Однофазные и конденсаторные асинхронные двигатели

Режимы работы электрических машин. В соответствии с действующим стандартом, существуют три основных номинальных режима работы электрических машин, различающиеся характером изменения нагрузки.

1.Продолжительный номинальный режим -- когда при неизменной номинальной нагрузке Р_н работа машины продолжается так долго, что температура перегрева всех ее частей успевает достигнуть установившихся значений ф_уст. Условное обозначение режима S1. Различают продолжительный режим с неизменной нагрузкой P = const (рис. 3.2, а) и продолжительный режим с изменяющейся нагрузкой (рис. 3.2, б). Например, двигатели насосов, транспортеров, вентиляторов работают в продолжительном режиме с неизменной нагрузкой, а двигатели прокатных станов, металлорежущих станков и т. п. работают в продолжительном режиме с изменяющейся нагрузкой.

2.Кратковременный номинальный режим S2 -- когда периоды неизменной номинальной нагрузки чередуются с периодами включения двигателя (рис. 3.2, в). При этом, периоды нагрузки двигателя t_н настолько кратковременны, что температуры перегрева всех частей двигателя не достигает установившихся значений, а периоды отключения двигателя настолько продолжительны, что все части двигателя успевают охладиться до температуры окружающей среды.

Рис. 3.2. Номинальные режимы работы электрических машин: а -- с неизменной нагрузкой, б -- с изменяющейся нагрузкой, в -- кратковременный номинальный режим, г -- повторно-кратковременный номинальный режим

Стандартом установлена длительность периодов нагрузки 10; 30; 60 и 90 мин. В условном обозначении кратковременного режима указывается продолжительность периода нагрузки, например S2 -- 30 мин. В кратковременном режиме работают приводные двигатели шлюзов, разного рода заслонок и других запорных устройств, регулирующих подачу рабочего вещества (нефть, газ и др.) через трубопроводы к объекту потребления.

3. Повторно-кратковременный номинальный режим S3 - когда кратковременные периоды номинальной нагрузки двигателя t_н чередуются с периодами отключения двигателя (паузами), причем за период нагрузки превышение температуры всех частей не успевает достигнуть установившихся значений, а за время паузы части двигателя не успевают охладиться до температуры окружающей среды. Общее время работы двигателя в повторно-кратковременном режиме разделяется на периодически повторяющиеся циклы продолжительностью t_ц = t_н + t_п.

При повторно-кратковременном режиме график нагревания двигателя имеет вид пилообразной кривой (рис. 3.2, г). При достижении двигателем установившегося значения температуры перегрева, соответствующего повторно - кратковременному режиму ф_уст.к температура перегрева двигателя продолжает колебаться on ф_min до ф_mах. При этом, ф_уст.к меньше установившейся температуры перегрева, которая наступила бы, если бы режим работы двигателя был продолжительным (ф_уст.к < ф_уст). Примерами повторно кратковременного режима являются работа электроприводов лифтов, подъемных кранов, экскаваторов и других устройств, для работы которых характерна цикличность (чередование периодов на грузки с паузами).

Повторно-кратковременный режим характеризуется относительной продолжительностью включения, %,

ПВ = (t_н / t_ц). (3.8)

Действующим стандартом предусмотрены номинальные повторно-кратковременные режимы с ПВ 15, 25, 40 и 60% (для продолжительного режима ПВ = 100%). В условном обозначении повторно-кратковременного режима указывают величину ПВ например, S3 -- 40%.

Рассмотренные три номинальных режима считают основными. В каталогах на двигатели, предназначенных для работы в каком либо из этих режимов, указаны номинальные данные, соответствующие режиму работы.

Помимо рассмотренных трех основных режимов, стандартом предусмотрены еще пять дополнительных режимов.

3.2 Способы охлаждения электрических машин

По способу охлаждения электрические машины разделяют на два вида: машины с естественным охлаждением и машины с искусственным охлаждением.

Естественное охлаждение электрических машин. Эти машины не имеют вентиляторов или каких-либо других устройств, способствующих охлаждению машины. Охлаждение происходит естественным путем за счет теплопроводности и конвекции.

Теплопроводность - это передача теплоты внутри твердого тела. Например, пазовые части обмотки статора, нагреваясь, передают теплоту через слои пазовой изоляции в сердечник. Через места крепления сердечника теплота передается в корпус статора. Передача теплоты теплопроводностью происходит от более нагретых слоев твердого тела к менее нагретым.

Конвекция состоит в том, что частицы газа (воздуха), соприкасающиеся с поверхностью нагретого тела (лобовые части обмоток, сердечники, корпус), нагреваются, становятся легче и поднимаются кверху, уступая свое место менее нагретым частицам, и т.д. Так конвекция называется естественной. Во вращающейся машине имеет место еще и искусственная конвекция, обусловленная вращением ротора, который создает принудительную циркуляцию (воздуха), что усиливает эффект конвекции внутри машины.

Искусственное охлаждение электрических машин. В этих машинах применяют специальное устройство, обычно вентилятор, создающий движение в машине газа, охлаждающего нагретые части машины. Значительную группу машин с искусственным охлаждением составляют машины с самовентиляцией, у которых вентилятор закреплен на валу машины; в процессе работы он, вращаясь, создает аэродинамический напор. Самовентиляция может быть наружной и внутренней.

При наружной самовентиляции воздухом обдувается внешняя поверхность корпуса статора. Машина в этом случае имеет закрытое исполнение с ребристой поверхностью (для увеличения поверхности охлаждения).

При внутренней самовентиляции в корпусе и подшипниковых щитах машины делают специальные отверстия, через которые из окружающей машину среды проникает внутрь машины, охлаждает ее, а затем выбрасывается наружу.

Принцип внутренней самовентиляции, получивший в электрических машинах преимущественное применение, иллюстрирует рис. 3.3. На валу машины закреплен центробежный вентилятор. Вращаясь вместе с валом машины, он затягивает через отверстие в правом подшипниковом щите воздух, создавая внутри машины аэродинамимический напор, под действием которого воздух прогоняется через внутреннюю полость машины. Воздух проходит через вентиляционные каналы, зазор и межполюсное пространство (при явнополюсной конструкции машины). При этом он “омывает” и нагретые части машины и отбирает теплоту от нагретых частей и нагретым выходит через специальные отверстия (жалюзи) в левом подшипниковом щите, со стороны, противоположной вентилятору.

Рис. 3.3. Принцип внутренней самовентиляции электрической машины

Для более эффективного охлаждения в магнитопроводе некоторых электрических машин делают вентиляционные каналы, через которые проходит охлаждающий газ. Вентиляционные каналы называют аксиальными, если они расположены параллельно оси ротора, и радиальными, если они расположены перпендикулярно этой оси. (рис. 3.4). Вентиляцию, при которой охлаждающий газ перемещается вдоль оси машины, называют аксиальной (рис. 3.4, а), если же газ перемещается перпендикулярно оси машины по радиальным каналам, то вентиляцию называют радиальной (рис. 3.4,б)

Радиальные вентиляционные каналы получаются делением общей длины сердечника на пакеты по 40 -- 60 мм. Между пакетами оставляют промежутки по 10 мм, которые и являются радиальными каналами. Иногда в машинах применяют радиально-аксиальную вентиляцию. В двигателях с регулировкой частоты вращения вниз от номинальной при малой частоте вращения самовентиляция становится малоэффективной. Это ведет к чрезмерному перегреву машины. Поэтому в таких двигателях целесообразно применение независимой вентиляции (см. рис. 3.5), когда вентилятор имеет собственный привод (частота вращения последнего не зависит от режима работы машины).

Рис. 3.4. Аксиальная (а) и радиальная (б) системы вентиляции: 1 -- статор; 2 -- ротор

Независимую вентиляцию применяют также для охлаждения электрических машин, работающих во взрывоопасной или химически активной среде. В этом случае вентилятор 4 (рис. 3.5, а) через трубопровод 3 нагнетает воздух в машину 1 и по трубе 2 выбрасывает его наружу. Такая система независимой вентиляции называется разомкнутой в отличие от замкнутой системы (рис. 3.5, б), когда один и тот же объем газа циркулирует в замкнутой системе, состоящей из двигателя (объект охлаждения) 1, независимого вентилятора 2, трубопровода 1 и 5 и охладителя 4, в котором охлаждается нагретый в машине газ.

Все способы охлаждения электрических машин принято обозначать буквами IC, являющимися начальными буквами английских слов International Cooling, остальные буквы и цифры обозначают способ охлаждения машины. Сначала указывается буква, обозначающая вид хладагента: А -- воздух, Н -- водород, V -- вода и т. д. Если хладагентом является только воздух, то буква опускается.

Затем идет несколько цифр: первая цифра условно обозначает устройство цепи охлаждения для циркуляции хладагента, например, воздуха, вторая -- способ перемещения хладагента. Если машина имеет несколько цепей охлаждения (например, внутренняя вентиляция и наружный обдув), то в обозначении может быть четыре цифры: две -- для обозначения наружной цепи охлаждения и две -- для внутренней.

Ниже приведены примеры обозначения наиболее распространенных способов охлаждения электрических машин:

IC01-- машина с внутренней самовентиляцией; вентилятор расположен на машины.

IC03 -- машина, охлаждаемая пристроенным вентилятором с собственным нагнетателем, расположенным на корпусе охлаждаемой машины.

IC37 -- закрытая машина с подводящей и отводящей трубами; машина охлаждается вентилятором с приводным двигателем, установленным вне охлаждаемой машины.

IC0041 -- закрытая машина с естественным охлаждением.

IC0141-- закрытая машина, обдуваемая наружным вентилятором, расположенным на валу машины.

Рис. 3.5. Разомкнутая (а) и замкнутая (б) независимые системы вентиляции

3.3 Конструктивные формы исполнения электрических машин

Свойства электрических машин определяются не только их электромеханическими параметрами и формой характеристик. Прежде всего, электрическая машина должна быть безопасной в эксплуатации для обслуживающего персонала, удобной при монтаже, успешно противостоять воздействиям внешних факторов. Перечисленные требования учитываются конструктивными формами исполнения электрических машин, которые определяются степенью защиты, способами охлаждения и монтажа, климатическими условиями и местом эксплуатации.

Степень защиты электрических машин обозначается двумя буквами IP - начальные буквы слов International Protection и двумя цифрами.

Первая цифра обозначает степень защиты персонала от соприкосновения с токоведущими и вращающимися частями и от попадания внутрь машины твердых тел.

Вторая цифра обозначает степень защиты от попадания внутрь машины воды. Для машин напряжением до 1000 В установлено шесть степеней защиты, обозначаемых следующим образом:

0 -- защита отсутствует;

1 -- зашита от случайного соприкосновения большого участка человеческого тела с токоведущими и вращающимися частями; отсутствует защита от преднамеренного соприкосновения; имеется защита от попадания внутрь твердых тел диаметром не менее 52,5 мм;

2 -- защита от соприкосновения пальцев человека с токоведущими и вращающимися частями и зашита от попадания внутрь машины твердых тел диаметром не менее 12,5 мм;

3 -- защита от соприкосновения с токоведущими и вращающимися частями инструмента, проволоки и других предметов, толщина которых превышает 2,5 мм; защита от попадания внутрь машины твердых тел диаметром не менее 2,5 мм;

4 -- защита от соприкосновения с токоведущими и вращающимися частями предметов толщиной более 1 мм и защита от попадания внутрь машины твердых тел толщиной не менее I мм;

5 -- полная защита от соприкосновения с токоведущими и вращающимися частями и полная защита от вредных отложений пыли внутри машины.

Существует девять степеней защиты от проникания воды внутрь машины:

0 -- защита отсутствует;

1 -- защита от капель сконденсировавшейся воды, падающих вертикально;

2 -- защита от капель воды, падающих под углом не более 15° к вертикали.

3 -- защита от дождя, падающего под углом не более 60° к вертикали;

4 -- защита от брызг воды любого направления;

5 -- защита от водяных струй в любом направлении;

6 -- защита от воздействий, характерных для палубы корабля, включая захлестывание морской волной;

7 -- защита при погружении в воду в течение времени и давлении, указанных в стандарте;

8 -- зашита при погружении в воду на неограниченное время при давлении указанном в стандарте.

Возможные степени защиты двигателей на напряжение до 1000 В приведены в таблице.

Конструктивные формы исполнения по степени защиты увязаны со способами охлаждения. За высоту оси вращения машины принимается расстояние от оси вращения вала до опорной плоскости лап (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Высота оси вращения электрической машины

Монтаж электрических машин в местах их установки осуществляется обычно на лапах или посредством фланцев. При этом возможно горизонтальное или вертикальное расположение оси вала машины.

Разновидности конструктивного исполнения машин по способу монтажа определены стандартом. При этом имеется в виду крепление двигателя на месте его установки и способ сочленения с рабочим механизмом. Условное обозначение этого исполнения состоит из букв IM (начальные буквы слов International Mounting) и четырех цифр.

Первая цифра -- конструктивное исполнение:

1 -- на лапах с подшипниковыми щитами;

2 -- на лапах с подшипниковыми щитами, с фланцем на одном или двух щитах;

3 -- без лап с подшипниковыми щитами, с фланцем на одном или двух щитах;

4 -- без лап с подшипниковыми щитами, с фланцем на станине;

5 -- без подшипниковых щитов;

6 -- на лапах с подшипниковыми щитами с со стояковыми подшипниками;

7 -- на лапах со стояковыми подшипниками (беч подшипниковых щитов);

8 -- с вертикальным валом, кроме позиций 1, 2, 3 и 4 данного перечня;

9 -- специальное исполнение по способу монтажа.

Вторая и третья цифры -- способы монтажа (пространственное положение машины и направление выступающего конца вала).

Четвертая цифра -- исполнение конца вала (цилиндрический или конический, один или два выступающих конца вала).

Примеры наиболее распространенных видов исполнения машин по способу монтажа приведены в таблице.

На надежность эксплуатации электрических машин значительное влияние оказывают климатические условия внешней среды, к которым относятся: температура и диапазон ее колебаний, относительная влажность, атмосферное давление, солнечная радиация, дождь, ветер, пыль, соляной туман, иней, действие плесневых грибов, содержание в окружающей среде коррозионно-активных материалов. Климатическое исполнение двигателей обозначается буквами:

двигатели, предназначенные для эксплуатации на суше, реках, озерах в макроклиматических районах:

с умеренным климатом У

с холодным климатом ХЛ

с влажным тропическим климатом ТВ

с сухим тропическим климатом ТС

как с сухим, так и с влажным тропическим климатом Т

для всех микроклиматических районов на суше (общеклиматическое

исполнение) О

для всех микроклиматических районов на суше и на море В

Стандартом также устанавливается исполнение электрических машин в зависимости от места размещения их при эксплуатации; обозначается цифрой:

1 -- на открытом воздухе;

2 -- на открытом воздухе или в помещениях, где колебания температуры и влажности несущественно отличаются от этих параметров на открытом воздухе (отсутствуют солнечная радиация и атмосферные осадки);

3 -- в закрытых помещениях с естественной вентиляцией без искусственно регулируемых климатических условий;

4 -- в помещениях с искусственно регулируемыми климатическими условиями;

5 -- в помещениях с повышенной влажностью.

Пример обозначения типоразмера электрической машины: 4А112М4УЗ -- трехфазный асинхронный двигатель серии 4А (основное исполнение), степень защиты IP44, охлаждение IC0141, высота оси вращения 112 мм, условная длина статора М, число полюсов 4 ( синхронная частота вращения 1500 об/мин), климатические условия (У) -- умеренный климат, место размещения при эксплуатации (3) -- в закрытом помещении с естественной вентиляцией.

Для особых условий эксплуатации разработаны специальные серии двигателей. фазорегулятор индукционный сельсин электрический

Взрывозащищенные двигатели предназначены для работы во взрывоопасных и пожароопасных средах. Эти двигатели имеют особо прочную оболочку, исключающую возможность воспламенения окружающей двигатель пожароопасной и взрывоопасной среды при возникновении возгорания или взрыва внутри двигателя вследствие его эксплуатации. Такие двигатели применяются на предприятиях химической промышленности, газо - и нефтеразработках и т.п.

Погружные двигатели имеют непроницаемую оболочку и предназначенные для работы в условиях их погружения в жидкость. Такие двигатели предназначены для работы в скважинах, заполненных водой, в шахтных забоях и т.п.

3.4 Серии трехфазных асинхронных двигателей

Серия трехфазных асинхронных двигателей 4А охватывает диапазон мощностей от 0,06 до 400 кВт. В основу разделения двигателей на типоразмеры положен конструктивный параметр - высота оси вращения h (см. рис. 3.6).

Двигатели серии 4А изготовляются с высотой оси вращения 50,56,63, 71,80,90, 100, 112, 132, 160, 180,200,225,250,280,315 и 355 мм. Двигатели каждой высоты оси вращения выполняются двух типоразмеров с разной длиной пакетов сердечников, но одинаковым штампом их пластин. Двигатели изготовляются на синхронные частоты вращения 3000, 1500, 1000, 750, 600 и 500 об/мин.

Двигатели серии 4А изготовляются в двух исполнениях: закрытое обдуваемое (рис. 3.7, а) и защищенное с внутренней самовентиляцией (рис. 3.7, б). Двигатели закрытого исполнения всего диапазона осей вращения изготовляются с короткозамкнутым ротором, а осей вращения 200, 225 и 250 мм -- еще и с фазным ротором (4АК). Двигатели защищенного исполнения изготовляются с короткозамкнутым ротором (4АН) при высоте оси вращения h > 160 мм, а при высоте оси вращения h > 200 мм еще и с фазным ротором (4АНК).

В двигателях серии 4А с высотами оси вращения от 50 до 132 мм применяется изоляция класса нагревостойкости В, а в двигателях с высотами оси вращения от 160 до 355 мм -- изоляция класса нагревостойкости F.

Асинхронные двигатели серии 4А предназначены для самого широкого применения во всех отраслях хозяйства, а поэтому они помимо основного исполнения, имеют несколько модификаций и специализированных исполнений.

Рис. 3.7. Асинхронные двигатели серии 4А: а -- закрытого обдуваемого исполнения, б -- защищенного исполнения

Двигатели основного исполнения предназначены для привода механизмов, не предъявляющих особых требований к пусковым характеристикам, скольжению, энергетическим показателям и т. д. Предполагается, что окружающая среда в месте установки этих двигателей не взрывоопасна, не содержит токопроводящей пыли, агрессивных газов и паров в концентрациях, разрушающих металл и изоляцию. Двигатели предназначены для работы от сети частотой 50 Гц и напряжения согласно таблице. Различают следующие модификации двигателей серии 4А:

а) двигатели с повышенным скольжением, с «мягкой» механической характеристикой (4АС); короткозамкнутая обмотка этих двигателей имеет повышенное активное сопротивление;

б) двигатели с повышенным пусковым моментом, имеющие двойную клетку на роторе (4АР);

в) многоскоростные двигатели -- на две, три и четыре частоты вращения в диапазоне от 500 до 3000 об/мин;

г) двигатели на частоту 60 Гц, имеющие частоту вращения на 20 % выше, чем двигатели основного исполнения при той же мощности;

д) двигатели малошумные (с улучшенной балансировкой, с подшипниками более высокого класса и т.д.);

е) двигатели со встроенным электромагнитным тормозом (для электроприводов с частыми пусками);

к) двигатели, встраиваемые в механизмы, приводимые ими во вращение (4АВ);

з) двигатели лифтовые двухскоростные со встроенной температурной защитой, малошумные для привода лифтов в жилых и промышленных зданиях и др.

Многообразие модификаций позволяет удовлетворить потребности различных отраслей промышленности в электродвигателях.

Серия трехфазных асинхронных двигателей АИ. Двигатели этой серии имеют общепромышленное назначение. Они изготавливаются с высотами осей вращения от 45 до 355 мм мощностью от 0,025 до 315 кВт на напряжение 220/380 и 380/660 В, частотой 50 Гц. Возможно изготовление двигателей на частоту тока 60 Гц. По степени защиты двигатели этой серии имеют исполнения: закрытое обдуваемое для всех высот оси вращения или защищенное с внутренней самовентиляцией для высот оси вращения от 160 до 355 мм.

В отличие от серии 4А в двигателях серии АИ более широко использованы высокопрочные алюминиевые сплавы и пластмассы и применена более совершенная система вентиляции, обеспечивающая снижение температуры нагрева двигателей при номинальной нагрузке на 10--20 °С относительно двигателей серии 4А. Для наиболее массового отрезка серии с высотами осей вращения от 71 до 100 мм применены подшипники с улучшенными виброакустическими характеристиками. Улучшение вентиляционного и подшипниковых узлов обеспечило двигателям серии АИ снижение уровня шума и повышение надежности.

Высоковольтные асинхронные двигатели. Для привода ряда промышленных установок требуются двигатели большой мощности: 500, 800, 1000 кВт и более. Обычно асинхронные двигатели такой мощности делают высоковольтными -- на 6000 или 10 000 В. Рассмотрим некоторые серии высоковольтных двигателей большой мощности.

Трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором серии АН2 применяют для привода механизмов, не требующих регулирования частоты вращения, например мощных вентиляторов, насосов и т. п. Двигатели этой серии изготовляются мощностью от 500 до 2000 кВт при частоте вращения (синхронной) 1000, 750, 600, 500 и 375 об/мин. Двигатели предназначены для включения в трехфазную сеть напряжением 6000 В, частотой 50 Гц. Двигатели серии АН2 изготовляются с горизонтальным расположением вала на двух щитовых подшипниках качения, имеют защищенное исполнение. Корпус статора и подшипниковые щиты сварные (рис. 3.8, а) из листовой стали. Обмотка статора петлевая двухслойная с укороченным шагом. Класс нагревостойкости изоляции В. Обмотка ротора двухклеточная (рис. 3.8, б), пусковая клетка (верхняя) выполнена из латунных стержней, рабочая клетка (нижняя) - из медных стержней. Замыкающие кольца ротора раздельные и для обеих клеток сделаны из меди. Способ охлаждения -- аксиально-радиальная самовентиляция.

Асинхронные двигатели серии АН32 также являются высоковольтными (6000 В), но, в отличие от двигателей серии АН2, они имеют закрытое исполнение с принудительной вентиляцией от постороннего вентилятора. Двигатели этой серии имеют мощность от 500 до 2000 кВт.

Рис. 3.8 Внешний вид (а) и конструкция (б) асинхронного двигателя АН2

Асинхронные двигатели серии АТД2 изготавливаются мощностью от 1000 до 5000 кВт; напряжением питания 6000 В. В отличие от ранее рассмотренных, двигатели этой серии выполняются и со стояковыми подшипниками скольжения. Система вентиляции двигателей радиальная симметричная, разомкнутая или замкнутая.

Тепловое состояние обмоток двигателей серий АТД2 контролируется термометрами сопротивления, вставленными в лобовые части обмотки статора. Концы проводов от этих термометров выведены на зажимы коробки выводов. При температуре нагрева обмоток, превышающей допустимую, электрический сигнал от термометров можно использовать для автоматического отключения двигателя.

Крановые и краново-металлургические асинхронные двигатели. Для привода крановых механизмов общепромышленного назначения, а также других агрегатов, работа которых характеризуется частыми пусками и остановками, большими перегрузками, применяют крановые трехфазные асинхронные двигатели серий MTF (с фазным ротором) и MTKF (с короткозамкнутым ротором). Двигатели этих серий отличаются большой перегрузочной способностью (M_макс/ M_ном = 3,3 -- 3,5), повышенным значением пускового момента (М_п / М_ном = 3,0 -- 3,5) и пониженным значением момента инерции ротора. Последнее свойство придает двигателям хорошие динамические свойства, что важно при работе в режиме частых пусков, реверсов и т. п.

Для привода механизмов, работающих в тяжелых условиях металлургического производства при повышенной температуре окружающей среды, применяют краново-металлургические трехфазные асинхронные двигатели серий МТН (с фазным ротором) и

МТКН (с короткозамкнутым ротором). Применение в двигателях изоляции и повышенной нагревостойкости класса Н обеспечивает надежную их работу в условиях повышенных температур окружающей среды металлургического производства.

Рис. 3.9. Трехфазный асинхронный двигатель серии МТН

На рис. 3.9 показано устройство двигателя серии MTF. Контактные кольца двигателя выполнены медными и применены «мягкие» медно-графитовые щетки марки M1, что обеспечивает небольшое переходное сопротивление. Исполнение по способу защиты -- закрытое IP44, способ охлаждения -- наружный обдув IC0141.

Размещено на Allbest.ru