Для обеспечения стабильности выходного напряжения генератора необходимо регулировать магнитный поток. При его ослаблении машину надо подмагнитить, при увеличении - размагнитить. Делается это путем регулирования тока, подаваемого в обмотку возбуждения ротора генератора.

6.3 Синхронный двигатель

6.3.1 Конструкция и принцип действия

Конструкция синхронного двигателя такая же, как и у синхронного генератора.

При подаче тока в трехфазную обмотку статора в нем возникает вращающееся магнитное поле. Частота вращения его определяется формулой:

где f - частота тока питающей сети, р - число пар полюсов на статоре.

Ротор, являющийся часто электромагнитом, будет строго следовать за вращаю-щимся магнитным полем, т.е. его частота вращения n₂ = n₁.

Рассмотрим принцип действия синхронного двигателя на следующей условной модели (рис.6.3.1.). Пусть магнитное поле статора будет смоделировано системой вращающихся магнитных полюсов N - S.

Ротор двигателя тоже представляет собой систему электромагнитов S - N, кото-рые "сцеплены" с полюсами на статоре. Если нагрузка на двигателе отсутствует, то оси полюсов статора будут совпадать с осями полюсов ротора (= 0).

Если же к ротору подключена механическая нагрузка, то оси полюсов статора и ротора могут расходиться на некоторый угол .

Однако "магнитное сцепление" ротора со статором будет продолжаться, и частота вращения ротора будет равна синхронной частоте статора (n₂ = n₁). При больших значениях ротор может выйти из "сцепления" и двигатель остановится.

Главное преимущество синхронного двигателя перед асинхронным - это обеспечение синхронной скорости вращения ротора при значительных колебаниях нагрузки.

6.3.2 Система пуска синхронного двигателя

Как мы показали выше, синхронное вращение ротора обеспечивается "магнитным сцеплением" полюсов ротора с вращающимся магнитным полем статора.

В первый момент пуска двигателя вращающееся магнитное поле статора возникает практически мгновенно. Ротор же, обладая значительной инерционной массой, прийти в синхронное вращение сразу не сможет. Его надо "разогнать" до подсинхронной скорости каким-то дополнительным устройством.

Долгое время роль разгонного двигателя играл обычный асинхронный двигатель, механически соединенный с синхронным.

Ротор синхронного двигателя приводится во вращение до подсинхронной скорости. Далее двигатель сам втягивается в синхронизм.

Обычно мощность пускового двигателя составляет 5-15 % от мощности синхронного двигателя. Это позволяет пускать в ход синхронный двигатель только вхолостую или при малой нагрузке на валу.

Применение пускового двигателя мощностью, достаточной для пуска синхронного двигателя под нагрузкой делает такую установку громоздкой и дорогой.

В последнее время используется так называемая система асинхронного пуска синхронных двигателей. С этой целью в полюсные наконечники забивают стержни, напоминающие собою короткозамкнутую обмотку асинхронного двигателя (рис.6.3.2.1).

В начальный период пуска синхронный двигатель работает как асинхронный, а в последующем - как синхронный. В целях безопасности обмотку возбуждения в начальном периоде пуска закорачивают, а на заключительном подключают к источнику по-стоянного тока.

6.4 Реактивный синхронный двигатель

В лабораторной практике, в быту и в маломощных механизмах применяют так называемые реактивные синхронные двигатели.

От обычных классических машин они отличаются лишь конструкцией ротора. Ротор здесь не является магнитом или электромагнитом, хотя по форме напоминает собой полюсную систему.

Принцип действия реактивного синхронного двигателя отличен от рассмотренного выше. Здесь работа двигателя основана, на свободной ориентации ротора таким образом, чтобы обеспечить магнитному потоку статора лучшую магнитную проводимость (рис.6.4.1).

Действительно, если в какой-то момент времени максимальный магнитный поток будет в фазе А - X, то ротор займет положение вдоль потока ФА. Через 1/3 периода максимальным будет поток в фазе В - У. Тогда ротор развернется вдоль потока ФВ. Еще через 1/3 периода произойдет ориентация ротора вдоль потока. ФС. Так непрерывно и синхронно ротор будет вращаться с вращающимся магнитным полем статора.

В школьной практике иногда, при отсутствии специальных синхронных двигателей, возникает необходимость в синхронной передаче.

Эту проблему можно решить с помощью обычного асинхронного двигателя, если придать ротору следующую геометрическую форму (рис.6.4.2).

6.5 Шаговый двигатель

Этот тип двигателя является машиной постоянного тока, хотя принцип действия его напоминает синхронный реактивный двигатель.

Как видно из рис.6.5.1, статор двигателя имеет шесть пар выступающих полюсов.

Каждые две катушки, расположенные на противоположных полюсах статора, образуют обмотку управления, включаемую, в сеть постоянного тока. Ротор - двухполюсный.

Если подключить к источнику постоянного тока катушки полюсов 1 - 1', то ротор расположится вдоль этих полюсов. Если задействовать катушки полюсов 2 - 2', а ка-тушки полюсов 1 - 1' обесточить, то ротор повернется и займет положение вдоль полю-сов 2 - 2'. Такой же поворот ротора произойдет, если включить в сеть катушки полюсов 3 - 3'. Так, шагами, ротор будет "следовать" за своей обмоткой управления.

Преимуществом шаговых двигателей является то, что в них совершенно отсутствует "самоход". Они поворачиваются и строго фиксируются с шагом, пропорциональ-ным числу полюсов на статоре. Это качество делает его незаменимым в особо точных механизмах (для привода часов, механизмов подачи ядерного топлива в реакторах, в станках с ЧПУ и т.д.).

Управление шаговыми двигателями ведется с применением различных электронных устройств (триггеров Шмидта и др.).

6.6 Коллекторный двигатель переменного тока

Безколлекторные асинхронные и синхронные двигатели при многих положительных качествах имеют существенные недостатки. Они не допускают достаточно плавного и экономичного регулирования вращения.

Этот пробел частично восполняют коллекторные двигатели переменного тока.

Коллекторные двигатели бывают однофазными и трехфазными.

Ротор однофазного коллекторного двигателя выполнен в виде цилиндра с фазными обмотками, статор - явнополюсный.

Так как обмотка полюсов статора, подключаемая к сети переменного тока, создает пульсирующее магнитное поле, то все элементы магнитной цепи машины набираются из отдельных листов электротехнической стали.

Вращающий момент в однофазном коллекторном двигателе создается взаимодействием токов в обмотке ротора с магнитным потоком полюсов. На рис.6.6.1 - показана схема подключения к сети коллекторного двигателя.

Коллекторные двигатели могут работать как от сети переменного тока, так и от сети постоянного тока. Это обстоятельство послужило для присвоения им наименования универсальных коллекторных двигателей. Коллекторные двигатели широко при-меняются для привода швейных машин, пылесоса и т.д.

7.1 Принцип действия и конструкция

Два неподвижных полюса N и S создают магнитный поток. В пространстве между полюсами помещается стальной сердечник в виде цилиндра (рис.7.1.1).

На наружной поверхности цилиндра помещен виток медной проволоки abcd, изолированный от сердечника. Концы его присоединены к двум кольцам, на которые наложены щетки 1 и 2. К щеткам подключена нагрузка zн.

Если вращать сердечник с частотой n в указанном на рисунке направлении, то виток abcd, вращаясь, будет пересекать магнитные силовые линии, на концах его будет наводиться ЭДС. И если к витку подключена нагрузка zн, то потечет и ток. Направление тока определится правилом "правой руки". Из рисунка видно, что направление тока будет от точек b к а и от d к с. Соответственно во внешней цепи ток течет от щетки 1 к щетке 2. Щетку 1, от которой отводится ток во внешнюю цепь, обозначим (+), а щетку 2, через которую ток возвращается в машину обозначим (-). При повороте витка на 180° проводники аb и cd меняются местами, изменяется знак потенциала на щетках 1 и 2 и изменится на обратное направление ток во внешней цепи.

Таким образом, во внешней цепи течет переменный синусоидальный ток (рис.7.1.2).

Чтобы выпрямить переменный ток, необходимо в машине применить коллектор (рис.7.1.3).

В простейшем случае это два полукольца и к ним припаиваются концы витков abcd. Полукольца изолирования друг от друга и от вала. При вращении в витке abcd в нем попрежнему возникает переменная ЭДС, но под каждой щеткой будет ЭДС только одного знака: верхняя щетка будет иметь всегда (+), а нижняя - всегда (-).

Кривая тока во внешней цепи будет иметь другую форму (рис.7.1.4).

Из графика видно, что нижняя полуволна заменена верхней. Если применить не один виток, а два и присоединить их концы к коллекторным пластинам, которых теперь 4, то кривая выпрямленного тока будет иной.

При наличии нескольких витков кривая выпрямленного напряжения будет более сглаженной (рис.7.1.5).

Машина постоянного тока конструктивно состоит из неподвижной части - статора и вращающейся - ротора. Статор имеет станину, на внутренней поверхности которой крепятся магнитные полюсы с обмотками (рис.7.1.6).

Ротор машины чаще называется якорем. Он состоит из вала, цилиндрического сердечника, обмотки и коллектора (рис.7.1.7).

Магнитные полюсы и сердечник якоря набираются из отдельных листов электротехнической стали. Листы покрываются изолированной бумагой или лаком для уменьшения потерь на гистерезис и вихревые токи. Коллектор набирают из медных пластин, имеющих сложную форму (рис.7.1.8). Пластины друг от друга изолированы специальной теплостойкой прокладкой. Такая же изоляция имеется между коллектором и валом двигателя. Набор коллекторных пластин образует, цилиндр-коллектор.

К внешней поверхности коллектора прилегают токосъемные щетки, которые выполнены из спрессованного медного и угольного порошка.

Щетка помещается в металлическую обойму и прижимается к коллектору пружинами (рис.7.1.9).

7.2 Способы возбуждения машин постоянного тока

Возбуждение - это понятие, связанное с созданием основного магнитного поля машины. В машинах с электромагнитным возбуждением основное поле создается обмотками возбуждения. Имеются конструкции, в которых возбуждение создается постоянными магнитами, размещенными на статоре. Различают четыре схемы включения статорных обмоток: с независимым, параллельным, последовательным и смешанным возбуждением (рис.7.2.1).

Изображения под пунктами б, в, г на рис.7.2.1, называются схемами с самовозбуждением. Процесс самовозбуждения происходит за счет остаточной намагниченности полюсов и станины. При вращении якоря в этом, небольшом по величине, магнитном поле (Ф_ОСТ = 0,02 0,03 Ф_О) индуцируется ЭДС - Е_ОСТ.

Поскольку обмотка возбуждения подключена через щетки к якорю, то в ней будет протекать ток. Этот ток усилит магнитное поде полюсов и приведет к увеличению ЭДС якоря. Большая ЭДС вновь увеличит ток возбуждения и произойдет нарастание магнитного потока до полного намагничивания машины.

7.3 Обмотки якоря машины постоянного тока

Для работы машины постоянного тока необходимо наличие двух обмоток; обмотки возбуждения и обмотки якоря. Первая, как известно, служит для создания в машине основного магнитного потока, а во второй происходит преобразование энергии.

Обмотка якоря является замкнутой системой проводников, уложенных в пазах.

Элементом якорной обмотки является секция, которая может быть одно - или много витковой. Секция состоит из активных сторон и лобовых частей. При вращении якоря, в каждой из активных сторон индуцируется ЭДС, величина которой равна:

т.е. она зависит от магнитной индукции полюсов ВСР, длины проводника L и скорости его движения V. В реальной машине, будь она генератором или двигателем, в наведении ЭДС участвуют все проводники обмотки якоря.

Величина суммарной ЭДС:

где n - скорость вращения якоря (ротора), об/мин; Ф - магнитный поток полюсов; С_е - постоянный коэффициент, зависящий от количества витков в секции. Обмотка якоря может быть петлевой и волновой. Петлевая обмотка, если ее изобразить в развернутом виде, имеет следующий вид (рис.7.3.1):

Расстояние между активными сторонами одной секции называется первым шагом обмотки - y₁. Расстояние между началом второй секции и концом первой называется вторым шагом обмотки - у₂. Расстояние между, началами секций, следующих друг за другом, называется результирующим шагом - у. Шаги обмотки определяются числом пазов. Расстояние между коллекторными пластинами, куда припаиваются начало и конец, принадлежащие одной секции, называется шагом по коллектору - у_к. В петлевой обмотке у_к= 1. Шаг ук определяется числом коллекторных пластин.

Развернутая волновая обмотка имеет вид: (рис.7.3.2).

Форма волновой обмотки отлична от петлевой и, следовательно, будет иное соединение секций. Однако шаги волновой обмотки имеют общее с петлевой определение. Шаг по коллектору здесь значительно больше единицы (у_к >> 1).

7.4 ЭДС и электромагнитный момент генератора постоянного тока

Как уже отмечалось, ЭДС, наведенная в обмотке вращающегося якоря генератора, пропорциональна магнитному потоку полюсов и частоте его вращения:

Магнитный поток в генераторе, как известно, создается током возбуждения I_в.

Если вращать якорь c постоянной частотой n и непрерывно измерять выходную ЭДС Е, то можно построить график Е = f (I_в) (рис.7.4.1).

Эта зависимость называется характеристикой холостого хода. Она строится для режима, когда генератор не имеет внешней нагрузки, т.е. работает вхолостую.

Если подключить к генератору нагрузку, то напряжение на его зажимах будет меньше E на величину падения напряжения в цепи якоря:

Здесь: U - напряжение на зажимах;

Е - ЭДС в режиме х. х.;

I_Я - ток якоря;

R_Я - сопротивление в цепи якоря.

Падение напряжения в цепи якоря обычно не превышает 2-8 % ЭДС генератора.

Уменьшение напряжения на выходе генератора связано с размагничиванием машины магнитным полем якоря, а также падением напряжения в его обмотках.

В каждой машине постоянного тока имеет место взаимодействие между током якоря I_Я и магнитным потоком Ф. В результате на каждый проводник обмотки якоря действует электромагнитная сила:

где В - магнитная индукция, I_Я - ток в обмотке якоря, L - длина якоря.

Направление действия этой силы определяется правилом левой руки.

Подставим сюда среднее значение магнитной индукции ВСР и величину тока в каждом проводнике обмотки якоря I = I_Я / 2 а.

Получим

Электромагнитный момент, действующий на якорь машины, при числе проводников обмотки N:

где - величина, постоянная для данной машины;

d - диаметр якоря;

р - число пар полюсов;

N - число проводников обмотки якоря;

а - число пар параллельных ветвей.

При работе машины в режиме генератора электромагнитный момент действует против вращения якоря, т.е. является тормозным.

Для привода генератора требуется электродвигатель мощность, которого должна покрыть все потери в генераторе:

где Р - полезная электрическая мощность генератора;

DР_Я - потери в обмотке якоря;

DР_В - потери в обмотке возбуждения;

DР_М - потери на намагничивание машины;

DР_МЕХ - механические потери, связанные с трением вращающихся частей.

Коэффициент полезного действия генератора определяется отношением:

У современных генераторов постоянного тока коэффициент полезного действия составляет 90-92 %.

7.5 Двигатель постоянного тока

В соответствии с принципом обратимости машина постоянного тока может работать как в качестве генератора, так и в качестве двигателя. Уравнение ЭДС для двигателя составлено на основании 2-го закона Кирхгофа с учетом направления ЭДС:

откуда

Ток в цепи якоря:

В соответствии о формулой Е_а = С_е Ф _n частота вращения определяется выражением:

Подставим значение Е из уравнения U = Е - I_Я R_Я, получим:

т.е. частота вращения двигателя прямо пропорциональна подведенному напряжению и обратно пропорциональна магнитному потоку возбуждения.

Из этой формулы видно, что возможны пути регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока:

1. Изменением напряжения сети U. Регулируя подаваемое напряжение Uсети можно менять частоту вращения.

2. Включением в цепь якоря добавочного сопротивлению (R'_Я = R_Я + R_ДОБ). Изменяя сопротивление R_ДОБ, меняют частоту вращения.

3. Изменением магнитного потока Ф. Машины с постоянными магнитами не регулируются. Машины с электромагнитами позволяют регулировать поток Ф путем изменения тока возбуждения I_B.

На рис.7.5.1 показана схема включения в сеть двигателя постоянного тока.

По закону электромагнитной индукции при прохождении тока по обмотке якоря происходит взаимодействие ее проводников с магнитным полем полюсов. На каждый проводник обмотки будет действовать электромагнитная сила Р_эм = В_СРLI, пропорциональная магнитной индукции полюсов В, длине проводника L и току I, протекающему по проводнику.

Направление действия этой силы определяется правилом правой руки.

Не повторяя рассуждений, проведенных для генератора постоянного тока, запишем выражение для вращающего момента:

M=C_MФ I_Я

где C_M - коэффициент пропорциональности.

Вращающий момент у двигателей с независимым и параллельным возбуждением с увеличением нагрузки может как расти, так и уменьшаться, поскольку с ростом потребляемого тока I и размагничивания полюсов, уменьшается магнитный поток Ф.

Двигатели с последовательным возбуждением имеют отличные от вышеприведенных двигателей характеристики.

Из схемы, приведенной на рис.7.2.1 в, видно, что магнитный поток в машине создается обмоткой возбуждения, включенной последовательно с обмоткой якоря. Следовательно, I_B = I_Я и выражение для вращающего момента будет иметь вид:

Последняя формула показывает, что чем больше нагрузка на двигатель, тем большим будет вращающий момент. Это обстоятельство делает двигатель с последовательным возбуждением незаменимым на электротранспорте (трамвае, троллейбусе и т.д.).

Реверсирование или изменение направления вращения двигателей постоянного тока может осуществляться изменением полярности тока либо в обмотке якоря, либо в обмотке возбуждения.

7.6 Электромашинные усилители

Простейшим усилителем мощности является обычный генератор постоянного тока с независимым возбуждением. Коэффициент усиления машины определяется отношением тока, протекаемого в обмотке якоря, к току возбуждения:

В таком исполнении коэффициент усиления равен порядка 15 - 30.

Усилительную способность генератора можно увеличить, если использовать каскадную схему включения генераторов. В этом случае с выхода первого генератора подключается обмотка возбуждения второго, а выход со второго генератора будет превышать по мощности вход первого в 1000 и более раз.

Каскадная схема применяется редко из-за своей громоздкости и дороговизны.

Чаще используют так называемые электромашинные усилители (ЭМУ). Элек-трическая схема ЭМУ приведена на рис.7.6.1.

Конструктивно электромашинный усилитель представляет собой коллекторную машину постоянного тока с независимым возбуждением, имеющую два комплекта щеток (продольные 1-1' и поперечные 2-2').

Ток, протекающий по обмотке возбуждения Iв, создает продольный магнитный поток Фd, направленный по оси полюсов машины. При вращении якоря на поперечных щетках 2-2' появляется ЭДС Е₂ = С n Ф_d Так как они замкнуты накоротко, то в обмотке якоря появляется большой ток I₂. Этот ток создает в обмотке якоря сильное поперечное магнитное поле реакции якоря Ф_q, неподвижное в пространстве и направленное по оси щеток 2-2'. Под действием магнитного потока Ф_q в якорной обмотке ме-жду щетками 1-1' возникает ЭДС Е₁ = С n Ф_q >>Е₂, так как Ф_q >>Ф_d. При подключении к щеткам 1-1' нагрузки R_н в цепи потечет ток I_я превышающий ток I_в в десятки тысяч раз. Электромашинные усилители применяют для автоматического управления мощными электродвигателями.

7.7 Одноякорные преобразователи

Для преобразования переменного тока в постоянный, как известно, используют выпрямители. Преобразование постоянного тока в переменный можно осуществить электромашинными преобразователями. Каскад из двух машин: (асинхронный двигатель переменного тока и генератор постоянного тока) вполне решают эту задачу.

Но бывает ситуация, когда необходимо преобразовать постоянный ток низкого напряжения в постоянный ток повышенного напряжения. Делается это в одной комбинированной машине, состоящей из двигателя и генератора постоянного тока с общей магнитной системой. Со стороны низкого напряжения это электродвигатель, а со стороны повышенного напряжения - генератор постоянного тока с независимым возбуждением.

В одних и тех же пазах якоря преобразователя заложены самостоятельные обмотки низкого и повышенного напряжения. Концы обмоток присоединены к соответствующему коллектору (рис.7.7.1), причем обмотка повышенного, напряжения имеет значительно большее число проводников, чем обмотка низкого напряжения.

Одноякорные преобразователи широко применяются в авиационной технике, а также в общепромышленных установках, где первичным источником постоянного тока является аккумулятор.

Одноякорные преобразователи постоянного тока в трехфазный переменный отличается от рассмотренного тем, что обмотка повышенного напряжения состоит из

трех секций, смещенных друг от друга на 120°. Выводы секционных обмоток припаяны к трем контактным кольцам и с помощью токосъемных щеток переменный ток передается к потребителю.

7.8 Тахогенераторы постоянного тока

Тахогенераторами называют электрические машины малой мощности, работающие в генераторном режиме и служащие для преобразования частоты его вращения в электрический сигнал.

Тахогенераторы постоянного тока по принципу действия и конструктивному оформлению являются электрическими коллекторными машинами.

Выходной характеристикой тахогенератора является зависимость величины на-пряжения на зажимах якоря U_я от частоты его вращения n при постоянном магнитном потоке возбуждения Ф и постоянном сопротивлении нагрузки Rнагр На рис.7.8.1 показана выходная характеристика тахогенератора при различных R_нагр.

7.9 Микродвигатели, применяемые в детском техническом творчестве

Разнообразие изделий детского технического творчества не позволяет остановиться на конкретных решениях.

В структурные композиции любого подвижного объекта почти всегда входит электродвигатель. Именно он преобразует электрическую энергию в механическое движение.

Разновидность электропривода модели в первую очередь зависит от источника питания.

Если модель работает автономно, то, естественно, для нее необходим и автоном-ный источник питания. Это, как правило, электрохимическая батарейка или аккумулятор.

При выборе схемы электропривода необходимо лишь согласовать напряжение электродвигателя с источником питания.

В стационарных установках используется обычная электросеть напряжением 220, 127 В. Для понижения напряжения до безопасного уровня применяются понижающие трансформаторы и иногда выпрямители переменного тока в постоянный. Такие приборы могут не входить в конструкцию изделия и являются вспомогательными. Ниже в табл.7.9.1 приводится техническая характеристика наиболее применяемых в техническом творчестве электродвигателей.

8.1 Основные понятия и определения

Oпределение: Электропривод предназначен для приведения в движение различных машин и механизмов. Он состоят из электрического двигателя, аппаратуры управления и передаточных звеньев от двигателя к рабочей машине. Привод бывает групповым, индивидуальным и многодвигательным.

В первом случае один двигатель приводит в движение несколько машин, а во втором каждая машина снабжена своим двигателем.

Многодвигательный привод - это группа двигателей одной машины, где каждый двигатель приводит в движение отдельный механизм.

Из основных требований, предъявляемых к электроприводу, следует отметить следующие:

1. Электродвигатель должен обладать такой мощностью, чтобы он передавал не только статическую нагрузку, но и кратковременные перегрузки.

2. Аппаратура управления должна обеспечить все требования производственного процесса машины, включая регулирование частоты вращения, реверсирование и др.

8.2 Уравнение движения электропривода

При работе электропривода вращающий момент электродвигателя должен уравновешивать статический момент сопротивления рабочей машины, а также динамиче-ский момент, обусловленный инерцией движущихся масс. Уравнение моментов электропривода можно записать в виде:

где М - вращающий момент электродвигателя;

М_{с -} статический момент сопротивления;

М_дин - динамический момент.

Динамический или инерционный момент, как известно из механики, равен:

где j - момент инерции движущихся масс, приведенный к валу двигателя, кг/м2; w - угловая частота вращения вала двигателя, с-1.

Выражая угловую частоту вращения w через число оборотов n, получим:

Уравнение моментов электропривода можно записать в другом виде:

Если n = const, то М_дин = 0, тогда М = М_с.

8.3 Выбор мощности электродвигателя

От правильного выбора мощности электродвигателя зависят технико-экономические показатели электропривода (себестоимость, габариты, экономичность, надежность в эксплуатации и др.). Если нагрузка на электродвигатель стабильная, то определение его мощности ограничивается лишь выбором по каталогу:

где Р_н - мощность выбираемого двигателя, Р_{нагр -} мощность нагрузки.

Если же нагрузка на электродвигатель переменная, то необходимо иметь график нагрузки I = f (t).

Плавную кривую заменяют ступенчатой линией, полагая, что за время t1 в двигателе течет ток I1, за время t2 - ток I2 и. т.д. (рис.8.3.1).

Изменяющийся ток заменяют эквивалентным ему током I_э, который за время одного цикла работы t_ц производит одинаковое, тепловое действие с током, изменяющимся ступенями. Тогда:

а - эквивалентный ток. Номинальный ток электродвигателя должен быть равным или больше эквивалентного, т.е.

Поскольку почти у всех двигателей вращающий момент прямо пропорционален току нагрузки М ~ I_н, то можно записать и выражение для эквивалентного вращающего момента:

Учитывая, что мощность Р = Мw, электродвигатель можно выбирать также по эквивалентной мощности:

При повторно-кратковременном режиме двигатель за период работы не успевает нагреться до установившейся температуры, а за время перерыва в работе не охлаждается до температуры окружающей среды (рис.8.3.2).

Для этого режима вводится понятие относительной продолжительности включения (ПВ). Она равна отношению суммы рабочего времени ко времени цикла tц, со-стоящего из времени работы и времени паузы t_о:

Чем больше ПВ, тем меньше номинальная мощность при, равных габаритах. Следовательно, двигатель, рассчитанный на работу в течение 25% времени цикла при номинальной мощности, нельзя оставлять под нагрузкой 60% времени цикла при той же мощности. Электродвигатели строятся для стандартных ПВ - 15, 25, 40, 60%, причем ПВ - 25%; принимается за номинальную. Двигатель рассчитывается на повторно кратковременный режим, если продолжительность цикла не превышает 10 мин. Если расчетные значения ПВ отличаются от стандартных, то при выборе мощности двигателя Рэ следует вносить поправку:

8.4 Электрические аппараты и элементы

Самым простым и распространенным аппаратом для включения и отключения электрических цепей является рубильник.

Разновидностью рубильника является переключатель, способный перекоммутировать схему, например, при реверсировании или переключении обмоток двигателя со "звезды" на "треугольник".

Рубильник состоит из контактного ножа и двух губок, смонтированных на изолированном основании. Одна из губок является шарнирной. По количеству контактных ножей рубильники бывают одно-, двух - и трёхполюсными. Управление рубильником осуществляется изолированной ручкой, объединяющей контактные ножи.

Иногда при управлении, электродвигателями или другими исполнительными механизмами используются пакетные выключатели. Это малогабаритный отключающий аппарат, как правило, круглой формы (рис.8.4.1.). В неподвижные кольца 5 из изоляционного материала вмонтированы контакты 3. Внутри колец размещаются подвижные диски 8 с контактными пластинами, закрепленными на оси 7. В крышке 6 помещено пружинное приспособление, с помощью которого достигается быстрое замыкание и размыкание контактов, независимо от скорости поворота ручки 1.

Выключатель собирается и крепится к крышке с помощью скобы 4 и шпилек 2.

Для управления двигателями с фазным ротором требуется большое число переключений, необходимых для ввода или вывода дополнительных сопротивлений.

Эту операцию выполняют контроллеры, которые различают на барабанные и кулачковые (рис.8.4.2).

Подвижные контакты барабанного контроллера, имеющие форму сегментов 4, крепятся на валу 5. Неподвижные контакты 3 размещаются на вертикальной рейке 2 и к ним присоединяются внешние цепи. Контактные сегменты соединяются друг с другом по определенной схеме, и, кроме того, они имеют разную длину дуги.

При повороте вала контроллера сегменты поочередно входят в соприкосновение с неподвижными контактами, и осуществляется включение или отключение цепи.

Вал контроллера снабжается фиксатором 1, обеспечивающим ему несколько фиксированных положений.

Кулачковые контроллеры совершеннее барабанных. На валу 5 крепятся диски фасонного профиля 6, которые воздействуют своей боковой поверхностью на ролик контактного рычага 7, определяя тем самым замкнутое или разомкнутое положение контактов 4 и 3.

Переключения в силовых цепях с помощью контроллеров требует от оператора значительных физических усилий. Поэтому в установках с частыми переключениями для этой цели используются контакторы.

Принцип действия их основан на использовании в управлении силовыми контактами электромагнитной системы. Конструкция контактора приведена на рис.8.4.3.

На изолированной плите 1 жестко укреплен неподвижный силовой контакт 2. На рычаге 3 шарнирно прикрепленном к плите имеется подвижный силовой контакт 4.

Для управления силовыми контактами на плите смонтирована магнитная система, состоящая из сердечника 5 с катушкой 6 и якоря 7, прикрепленного к рычагу 3. Токоподвод к подвижному контакту осуществляется гибким проводником 8.

При подключении к сети катушки 6 произойдет магнитное притяжение сердечником 5 якоря 7 и замыкание силовых контактов 2 и 4. Для разрыва силовой цепи отключают катушку 6, и якорь под собственным весом отпадает от сердечника. Помимо силовых контактов, в аппарате имеется ряд блокировочных 9, назначение которых будет показано ниже. Электрическая цепь катушки электромагнита является вспомогательной или управляющей. Для управления его применяются кнопки управления. Кнопки бывают одноцепные и двухцепные с замыкающими и размыкающими контактами. В большинстве случаев кнопки делаются с самовозвратом, т.е. при снятии механического давления их контакты возвращаются в исходное положение. На рис.8.4.4 показана конструкция кнопки с двумя парами контактов: замыкающими и размыкающими.

Для защиты электродвигателя от перегрузки в контактор монтируются два тепловых реле (на две фазы). В этом случае контактор называется магнитным пускателем.

Основной деталью теплового реле (рис.8.4.5) является биметаллическая пластинка 1, состоящая из двух сплавов с различными коэффициентами расширения.

Пластинка одним концом жестко прикреплена к основанию прибора, а другим упирается в защелку 2, которая под действием пружины 3 стремится повернуться против часовой стрелки. Рядом с биметаллической пластинкой помещается нагреватель 4, включаемый последовательно с двигателем. Когда по силовой цепи потечет большой ток, то температура нагревателя повысится. Биметаллическая пластина прогнется кверху и освободит защелку 2. Под действием пружины 3 защелка поворачивается и через изоляционную пластину 5 размыкает контакты 6 в цепи управления пускателем. Возврат реле возможен только после остывании пластины 1. Он осуществляется нажатием кнопки 7.

Для защиты электроустановок от перегрузок используются также плавкие предохранители. Это неуправляемый аппарат, в котором перегрузка вызывает перегорание плавной вставки, изготовленной из легкоплавкого материала. Предохранители бывает пробчатыми и трубчатыми (рис.8.4.6).

Существуют также и управляемые аппараты, защищающие электрооборудование от перегрузок. К ним относится реле максимального тока (рис.8.4.7).

Катушка реле 1 рассчитана на протекание тока в силовой цепи. Для этого она имеет обмотку, изготовленную из провода достаточного поперечного сечения.

При токе, на который настроено реле, произойдет притяжение якоря 2 к сердечнику 3 катушки и с помощью контактного мостика 4 размыкаются контакты 5 в цепи управления магнитного пускателя. Это реле само прервет электроснабжение установки от источника тока.

Нередко встречаются случаи, когда необходимо отключить электроустановку от сети, если уровень напряжения достиг, значения меньше допустимого. Для этой цели используется реле минимального напряжения. Его конструкция напоминает любое электромагнитное реле, но срабатывание здесь происходит при понижении намагниченности катушки и отпадания от нее якоря с контактной системой.

Особое место в схемах защиты электрических установок занимает реле времени. Существуют как электромеханические, так и электронные реле времени.

Рассмотрим конструкцию реле времени типа ЭВ (рис.8.4.8.).

Основным узлом реле является часовой механизм 2, запускаемый электромагнитной системой 1. Катушка реле включается в силовую цепь и при ее срабатывании часовой механизм вводится в действие. По истечении определенного отрезка времени замкнутся контакты реле и электроустановка отключится от сети. Реле позволяет осуществлять его настройку на различные режимы его работы.

В последние годы получили распространение приборы, в которых электромагнитная и контактная системы объединены в одно целое. Это так называемые герконы (рис.8.4.9).

В герметизированной колбе, заполненной инертным газом, впаяны две или три контактные пластины из пермалоя. Сами контакты (из золота или серебра) находятся на свободных концах пластин. При приближении к геркону постоянного магнита или катушки с током произойдет замыкание или размыкание контактов.

В связи с развитием радиоэлектроники системы автоматического управления пополнились рядом бесконтактных логических элементов. Передачу и преобразование информации от датчика к исполнительному органу можно осуществлять просто, если различать два уровня (две величины) сигнала, каждый из которых может соответствовать, например, символам 0 и 1 или понятиям истинности "да" и "нет". В этом случае сигнал в любой момент времени имеет один из двух возможных значений и называется двоичным сигналом.

8.5 Принципы и схемы автоматического управления

8.5.1 Принципы управления

Принцип автоматического управления заключается в том, что без участия человека осуществляется строгое и последовательное выполнение операций по включению, отключению электрооборудования, а также соблюдение заданного режима его работы.

Различают два вида управления: полуавтоматическое и автоматическое. При полуавтоматическом управлении оператор осуществляет первоначальный пуск объекта (нажатие кнопки, поворот ручки и т.д.). В дальнейшем его функции сводятся лишь к наблюдению за ходом процесса. При автоматическом управлении даже начальный импульс по включению установки посылают датчик или реле. Установка полностью работает в автоматическом режиме по заданной программе.

Программное устройство может быть выполнено как на основе электромеханических элементов, так и с помощью логических схем.

8.5.2 Схемы управления

Приведем несколько часто встречающихся на практике схем управления электродвигателями.

Самой простой из них является схема управления асинхронным трехфазным двигателем с помощью магнитного искателя.

При нажатии кнопки "пуск" подключается к сети катушка электромагнита. Подвижный якорь придет в соприкосновение с сердечником катушки и своим движением замкнет силовые контакты, подающие трехфазное напряжение на электродвигатель. Одновременно с силовыми, замкнутся и блокировочные контакты, которые зашунти-руют кнопку "пуск", что позволяет ее отпустить. При нажатии кнопки "стоп" разрывается цепь питания катушки электромагнита и якорь, освободившись, отпадает, разомк-нув при этом силовые контакты. Электродвигатель остановится.

Защита электродвигателя от длительной перегрузки здесь обеспечивается двумя тепловыми реле РТ, включенными в две фазы. Отключающие контакты тепловых реле РТ1 и РТ2 введены в цепь питания катушки электромагнита.

Для реверсивного управления двигателем применяется схема с двумя магнитными пускателями (рис.8.5.2.2.).

Один магнитный пускатель коммутирует схему включения двигателя на прямое вращение, а другой - на обратное.

Кнопки "вперед" и "назад" подключают соответственно свои катушки, а кнопка "стоп" и отключающие контакты теплового реле включены в общую цепь управления.

9.1 Виды силовых подводок к станкам, лабораторным столам

Oпределение: Электрическая схема - это своеобразный чертеж, на котором в условной форме обозначена электроустановка или ее отдельные элементы. Схемы бывают принципиальными и монтажными. В принципиальной схеме не требуется указаний на масштаб или территориальное расположение элементов. Монтажная схема, наоборот, должна быть привязана к объему и выполняется в соответствующем масштабе.

Что касается схем силовых подводок, то они выполняются, как правило, в однолинейном исполнении.

В любом цехе, мастерской или кабинете должен быть силовой щит (СЩ). СЩ - это электроустановка, служащая для приема и распределения электроэнергии в помещении. Щит состоит из коммутационных аппаратов, устройств защиты и автоматики, измерительных приборов и др. (рис.9.1.1).

На каждую отходящую от силового пункта линию устанавливают рубильники и предохранители. Иногда ставят только один вводной рубильник, а на выходе только предохранители. В последнее время вместо предохранителей стали применять автоматы.

На внутренней стороне его дверцы прикрепляют адресную схему с указателями направления, длины кабелей, их марки поперечного сечения.

Разводка к станкам, лабораторным столам выполняется как кабелями, так и изолированными проводами, уложенными в газовых трубах, Сечение жил проводов и кабелей должно отвечать токам нагрузки. Марка проводов и кабелей зависит от характера помещения. В сырых помещениях применяются провода с усиленной изоляцией.

9.2 Лабораторный электрощит

Лабораторный электрощит - это устройство, предназначенное для обеспечения лаборатории необходимым током и напряжением.

Для получения постоянного тока в щит вмонтировано выпрямительное устройство.

На передней панели лабораторного электрощита расположены электроизмерительные приборы, регуляторы напряжения, выходные клеммы. На рис.9.2.1 приведен конструкция и схема лабораторного электрощита.

9.3 Электрооборудование токарных, фрезерных, заточных и сверлильных станков

9.3.1 Электрооборудование токарного станка

Электроаппаратура станка рассчитана на включение в сеть напряжением 380/220 В (рис.9.3.1).

Привод станка осуществляется асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором. Для включения, реверсирования и останова двигателя служит реверсивный магнитный пускатель и трехкнопочный пост управления.

Реверсивный магнитный пускатель состоит из двух нереверсивных, смонтированных в общем корпусе, которые сблокированы между собой механическим и электрическим путем с целью недопущения одновременного их включения.

При нажатии кнопки "вперед" включается один магнитный пускатель, а при нажатии кнопки "назад" - другой. Останов осуществляется кнопкой "стоп".

Для осуществления тепловой защиты в магнитные пускатели встроены тепловые реле. При перегрузке электродвигателя произойдет его отключение от сети. Для повторного включения двигателя в сеть необходимо нажать кнопку "возврат" теплового реле, выведенную на переднюю крышку магнитного пускателя.

Тепловое реле не обеспечивает защиту от короткого замыкания. Поэтому необходимо на подводящем фидере установить на каждой фазе по плавкому предохранителю.

Перед пуском нового станка необходимо:

1) заземлить станок; удалить деревянную колодку, заклинивающую пускатель;

2) установить плавкие предохранители на подводящем фидере.

Для включения станка в сеть 220 В необходимо:

1) пересоединить обмотку статора электродвигателя со звезды на треугольник,

2) у магнитных пускателей поставить катушки, рассчитанные на 220 В;

3) нагреватели № 28 тепловых реле заменить нагревателями № З8.

9.4 Заземление и зануление электрооборудования

Защитное заземление - это соединение корпусов электрооборудования, защитных оболочек электропроводки с проводником, имеющим электрический потенциал земли.

Защитное заземление состоит из заземлителя и заземляющего контура. Заземлитель - это несколько труб диаметром 3 - 5 см или уголков 40 х 40 мм, длиной 2,5 - 3 м, забитых в землю. Верхние концы заземлителей соединяются стальной полосой сечением 40 х 4 мм2 и проходят по периметру помещения.

Упомянутые выше корпуса электродвигателей, трансформаторов, ручных электроинструментов, каркасы щитов, пультов и шкафов, стальные трубы электропроводок подключаются к контуру заземления. Принцип действия защитного заземления основан на отводе тока через заземлитель при случайном соприкосновении человека с корпусом электродвигателя (и др. электроустановок), нормально не находящихся под напряжением, но могущий оказаться под ним в случае пробоя изоляции.

Защитное зануление отличается от заземления тем, что корпуса машин и аппаратов соединяются не с "землей", а с заземленным нулевым проводом, идущим от трансформаторной подстанции по четырехпроводной линии электропередачи.

Для обеспечения полной безопасности человека сопротивление заземлителей (вместе с контуром) не должно превышать 4 Ом.

С этой целью два раза в год (зимой и летом) производится их контрольная проверка специальной лабораторией.

9.5 Электрофицированный инструмент

В школьной учебно-производственной деятельности широко используется ручной электрифицированный инструмент. По определению, ручные машины - это технологические машины, снабженные встроенным двигателем. При работе вес машины полностью или частично воспринимается оператором. Им же осуществляется движение подачи и управления. По назначению можно выделить несколько основных групп ручных машин; сверлильные, резьбозавертывающие, шлифовальные, пилы, ножницы и др.

Согласно ГОСТ 12.2.013-75 электрические ручные машины по защитным мерам от поражения электрическим током делятся на три класса: 1 класс - машины с изоляцией всех деталей, находящихся под напряжением, штепсельная вилка имеет заземляющий контакт; 2 класс - машины которых все детали, находящиеся под напряжением, имеют двойную или усиленную изоляцию, эти машины не имеют устройств для заземления (зануления); 3 класс - машины на номинальное напряжение не выше 42 В, у которых ни внутренние, ни внешние цепи не находятся под более высоким напряжением. Машины третьего класса предназначены для питания от автономного источника тока или от общей сети через разделяющий трансформатор или преобразователь, напряжение холостого хода которых не должно превышать 50 В, а вторичная электрическая цепь не должна быть соединена с землей.

Номинальное напряжение машин 1 и 2 классов не должно превышать 220 В для машин постоянного тока и 380 В - для машин переменного тока, причем напряжение между землей и любым проводом питающей сети иди источника питания их не должно быть более 250 В.

Отечественная промышленность выпускает сверлильные ручные электрические машины как с коллекторными однофазными двигателями на номинальное напряжение 220 В (тип КН), так и с трехфазными асинхронными двигателями (тип АН) на номинальное напряжение 36 или 220 В. Двигатель типа АН (трехфазный асинхронный на 36 В) рассчитан на работу от источника переменного тока частотой 200 Гц.

Трехфазные преобразователи тока, например типа ПЭ-9403 с потребляемой мощностью 1,8 кВт при первичном напряжении 380/220 В развивают вторичное номинальное напряжение 36 ± 10% В. Преобразователь тока типа ПЭ-9401 потребляет мощность до 5,6 кВт при таких же напряжениях. Преобразователи обоих типов - электромагнитные. На рис.9.5.1 показан продольный разрез электрической сверлильной машины типа ПЭ-1012, предназначенной для сверления отверстий диаметров до 15 мм в сталях средней твердости, цветных металлах и других материалах. Машина приводится трехфазным асинхронным двигателем повышенной частоты напряжением 36 В.

Для резки листового металла применяют электрические ножницы, например типа П5-5403, способные резать сталь толщиной до 2,7мм. Ножи приводятся в действие от однофазного коллекторного двигателя на номинальное напряжение 220 В при частоте 50 Гц. Ножницы вырубного типа Э-5502, работающие по принципу долбления, приводятся трехфазным асинхронным двигателем на номинальное напряжение 36 В при частоте 200 Гц.

Для резьбовых соединений используются электрические шуруповерты типа ПЭ-3601А и гайковерты типов ПЭ-3106, ПЭ-3108 и ПЭ-3104.

Электрошлифовальная машина типа ПЭ-2004 предназначена для зачистки сварных швов, очистки металла от коррозии и для шлифования различных поверхностей. Шлифовальный круг приводится во вращение асинхронным двигателем мощностью 0,8 кВт, на напряжение 36 В при частоте 200 Гц.

Электромолоток типа ПЭ-4203 предназначен для пробивки проемов и ниш в кирпичной кладке и бетоне при монтаже проходов через стены и перекрытия. Его трехфазный асинхронный двигатель приводит в движение кривошипно-шатунный механизм, передающий движение бойку. Номинальное напряжение электродвигателя 220 В при частоте 50 Гц.

Электроперфоратор ПЭ-4701 предназначен для бурения глубоких отверстий диаметром до 32 мм.

Для вырубания борозд в кирпичных стенах применяют электрический бороздодел типа ПЭ-6401. Ширина борозды 8 мм при глубине 20 мм. Рабочий орган этой машины приводится трехфазным асинхронным двигателем на номинальное напряжение 36 В при частоте 200 Гц.

Электрический рубанок имеет несколько типов. Он приводится в движение однофазным асинхронным двигателем на номинальное напряжение 220 В при частоте 50 Гц.

10.1 Типы осветительных установок

Известно, что нормальное освещение способствует лучшей работоспособности человека, создает ему комфортные условия для жизнедеятельности, уменьшает неприятные последствия для здоровья.

Существует два типа осветительных установок. Это естественное и искусственное освещение.

Естественное освещение создается природными источниками света. Оно связано со световой ориентацией помещения, с размерами и расположением окон, с цветовой гаммой окраски стен, потолков и пр.

Естественное освещение может быть верхним (через световые фонари) и боковым (через окна).

Оценку естественного освещения производят в точках, находящихся на пересечении вертикальной плоскости и горизонтального среза помещения на уровне 1 м от пола.

Отношение освещенности внутри помещения к освещенности снаружи называется коэффициентом естественной освещенности.

Эта величина лимитируется как для верхнего, так и для бокового естественного освещения.

Искусственное освещение осуществляется с помощью электрических ламп. Освещение помещения может быть как общим, так и местным.

Искусственное освещение нормируется в пределах 5 - 5000 лк, в зависимости от рода выполняемой работы.

С точки зрения надежности и экономичности в работе осветительных установок существует рабочее, аварийное и охранное освещение. Первый тип освещения используется при обычных производственных и бытовых условиях. Аварийное освещение необходимо для обеспечения светом в экстремальных условиях (освещении проходов при эвакуации людей, подсветка постов управления наиболее ответственных механизмов и др.).

Электропитание рабочих электроустановок осуществляется от общих силовых или осветительных пультов, находящихся в помещении. Аварийное освещение требует дополнительных источников тока (аккумуляторов, резервных линий электропередачи и др.).

Охранное освещение - это минимально необходимый уровень освещения помещений в нерабочее или ночное время. Если при рабочем и аварийном освещении работают самостоятельные светильники, то при охранном может быть использована часть светильников рабочего освещения.

10.2Требования к электрическому освещению

Осветительная электрическая установка состоит из осветительной арматуры с источником света, коммутационной аппаратуры, распределительных пультов и электрических сетей.

Напряжение питания источников света составляет 220 или 127 В. В индивидуальном освещении используется напряжение 36 и 12 В.

Мощность осветительной установки определяется по световому потоку, направляемому на рабочую поверхность. Иногда пользуются так называемой удельной мощностью, и по ее значению находят мощность одной лампы:

где Р_л - мощность одной лампы, Вт;

Р_уд - удельная мощность, Вт / м²;

d - площадь помещения, м²;

n - число светильников.

Значения освещенности для основных школьных помещений и рабочих мест приведены в табл.10.2.1.

10.3 Источники электрического света

Традиционными источниками света являются лампы накаливания. Однако в настоящее время широко применяются газоразрядные источники света. В них невидимое ультрафиолетовое излучение паров металла или газа преобразуется с помощью люминофора в излучение, видимое глазом.