Конструктивные особенности электрических машин в значительной мере влияют на технологию и объем работ по их монтажу. Помимо упомянутых выше конструктивных особенностей, в данном параграфе рассматриваются другие особенности средних и крупных электрических машин постоянного тока, асинхронных двигателей и синхронных машин, влияющие на технологию их монтажа.
Машины постоянного тока по своей конструкции являются наиболее сложными электрическими машинами. Это объясняется наличием коллектора, щеточного узла, якорной обмотки, а также сложными процессами коммутации, требующими после монтажа машин специальной наладки. Для эксплуатации машин постоянного тока требуется опытный персонал. В последние годы в ряде отраслей промышленности генераторы постоянного тока вытесняются ртутными, кремниевыми и тиристорными преобразователями. Однако ценные качества двигателей постоянного тока, допускающих широкую и плавную регулировку частоты вращения, обеспечивают их повсеместное применение в приводах прокатного и другого металлургического оборудования, а также на ряде других предприятий.
Средние и крупные машины постоянного тока выпускаются сериями. Машины мощностью 160—1500 кВт имеют якоря диаметром 423—990 мм. При мощности 1500—5400 кВт диаметры якорей составляют 2150—3800 мм и выполняются не из целых листов, а из сегментов.
Для плавного пуска и широкой регулировки частоты вращения двигателей привода прокатных станов применяют систему генератор — двигатель (сокращенно Г—Д). В качестве генератора для этой системы используют машину постоянного тока 20—21-го габарита, вращаемую приводным электродвигателем. Вал машины оканчивается фланцем, с помощью которого он жестко скрепляется болтами с валом двигателя. Генератор имеет один стояковый подшипник скольжения (второй подшипник установлен на валу привода). Смазка подшипника осуществляется двумя смазочными кольцами и масляным насосом через трубку, подающую жидкую смазку к подшипнику. Подшипник и лапы станины опираются на общую фундаментную плиту. Чтобы уменьшить высоту машины над уровнем пола, нижнюю часть ее утапливают в проеме фундамента. В нижней точке станины (статора) располагают и выводы обмоток, соединяемые с сетью.
Внутреннее пространство машины отделено от окружающей среды кожухом из листовой стали. Машина рассчитана на охлаждение от вентиляционной установки, воздух от которой подается к отверстиям в стенке кожуха машины со стороны коллектора и выбрасывается с противоположной стороны.
В связи с тем, что машины постоянного тока выпускаются на напряжение до 1000 В, ток якоря у машин мощностью от 1500 кВт и более велик и достигает нескольких тысяч ампер, что вызывает необходимость увеличения длины коллектора до 1 м. Во избежание прогиба таких пластин коллектора под действием центробежных сил машина выполнена со сдвоенным коллектором, состоящим из двух коллекторов.
Асинхронные двигатели. Серия асинхронных двигателей мощностью выше 100 кВт охватывает габариты 16—20-й. Двигатели выполняются с сегментированными сердечниками статора и ротора и со сварными станинами. По способу защиты от окружающей среды — это открытые или защищенные двигатели, а по конструктивному выполнению — двигатели с двумя стояковыми подшипниками на фундаментной плите.
В качестве примера рассмотрим конструкцию распространенного типа асинхронного двигателя серии АТ 19-го габарита, применяемого для привода большой мощности в металлургической, угольной, машиностроительной и других отраслях промышленности (прокатные станы, шахтные подъемники, насосы, вентиляторы и другие механизмы). Электродвигатели этой серии выполняются на напряжения 3000 и 6000 В.
Станина двигателя серии АТ неразъемная, сварного типа. Она состоит из трех колец, сваренных с наружной обшивкой. Для увеличения жесткости между кольцами вварены ребра, которые служат базой для сборки сегментов статора. Сегменты статора спрессованы между кольцом и подвижной плитой с другой стороны статора и стянуты шпильками, пропущенными вдоль его сердечника.
В пазы сердечника статора вложены катушки обмотки.
Станину и подшипники двигателя устанавливают на бетонный фундамент на общей фундаментной плите.
У двигателей серии АТ крестовина состоит из массивной стальной втулки, к которой приварены кольцевыми швами три диска с вырезами для прохода воздуха. Сердечник ротора состоит из сегментов. В каждом сегменте выштампованы две шпоночные канавки и два отверстия. Через отверстия пропущены шпильки, которые опрессовывают сердечник и удерживают сегменты от перемещения под действием центробежных сил.
Контактные кольца напрессованы на чугунную втулку, изолированную миканитом. На кольцах установлены щетки, помещенные в щеткодержатели, которые надеты на изолированные пальцы.
Шейки вала опираются на два стояковых подшипника скольжения. Головки подшипников и вкладыши — разъемные, что облегчает монтаж машины на фундаментной плите. Стояки подшипников приворачивают к фундаментной плите четырьмя болтами и фиксируют коническими штифтами, облегчающими установку стояков в процессе монтажа.
Синхронные машины применяют в качестве генераторов и двигателей. В качестве генераторов их используют на электростанциях небольшой мощности. Синхронные двигатели находят применение на промышленных предприятиях, для привода машин и механизмов, не требующих частых пусков и изменения частоты вращения (например, насосов, компрессоров, вентиляторов и других механизмов). Как уже упоминалось выше, их устройство и эксплуатация сложнее, чем асинхронных двигателей. Кроме того, для питания обмоток возбуждения синхронных двигателей необходим источник постоянного тока или собственный возбудитель. В последнее время получили распространение синхронные машины с возбуждением от постоянных магнитов или с питанием обмоток возбуждения от твердых выпрямителей, что позволило упростить их устройство.
Вместе с тем синхронные двигатели отличаются ценным свойством не только не потреблять из сети отстающий от напряжения намагничивающий ток, но и отдавать в сеть опережающий емкостный ток. Благодаря этому свойству включение в сеть синхронных двигателей способствует повышению коэффициента мощности cos φ в системе.
По конструктивному исполнению все синхронные машины делятся на явнополюсные и неявнополюсные. Явнополюсные машины охватывают диапазон частот вращения от нескольких десятков до 1500 об/мин. Неявнополюсные машины изготовляются обычно на 3000 об/мин; к ним относятся все турбогенераторы и быстроходные двигатели, получившие название турбодвигателей.
Трехфазные синхронные машины мощностью 320— 10 000 кВт объединены в единую серию машин 14—20-го габаритов совместно с асинхронными двигателями. Такое объединение дает возможность многие части машин (сборочные единицы), например статоры, подшипниковые стояки, фундаментные плиты, сделать одинаковыми для синхронных и асинхронных машин, что позволяет получить значительную экономию при их совместном производстве.
Смазка подшипников средних и крупных электрических машин. Как уже упоминалось выше, средние электрические машины (например, возбудители, двигатели для привода вспомогательного оборудования и др.), а также некоторые крупные электрические машины имеют шариковые или роликовые подшипники. Заправку их смазкой производят на заводе- изготовителе. Для этой цели применяют универсальную среднеплавкую смазку (солидол) или тугоплавкую смазку (1-13 или консталин).
В крупных электрических машинах в основном применяют подшипники скольжения с вкладышами, залитыми баббитом; такие подшипники снабжены кольцевой или принудительной смазкой под давлением. Для обеспечения машин смазкой сооружают разветвленные масляные системы, оборудованные насосами, машинами для очистки масла, устройствами для охлаждения масла и в ряде случаев приспособлениями для его подогрева.
При принудительной смазке машины давление масла перед подшипником должно быть 0,025—0,05 МПа, температура входящего масла при пуске машины должна быть не менее 30 °C. При более низкой температуре масла, поступающего в машину, при пуске ее может иметь место задирание вкладыша из-за чрезмерной вязкости охлажденного масла. Температура выходящего масла при работе машины должна составлять 35—40 °C (максимально допустимая температура выходящего масла 55—60 °C).
Если поверхность напорного бака недостаточна для охлаждения масла воздухом, применяют водяное охлаждение. Маслоохладитель рассчитан на перепад температур масла 15—20 °C, при этом перепад температуры охлаждающей воды в маслоохладителе составляет 10— 15 °C.
Перед пуском машины для подогрева масла до 30 °C в напорном баке устанавливают специальные грелки мощностью 1 кВт при вместимости бака 500 л и 2 кВт при вместимости 1000—1500 л.
Наименования и сорта масел, применяемых для подшипников скольжения с кольцевой или принудительной смазкой под давлением, как правило, указываются заводами-изготовителями машин.
Краткие сведения по упаковке и транспортированию электрических машин. Упаковка электрических машин или их сборочных единиц (при отправке машин в разобранном виде) выполняется заводом-изготовителем и может быть открытой, полуоткрытой или закрытой.
Открытая упаковка обеспечивает защиту электрической машины или отдельных ее сборочных единиц от механических повреждений и загрязнения, удобство перевозки и складирования, но не защищает всего изделия от климатических воздействий (дождь, снег и др.). Открытую упаковку применяют, когда изделие имеет достаточно прочную конструкцию, чтобы противостоять механическим нагрузкам при перевозке, и не подвержено коррозии или какой-либо порче от атмосферных воздействий.
Примером таких изделий являются закрытые асинхронные двигатели наружной установки, отгружаемые в открытой упаковке с закреплением на деревянных салазках. В последние годы ряд заводов- изготовителей применяет открытую упаковку и для закрытых электрических машин внутренней установки.
Полуоткрытая упаковка обеспечивает частичную защиту электрической машины или отдельных ее сборочных единиц от механических и атмосферных воздействий, а также удобство транспортирования груза. В этом случае электрическую машину или ее части устанавливают на деревянные салазки или специальную выкладку из деревянных брусьев, закрывают сверху и с боков толем или рубероидом и досками, а затем закрепляют от перемещений.
Закрытая упаковка обеспечивает полную защиту электрической машины или ее отдельных сборочных единиц от механических и атмосферных воздействий, а также удобство транспортирования каждого грузового места. В этом случае электрические машины или их сборочные единицы упаковывают в прочные ящики с плотной обшивкой и с водо- или паронепроницаемой прокладкой. Примером такой упаковки может служить выполняемая заводами-изготовителями упаковка якорей и статоров машин постоянного тока, а также машин открытого исполнения.
Упаковку тяжеловесных изделий, к которым относятся средние и крупные электрические машины, их сборочные единицы выполняют тщательно. Конструкция упаковки зависит от массы, формы, прочности и других характеристик изделия. Особенно надежно закрепляют тяжелые изделия неправильной формы. При этом избегают значительных местных давлений на упаковку, во избежание этого изделие крепят к днищу ящика или опорам, а также увеличивают площадь соприкосновения изделия и упаковки.
Для лучшего крепления изделия как внутри упаковки, так и на транспортных средствах используют установочные плиты (в том числе и фундаментные), лапы и другие части изделия.
Способ упаковки с закреплением на днище ящика широко применяют для различных изделий. Этот способ обеспечивает защиту изделия от толчков, поскольку на всех сторонах, кроме одной, имеется свободное расстояние (зазор) между изделием и внешней упаковкой, и поэтому не опасны деформации внешней упаковки в диагональном направлении при амортизации толчков. При этом особое внимание уделяют днищу ящика, которое должно выполняться достаточно прочным.
Упаковка крупных электрических машин и отдельных сборочных единиц имеет ряд особенностей и тесно связана с условиями транспортировки. Заводы-изготовители упаковывают и отправляют в разобранном виде только те электрические машины, которые выходят за пределы установленного габарита или массы, или те, которые недопустимо перевозить в собранном виде из-за возможной порчи, например машины с сегментными вкладышами в подшипниках, прецизионная установка которых может быть нарушена при перевозке.
При транспортировании электрических машин в собранном виде снижается стоимость упаковки, так как расходуется меньше упаковочных средств и материалов, уменьшается трудоемкость упаковки, устраняются излишние сборочные работы при монтаже. Вместе с тем упаковка электрических машин, отгружаемых в собранном виде, в первую очередь машин с подшипниками качения, имеет свои особенности. Это вызвано тем, что при перевозке таких машин в собранном виде подшипники качения служат опорами для ротора, находясь в неподвижном состоянии, в результате чего происходит набой (наклеп) в подшипниках от толчков при перевозке.
Для предотвращения повреждения подшипников качения при перевозке машин в собранном виде ленинградское объединение «Электросила» применяет специальные меры по защите подшипников. Машины, отправляемые в собранном виде на расстояние более 1000 км, устанавливают на амортизаторы, а при погрузке их стараются устанавливать на транспортные средства так, чтобы ось машины располагалась поперек движения транспорта. Когда размеры машины не позволяют установить ее подобным образом, применяют различного вида фиксаторы, разгружающие подшипники от нагрузок.
На заводах объединения «Электросила» до недавнего времени средние и крупные машины с подшипниками скольжения стоякового типа упаковывали и отправляли заказчику с вынутым ротором-якорем. В редких случаях, когда машина отправлялась в собранном виде, ротор закрепляли относительно подшипников специальными устройствами в виде скоб, которые крепили на корпусе подшипника болтами его крышки. К валу ротора скобу крепили болтом, входящим в резьбовое отверстие в торце вала. Эти скобы можно было использовать только для машин определенного конструктивного исполнения. Они не поддавались унификации и не были рассчитаны на действие большой аксиальной инерционной нагрузки, которая может достигать значения, равного массе ротора.
В последние годы для фиксации ротора при перевозке был разработан и в настоящее время широко применяется универсальный кольцевой фиксатор (рис. 1.2).
Он выполнен в виде составного кольца с выступом (рис. 1.2, а), входящим в канавку на валу ротора, и с отверстием для крепления к корпусу подшипника. Фиксатор устанавливают вместо лабиринтного уплотнения подшипника (рис. 1.2, б).
Рис. 1.2. Универсальный кольцевой фиксатор:
а — общий вид; б — установка на подшипник; 1 — подшипник; 2 — болт уплотнения подшипника; 3 — кольцевой фиксатор; 4 — вал машины
Для установки фиксатора используют маслосбрасывающую канавку на валу ротора. Полукольца фиксатора соединяют на валу ротора так, чтобы выступ входил в канавку вала, и крепят к корпусу подшипника болтами. Размеры кольцевого фиксатора не превышают размеров колец лабиринтного уплотнения. Это делает кольцевой фиксатор универсальным. Сечение фиксатора определяется из расчета на прочность при выкручивании от действия аксиальной нагрузки, равной массе ротора, что соответствует техническим условиям Министерства путей сообщения по перевозке грузов.
Кольцевой фиксатор не только закрепляет ротор при транспортировке, но и предотвращает попадание грязи в подшипник. Для электрических машин со стояковыми подшипниками скольжения (нормализованными и ненормализованными) кольцевой фиксатор нормализован как по конструкции, так и по размерам.
В связи с разработкой кольцевого фиксатора впервые заводы объединения «Электросила» стали упаковывать и отправлять в собранном виде средние и крупные машины с одним стояковым подшипником. Порядок подготовки к упаковке в собранном виде электрических машин с одним стояковым подшипником скольжения, установленным на фундаментные плиты, следующий. Перед окончательной сборкой тщательно осматривают детали и узлы машин и консервируют их. К фланцу ротора машины с одним подшипником со стороны, где его нет, прикрепляют болтами штуцер — удлинитель вала; во избежание перемещения ротора в радиальном направлении расклинивают его прокладками, устанавливаемыми в воздушном зазоре. Если машина имеет неразъемную магнитную систему, освобождают болты, крепящие крышку подшипника и вкладыш в корпусе подшипника.
При сборке машины с двумя и более подшипниками снимают лабиринтное уплотнение и устанавливают кольцевой фиксатор на больший из имеющихся подшипников; после установки фиксатор соединяют с корпусом подшипника всеми болтами, предназначенными для крепления лабиринтного уплотнения. К подшипнику, на который устанавливают фиксатор, прикрепляют этикетку с текстом следующего содержания: «Внимание! Перед началом монтажа фиксатор снять и заменить его лабиринтным уплотнением».
