально замкнутый блок-контакт К.
Рис. 56. Схема торможения трехфазного асинхронного двигателя противовключением
Когда при нажатии на кнопку «Стоп» пускатель К отключит электродвигатель и вслед за этим замкнется блок-контакт К в цепи катушки КТ, контактор КТ включит на две фазы обмотки статора постоянный ток, что даст быстрое торможение электродвигателя.
Рис. 57. Схема динамического торможения трехфазного асинхронного двигателя
Одновременно с отключением пускателя К разомкнется блок-контакт К в цепи катушки реле времени РВ, это реле сработает и разомкнет цепь катушки КТ, с некоторой заранее установленной выдержкой времени, достаточной для полной остановки электродвигателя. После срабатывания реле времени РВ контактор КТ отключает от статора постоянный ток и схема приводится в перво-, начальное положение готовности для пуска.
Синхронные электродвигатели.
В качестве электропривода в различных отраслях промышленности и для разнообразных механизмов и рабочих машин находят все более широкое применение синхронные электродвигатели вместо асинхронных. В настоящее время в связи с упрощением их пуска синхронные двигатели применяются для привода центробежных и поршневых насосов, компрессоров, вентиляторов, воздуходувок, различных мельниц, дробилок, двигатель-генераторных агрегатов, прокатных станов и т. д.
Ротор синхронного двигателя имеет обмотку возбуждения, питаемую от генератора постоянного тока, размещенного на одном валу с электродвигателем или от полупроводниковых выпрямителей. Синхронные двигатели обладают рядом преимуществ по сравнению с асинхронными. Коэффициент полезного действия синхронных двигателей выше, чем у асинхронных. Синхронные двигатели сохраняют постоянство числа оборотов при всех нагрузках, так как при заданной частоте f скорость п вращения ротора постоянна и равна — 60f/р, где р — число пар полюсов электродвигателя.
Вращающий момент у синхронного двигателя меньше зависит от колебаний напряжения, так как он прямо пропорционален напряжению. У асинхронных двигателей вращающий мбмент пропорционален квадрату напряжения.
Синхронный двигатель при изменении тока возбуждения может отдавать в сеть реактивную мощность; применение синхронных двигателей является одним из наиболее эффективных способов повышения коэффициента мощности. Синхронные электродвигатели работают преимущественно с опережающим cos φ=0,9.
В ряде случаев синхронный двигатель без нагрузки используется в качестве синхронного компенсатора для повышения коэффициента мощности электроустановок предприятия. Однако этот способ компенсации реактивных нагрузок менее экономичен ввиду значительных потерь и допускается только в виде исключения.
