Основы электротехники

Стальной сердечник магнитопровода статора закрепляется в стальном или алюминиевом корпусе, охватывающим его со всех сторон. С торцов сердечник магнитпровода закрывается крышками в которых имеются места для подшипников.



При штамповке стальных пластин на внутренней их стороне делают выступы различной формы. В результате при сборке на внутренней поверхности цилиндра статора получаются пазы, направленные вдоль образующей цилиндра.

В пазы закладывают обмотку статора, которая у трехфазных асинхронных двигателей состоит из трех фазных обмоток, смещенных по окружности цилиндра друг относительно друга на 120⁰.

Начала и концы фазных обмоток выводят внаружу и присоединяются к зажимам специального щитка.

Выводы обмоток маркируются следующим образом:

С1	С2	С3
С6	С4	С5

Эти обозначения расшифровываются следующим образом:

Фаза	Начало обмотки	Конец обмотки
А	С1	С4
B	С2	С5
С	С3	С6

Такое расположение выводов обмоток позволяет легко соединять с помощью специальных пластин обмотки статора звездой или треугольником.

Пересоединение обмотки статора позволяет использовать один и тот же двигатель при двух напряжениях. Например, если двигатель расчитан на работу при соединении обмоток статора звездой при 380 В, то он может развивать ту же мощность при тех же оборотах при напряжении 220 В при соединении обмоток статора треугольником.

Внутри статора помещается вращающаяся часть электродвигателя - ротор.

Ротор асинхронного двигателя также набирают из стальных штампованных листов в форме дисков. Насаженные на вал они образуют ротор имеющий форму цилиндра. По окружности диска выштамповывают отверстия, образующие при сборке ротора пазы в которые закладывают обмотку ротора.

По конструктивному исполнению обмотки ротора асинхронные двигатели подразделяют на двигатели с короткозамкнутым ротором и двигатели с фазным ротором.

Короткозамкнутая обмотка ротора образуется медными или латунными неизолированными стержнями, помещенными в пазы ротора. По торцам стержни соединяют медными короткозамыкающими кольцами. Такая короткозамкнутая обмотка отдельно от ротора имеет вид клетки, называемой «беличьим колесом».

Обмотку фазного ротора выполняют из изолированных проводников. В пазы ротора укладывают три фазные обмотки сдвинутые в пространстве на 120⁰. Обмотка ротора получается такой же как и обмотка статора.

Фазные обмотки ротора соединяют звездой, при этом их начала соединяют с контактными кольцами, насаженными на вал и изолированными как от вала, таки друг от друга. Контактные кольца вращаются вместе с валом. По ним скользят неподвижные графитовые щетки. Такое устройство позволяет обмотки замкнуть накоротко или подключить к обмоткам ротора пусковые трехфазные реостаты, которые позволяют снизитьвеличину пускового тока.

На схемах асинхронные двигатели изображают такими стандартными обозначениями:

с короткозамкнутым ротором	с фазным ротором

Принцип действия асинхронных электродвигателей

При включении двигателя в сеть трехфазного переменного тока в статоре образуется вращающееся магнитное поле, силовые линии которого пересекают стержни или обмотки ротора.

При этом согласно закону электромагнитной индукции в обмотке ротора индуктируется э.д.с., пропорциональная скорости пересечения силовых линий.

Под действием индуктированной э.д.с. в короткозамкнутом роторе возникают значительные токи.

В результате взаимодействия тока ротора с вращающимся магнитным полем возникает сила, действующая на проводники ротора (закон Ампера), направление которой определяется по правилу левой руки (если ладонь левой руки расположить так, чтобы в нее входил вектор магнитной индукции, а четыре вытянутых пальца расположить по направлению тока в проводнике, то отогнутый большой палец покажет направление силы, действующей на ток).

Эта сила создает момент силы, вызывающий вращение ротора в направлении вращения магнитного поля статора. Этот момент силы также называется вращающим моментом.

Частота вращения ротора всегда меньше частоты вращения магнитного поля статора.

По этой причине эти электродвигатели называются асинхронными.

Ротор не может вращаться синхронно с магнитным полем, так как при совпадении частот не будет относительного движения магнитного поля и ротора, вследствие чего ротор не будет пересекаться полем, в нем не будет наводится ток и, следовательно исчезнет вращающий момент.

Разность частот вращения поля статора и ротора отнесенная к частоте вращения магнитного поля статора называется скольжением. Скольжение показывает на сколько частота вращения ротора отстает от вращающегося магнитного поля.



s = 100%(n₁ - n₂)/n₁

где n₁- частота вращения магнитного поля; n₂ - частота вращения ротора. В начальный момент включения электродвигателя частота вращения ротора n₂ = 0 и s = 1.

У выпускаемых промышленностью электродвигателей при полной нагрузке скольжение колеблется от 2% до 12%.

Вращающий момент асинхронного электродвигателя

Для определения пригодности электродвигателя для работы в качестве привода различных механизмов необходимо знать вращающий момент этого двигателя и характер его изменения.

Вращающий момент электродвигателя возникает в результате взаимодействия токов протекающих по обмотке ротора с вращающимся магнитным полем статора.

Вращающий момент асинхронного электродвигателя определяется следующей формулой:

M = kФI_ротcos _рот

где M - вращающий момент (Нм); Ф - вращающийся магнитный поток (Вб); I_рот - ток в обмотке ротора; k - константа, зависящая от конструкции электродвигателя; cos _рот - косинус угла сдвига фаз между током и э.д.с. в обмотке ротора.

Таким образом, вращающий момент асинхронного двигателя пропорционален величине вращающегося магнитного потока, пронизывающего ротор, и активной составляющей тока ротора. Магнитный поток двигателя величиной постоянной для данного двигателя. Переменной величиной является ток ротора, зависящий в свою очередь от скольжения. Вращающий момент асинхронного двигателя приближенно может быть выражен формулой:

M = 2M_кр/(s/s_кр + s_кр/s),

где s - скольжение электродвигателя; M_кр -максимальный момент электродвигателя, называемый критическим; s_кр - критическое скольжение электродвигателя, соответствующее критическому моменту.

Эта формула следует из анализа схемы замещения асинхронного электродвигателя.

Критическое скольжение можно определить по приближенной формуле:

s_кр = R_рот/(x_ст + x_рот),

где R_рот - активное сопротивление обмотки ротора; x_ст и x_рот - реактивные сопротивления обмоток статора и ротора.

Зависимость вращающего момента от скольжения имеет вид:

Кривую можно условно разделить на два участка: ОА и АВ. Участок ОА соответствует устойчивым режимам работы асинхронного двигателя: с увеличением момента нагрузки скорость вращения двигателя замедляется, скольжение увеличивается, и как видно из графика, возростает вращающий момент.

Новое положение равновесия достигается. когда вращающий момент становится равным тормозному.

При этом двигатель устойчиво вращается с уменьшенной скоростью.

Участок АВ соответствует неустойчивым режимам работы двигателя.

С увеличением момента нагрузки скольжение увеличивается, вращающий момент уменьшается, скольжение возростает еще больше.

Двигатель останавливается и начинает быстро нагреваться, так как при s = 1 его пусковой ток в 6 - 7 раз превышает номинальное значение.

Максимальный момент двигателя (М_кр) называется опрокидывающим.

Двигатель может работать только на устойчивой части характеристики.

Для практических целей вращающий момент электродвигателя определяют исходя из его мощности и скорости вращения.

Для этого служит следующее соотношение:

M = 9550P/n (Нм)

где P - мощность двигателя в кВт; n - скорость вращения в об/мин.

Механическая характеристика асинхронного двигателя

Зависимость скорости вращения двигателя от момента на валу при постоянных напряжении питания и частоте сети называют механической характеристикой.

Механическая характеристика асинхронного двигателя имеет вид:

Механическая характеристика снимается экспериментально или

На этом графике можно отметить максимальный критический момент; пусковой момент (при пуске двигателя, то есть при n₂ = 0); номинальный момент, соответствующий номинальному режиму.

Номинальные технические параметры расчитываются из условия допустимой температуры нагрева двигателя и электрической прочности, ограничиваемых стойкостью изоляции проводников обмоток.

строится на основании графика M(s).

С увеличением момента нагрузки скорость вращения двигателя уменьшается незначительно. Если момент нагрузки превысит максимальный, то скорость вращения двигателя лавинообразно уменьшиться до нуля.

Скорость вращения асинхронного двигателя зависит от напряжения питания. Вращающий момент пропорционален квадрату напряжения питания. Поэтому даже небольшие колебания напряжения питания приводят к заметному изменению вращающего момента и скорости вращения двигателя.

При увеличении вращательного момента от нуля до максимального значения скорость двигателя уменьшается незначительно.

Такая механическая характеристика называется жесткой.

При перегрузке свыше мсаксимального момента двигатель работает в области неустойчивого режима и может остановиться, если тормозящий момент превышает вращающий момент создаваемый двигателем.

Механическая характеристика, относящаяся к нормальным рабочим условиям работы двигателя, называется естественной механической характеристикой.

Лекция № 8. Пуск асинхронных электродвигателей

Двигатель с короткозамкнутым ротором. Для двигателей с короткозамкнутым ротором обычно применяют прямое включение в сеть обмотки статора с помощью соответствующей коммутационной аппаратуры. Кратковременный толчок пускового тока (I_п = 4 7 I_н ) безопасен для двигателя, но может явиться причиной чрезмерно большого падения напряжения в сети при недостаточной мощности источника энергии (обычно трансформатора). В этих случаях ограничивают пусковой ток пуском двигателя при пониженном напряжении.

Напряжение в период пуска двигателя понижают:

1).используя в период пуска соединение обмотки статора звездой с последующим переключением ее на треугольник;

2).включая в цепь обмотки статора на период пуски добавочные активные или реактивные сопротивления {реакторы);

3).подключая двигатель к сети через понижающий автотрансформатор.

Общий недостаток всех способов - значительное уменьшение пускового и максимального моментов двигателя, пропорциональных квадрату приложенного напряжения.

В тех случаях, когда требуются большие значения пускового момента. Применяется ротор с двойной клеткой, причем разных клеток могут чередоваться. Короткозамыкающие кольца в случае литых двойных клеток выполняются общими для обеих клеток. В ряде случаев обмотка двухклеточного двигателя выполняется из латуни или специальной бронзы, благодаря чему обеспечивается относительно большее ее активное сопротивление. Эта обмотка выполняет функции пусковой в асинхронном двигателе. Другая обмотка ротора - внутренняя - изготавливается изготавливается из меди с минимальным активным сопротивлением. Она выполняет функции основной рабочей обмотки двигателя. Обе обмотки могут иметь круглые пазы, однако внутренняя обмотка в ряде случаев выполняется прямоугольной или овальной формы. Короткозамыкающие торцевые кольца для обеих обмоток обычно изготавливаются из меди.

Двигатель с фазным ротором. Хорошими пусковыми характеристиками обладает двигатель с фазным ротором. Для снижения пускового тока обмотки ротора при пуске замыкают на активное сопротивление пускового реостата.

При этом уменьшается ток ротора, а следовательно, и ток статора. В то же время активная составляющая тока ротора возрастает, увеличивая пусковой момент. В пусковом реостате обычно имеется несколько ступеней, которые последовательно выводятся во время пуска вплоть до замыкания обмотки ротора накоротко. Длительная работа с добавочным сопротивлением в цепи ротора неэкономична.

Регулирование скорости вращения асинхронных электродвигателей

Регулирование скорости вращения асинхронных двигателей производят несколькими способами.

Скорость вращения асинхронного двигателя расчитывается по формуле:

n = 60f(1 - s)/p (об/мин)

s - скольжение в долях единицы.

Из этой формулы видно, что скорость можно регулировать изменением:

- частоты переменного тока;

- числа пар полюсов;

- скольжения.

Регулирование скорости изменением величины скольжения асинхронного электродвигателя ввозможно двумя способами:

1). введением в цепь ротора дополнительного сопротивления, что возможно для двигателя с фазным ротором.

2). изменением реактивных сопротивлений, включаемых в обмотку статора.

Регулирование скорости вращения двигателя с фазным ротором введением в его цепь дополнительного сопротивления позволяет уменьшить его скорость не более, чем на 40 - 50% номинальной скорости.

При таком регулировании с увеличением сопротивления реостата увеличивается величина скольжения, то есть уменьшается скорость вращения двигателя.

В этом случае схема регулирования сходна со схемой пуска асинхронного двигателя с фазным ротором с той разницей, что регулировочный реостат должен быть расчитан на длительную нагрузку током.

Регулирование скорости вращения с помощью добавочного сопротивления в цепи ротора приводит к неустойчивой работе электродвигателя на малых оборотах, так как при этом приходится включать большие сопротивления, что приводит к значительным колебаниям скорости при небольших изменениях момента сопротивления нагрузки.

Этот способ неэкономичен, так как увеличивает потери в роторной цепи.

Такой способ регулирования скорости вращения асинхронных электродвигателей применяют в тех случаях, когда работа двигателя с пониженной скоростью непродолжительна и когда не требуется большой точности регулировки (например подьемно-транспротные механизмы).

Регулирование скорости двигателе при помощи дросселей состоит в том, что в цепь статора электродвигателя включают реактивные сопротивления с переменной индуктивностью.

Изменение индуктивности реактивных сопротивлений (дросселей) осуществляется пропусканием постоянного тока различной величины через обмотку управления дросселями.

Изменяемое индуктивное сопротивление в цепи статора позволяет получить на зажимах электродвигателя различное напряжение, чем достигается изменение скольжения, то есть скорости вращения ротора.

Достоинством этого способа является плавное регулирования скорости вращения электродвигателя.

К недостаткам относится следующее: значительное уменьшение максимального вращающего момента, а так же уменьшение коэффициента мощности.

Регулирование скорости вращения за счет изменения числа пар полюсов осуществляется переключением обмоток статора и является ступенчатым.

Для этих целей применяют специально выпускаемые многоскоростные двигатели ( на 2, 3 и 4 скорости).

Двухскоростные двигатели имеют 6, трехскоростные - 9 и четырехскоростные - 12 выводов к переключателю полюсов.

Регулирование скорости вращения двигателей изменением частоты тока требует применения специального источника переменного тока с изменяемой частотой. Такие источники питания представляют собой тиристорные преобразователи частоты с регулируемой частотой.

При эксплуатации двигателей нередко возникает необходимость их торможения. Торможение двигателя может быть механическим и электрическим.

При механическом торможении электромагнит или пружины воздействуют через тормозные колодки на шкив, закрепленный на валу двигателя.

При электрическом торможении используют режим противовключения, когда у работающего двигателя переключением двух фаз (реверсирование) меняется направление вращения поля или режим динамического торможения, когда после отключения двигателя от сети в обмотку статора кратковременно подается постоянный ток.

Специальные типы асинхронных электродвигателей

Однофазные асинхронные электродвигатели. Особенностью однофазного двигателя является отсутствие начального, или пускового, момента, то есть при включении такого двигателя в сеть ротор его будет оставаться неподвижным. Если же под действием какой-либо внешней силы вывести ротор из состояния покоя, то двигатель будет развивать вращающий момент. Отсутствие. начального вращающего момента является существенным недостатком однофазных асинхронных двигателей, поэтому их всегда снабжают пусковыми устройствами.

В однофазных асинхронных двигателях мощностью до 1-2 кВт имеется две обмотки рабочая и пусковая, сдвинутые на 90⁰. Обе обмотки питаются от сети однофазного тока. Для создания вращающегося магнитного поля через пусковую обмотку должен проходить ток со сдвигом по фазе на 90° по отношению к току рабочей обмотки. Это достигается включением в цепь пусковой обмотки фазосдвигающего элемента: активного сопротивления или емкости.

После запуска двигателя пусковая обмотка отключается. Движение поддерживается пульсирующим полем рабочей обмотки.

В качестве однофазного асинхронного двигателя может быть использован трехфазный двигатель с отсоединенной одной из фаз статора. Мощность, развиваемая таким электродвигателем при однофазном включении состовляет 50 - 60 % номинальной мощности двигателя при трехфазной схеме включения.

Конденсаторные двигатели. В конденсаторном двигателе во время работы включены обе обмотки. Необходимый сдвиг по фазе между токами создается включением последовательно одной из них рабочей емкости С_раб, причем при пуске желательно иметь несколько большую емкость, что достигается включением С_п. После разгона и снижения тока пусковую емкость отключают, что позволяет улучшить условия работы двигателя в номинальном режиме. Мощности конденсаторных двигателей невелики (до 1,5 кВт).

Асинхронные двигатели небольшой мощности (до 600 Вт) применяют в автоматических устройствах и электробытовых приборах. Обычно используют однофазные микродвигатели. Для этих двигателей характерны повышенное (по сравнению с обычными двигателями) сопротивление обмотки ротора и соответственно работа с повышенным скольжением.

В устройствах автоматики используют асинхронные исполнительные двигатели и асинхронные тахогенераторы.

Исполнительные двигатели. Исполнительные двигатели служат для преобразования электрического сигнала в механическое перемещение вала. Частота вращения таких двигателей должна плавно изменяться под воздействием сигнала управления. Исполнительные двигатели не допускают самохода (при снятии сигнала управления ротор останавливается), имеют линейные механические и регулировочные характеристики, высокое быстродействие, бесшумны.

Асинхронные тахогенераторы. Асинхронные тахогенераторы преобразуют механическое вращение в электрический сигнал. Их применяют для измерения частоты вращения, выработки ускоряющих и замедляющих сигналов, выполнения операций дифференцирования и интегрирования в схемах счетно-решающих устройств.

Линейные асинхронные двигатели. Линейные асинхронные двигатели применяют в тех случаях, когда требуется линейное перемещение подвижной части исполнительного устройства. Их принцип действия основан на способности многофазной системы токов создавать «бегущее» магнитное поле. Такое поле создается токами трехфазной обмотки, уложенной в прямолинейный статор. Параллельно статору располагают подвижную часть двигателя - магнитопровод, в пазы которого заложены алюминиевые или медные стержни короткозамкнутой обмотки. Взаимодействие бегущего магнитного поля с токами, наводимыми в этой обмотке, создает электромагнитные силы, увлекающие подвижную часть двигателя за собой.

Подвижной частью такого двигателя может быть электропроводящая жидкость (жидкие металлы, электролиты), которая заполняет канал между двумя статорами с трехфазной обмоткой. Такие устройства называются магнитогидродинамическими насосами.

Использование линейных двигателей позволяет исключить в механических устройствах кинематические звенья для преобразования вршцагельного движении в поступательное.

Синхронные машины

Синхронные машины, используют в качестве генераторов и двигателей. Все генераторы переменного тока - это синхронные машины. Синхронные двигатели применяют реже асинхронных и только в тех случаях, когда при заданной мощности и режиме работы они оказываются экономичнее, чем асинхронные.,

Синхронные машины, так же как и асинхронные, состоят из статора и ротора.. В пазах статора подобно тому, как это сделано у асинхронного двигателя, уложена трехфазная силовая обмотка. На роторе размещена обмотка возбуждения . Она соединена через кольца и щетки с источником постоянного тока. Мощность, необходимая для возбуждения, составляет 0,3 - 3 % от номинальной мощности синхронной машины.

Постоянный магнитный поток, создаваемый током ротора, замыкается через сталь ротора, воздушные зазоры и сердечник статора. Если ротор вращается, то создается вращающееся магнитное поле. Пересекая проводники фазных обмоток статора, это поле наводит в них переменную э.д.с...

Частота вращения ротора поддерживается постоянной, поэтому изменение э.д.с. во времени определяется только распределением магнитной индукции вдоль окружности ротора. Это распределение носит синусоидальный характер, поэтому и в фазных обмотках статора индуцируются синусоидальные э.д.с., сдвинутые по фазе одна относительно другой на одну треть периода (120⁰ ). Если на роторе р пар полюсов, то за один его оборот p раз изменяется э.д.с. и частота этого изменения:

f = pn/60.

Для получения частоты 50 Гц двухполюсный генератор (р=1) должен делать 3000об/мин.

При подключении обмотки статора к трехфазной нагрузке проходящий по ней ток создает вращающее магнитное поле с частотой вращения, равной частоте вращения ротора.

Суммарное магнитное поле вращается с той же частотой, с какой вращается ротор. Поэтому машина называется синхронной.

Обмотка возбуждения генератора через кольца и щетки получает питание либо от генератора постоянного тока (возбудителя), связанного с ротором синхронного генератора, либо от выпрямителей, подключаемых к сети. Для мощных синхронных генераторов применяют так называемую бесщеточную систему возбуждения. В этой системе в качестве возбудителя используют специальный синхронный генератор, у которого обмотка якоря расположена на роторе машины, а выпрямитель укреплен непосредственно на валу. При этом в цепи обмотки генератора отсутствуют скользящие контакты, что повышает надежность системы.

Устройство синхронных двигателей аналогично устройству трехфазного синхронного генератора. Трехфазную статорную обмотку подключают к сети трехфазного переменного тока, а в обмотку возбуждения подают постоянный ток.

Частота вращения ротора синхронного двигателя равна частоте вращения магнитного поля, то есть не зависит от нагрузки, то есть двигатель имеет абсолютно жесткую механическую характеристику.

Для разгона синхронного двигателя применяют асинхронный пуск. Для этого на роторе имеется специальная короткозамкнутая пусковая обмотка: медные или латунные стержни, заложенные в полюсные наконечники и замкнутые накоротко торцевыми кольцами. После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной, в обмотку возбуждения подается постоянный ток и ротор начинает вращаться с синхронной частотой.

Достоинством синхронных двигателей помимо абсолютно жесткой механической характеристики является их способность работать с cos = 1 и даже с опережающим током, то есть генерировать реактивную мощность. Для этого увеличивают возбуждение двигателей.

Применение синхронных двигателей позволяет повысить cos в системе и тем самым снизить потери при передаче электроэнергии.

Для повышения cos в системе применяют также синхронные компенсаторы - перевозбужденные синхронные двигатели облегченной конструкции, работающие вхолостую.

Основным недостатком синхронных двигателей является потребление от источника как переменного. Так и постоянного тока.

Электрические машины постоянного тока

Схема машины постоянного тока, показанная ниже на рисунке, поясняет принцип работы генератора и двигателя постоянного тока.

На схеме показан один виток обмотки якоря и простейший коллектор в виде двух изолированных полуколец. При положении переключателя П в позиции 1 и вращении якоря в последнем наводится э.д.с., направление которой определяется по правилу правой руки. В цепи нагрузки R будет протекать ток, совпадающий по направлению с э.д.с.. При такой схеме машина работает в режиме генератора. При положении переключателя П в позиции 2 (первичный двигатель отключен) в якоре будет протекать ток, направление которого противоположно ранее рассмотренному. Взаимодействие тока якоря и магнитного поля вызовет появление вращающего момента. Якорь при этом будет вращаться в том же направлении, как и ранее, однако машина перейдет в режим работы электродвигателя. В обмотке якоря электродвигателя также наводится э.д.с., которая имеет направление, противоположное направлению тока якоря, и поэтому называется протпивоэлектродвижущей силой. При работе машины в качестве электродвигателя противо-э.д.с имеет меньшее значение, чем напряжение на зажимах, а при работе в качестве генератора, наоборот, э.д.с. машины выше, чем напряжение на ее зажимах, на величину падения напряжения в обмотке якоря.

Коллектор генератора служит для выпрямления напряжения и тока, протекающего во внешней цепи. При одном витке якоря и двух коллекторных полукольцах выпрямленный ток представляет собой пульсирующий ток одного направления:

Для получения практически постоянного по величине тока необходимо увеличение числа секций обмотки якоря и соответственно числа коллекторных пластин.

Щетки в машинах постоянного тока располагают таким образом, чтобы они замыкали секции якоря, активные стороны которых в данный момент проходят нейтральную плоскость магнитного поля, то есть когда э.д.с. равна нулю.

Положение физической нейтральной плоскости магнитного поля зависит от нагрузки машины (при холостом ходе оно совпадает сположением геометрической нейтрали). В нагруженной машине взаимодействие тока якоря с магнитным полем полюсов искажает последнее (реакция якоря), что вызывает смещение физической нейтрали относительно геометрической. Поэтому во избежание замыканий секции якоря, где э.д.с. отлична отнуля, щетки смещают в генераторах по направлению вращения, а в двигателях - против направления. Ослабления реакции якоря также достигают, применяя дополнительные полюса. Их располагают между главными полюсами по геометрической нейтрали и включают таким образом, чтобы скомпенсировать влияние реакции якоря на магнитное поле полюсов.

Основные части машин постоянного тока - стальной цилиндрический корпус (6) (статор), на внутренней поверхности которого крепятся стальные сердечники электромагнитов (полюсы - 4, 5), а на боковых - подшипниковые щиты (1). Подвижная часть машины - якорь (3) - состоит из стального вала, на котором жестко закреплены сердечник, набранный из листовой электротехнической стали, и коллектор (7) в виде цилиндрического переключателя, собранного из медных пластин (ламелей), изолированных друг от друга слюдой (миканитом). По ламелям скользят неподвижные щетки (2).

Обмотка якоря состоит из секций изолированного провода, уложенных в пазы сердечника якоря и присоединенных к пластинам коллектора. Станина статора, его полюсы и сердечник якоря образуют магнитную цепь машины, одним из участков которой является воздушный зазормежду поверхностями сердечника якоря и полюсами статора. На сердечниках электромагнитов расположены обмотки возбуждения. Для правильного распределения магнитного потока по окружности якоря на концах сердечников укреплены стальные наконечники, охватывающие его.

В зависимости от способа соединения цепи возбуждения с цепью якоря машины постоянного тока подразделяются на машины с параллельным (шунтовым), последовательным (сериесным) и смешанным (компаундным) возбуждением. В некоторых случаях применяют независимое возбуждениеот отдельного источника.

Машины постоянного тока с параллельным и смешанным возбуждением используют как генераторы и электродвигатейи, а машиныс последовательным -- только как электродвигатели.

Генераторы, в которых обмоткавозбуждения получает питание от якоря, называют генераторамис самовозбуждением. В обмотке такого генератора э.д.с. наводится за счет некоторого остаточного магнетизма полюсов. Регулирование э.д.с. генератора, как правило, производится изменением токавозбуждения с помощью реостата, включенного в цепь обмотки возбуждения. Основные номинальные параметры генератора: полезная мощность, напряжение на зажимах, ток нагрузки и частота вращения указывают в заводском паспорте.

По конструкции электродвигатели в основном не отличаются от генераторов. При пуске электродвигателя необходимо ограничить пусковой ток, так как при неподвижном якоре противо-э.д.с. равна нулю. Это достигается последовательным включением реостата в цепь якоря. По мере выведения ступеней реостата двигатель набирает обороты, достигая номинальных. Для регулирования скорости электродвигателя с параллельнымвозбуждением служит шунтовой реостат, с помощью которого изменяется ток возбуждения, зависящий от напряжения сети, а не от нагрузки, следовательно, от нее не зависит и магнитный поток.

В двигателе с последовательным возбуждением через обмотку возбуждения протекает ток якоря, следовательно, магнитный поток возрастает вместе с нагрузкой.

Отсюда следует, что с ростом нагрузки у двигателя с параллельным возбуждением частота вращения меняется незначительно, а с послеловательным сильно.

Электродвигатели с последовательным возбуждением при малыхоборотах, в частности при пуске, развивают болышой вращающий момент, поэтому они широко применяются для привода механизмов, требующих большого первоначального момента (краны, электро-транспорт и т. д.). Недостатком этих двигателей является резкое повышение частоты вращения при уменьшении нагрузки. При снижении нагрузки до 25 % от номинальной число оборотов возрастает до опасных пределов, и двигатель может пойти «вразнос». Поэтому такие машины нельзя подключать к сети без нагрузки.

Основы электропривода

Привод - система, для преобразования одного вида энергии в механическую энергию рабочего механизма.

В настоящее время в качестве двигателя для привода производственных механизмов используют в основном электродвигатели из-за их надежности, высокого кпд и простоты управления.

Привод, осуществленный с помощью электродвигателя, называют электрическим (электроприводом).

В зависимости от числа механизмов, приводимых одним двигателем, или от числа двигателей в одном механизме приводы бывают групповыми, однодвигательными и многодвигательными.

Независимо от условий работы и вида рабочих механизмов электродвигатели для привода выбирают согласно общим правилам. Эти правила таковы. Должно соблюдаться:

- полное соответствие между механическими свойствами двигателя и требованиями производственного механизма;

- мощность двигателя в процессе работы должна использоваться максимально;

- параметры двигателя (напряжение, частота) должны соответствовать параметрам сети;

- конструктивное исполнение двигателя должно соответствовать условиям окружающей среды

(влажность, пожароопасность, взрывоопасность и др.);

- двигатель должен быть удобен и безопасен для обслуживающего персонала.

Правильный выбор электродвигателя обеспечивает стабильную и экономичную работу механизма.

Если не выдвигаются специальные требования к регулированию частоты вращения, значению пускового момента или пускового тока, то при выборе двигателя необходимо отдавать предпочтение асинхронным двигателям с короткозамкнутым ротором. Они просты по устройству. легко управляемы и надежны в эксплуатации.

Мощность электродвигателей определяется нагрузкой производственных механизмов и режимом их работы. В зависимости от характера и продолжительности рабочего цикла установлены три основные режима работы: продолжительный, кратковременный и повторно-кратковременный.

Если во время рабочего цикла мощность остается постоянной, то режим называют режимом постоянной нагрузки, а если она изменяется - режимом переменной нагрузки.

Управление электроприводом состоит в пуске, останове, изменении направления вращения и регулировании частоты вращения электрических двигателей. Важным условием обеспечения правильной и непрерывной работы электроприводов является выбор схемы управления. Используют несколько способов управления.

Ручное управление осуществляется с непосредственным участием человека, путем использования неавтоматических коммутационных аппаратов (прерывателей, контроллеров и др.).

Автоматическое управление осуществляется с использованием аппаратов автоматического действия (реле, контакторов и др.). Автоматическое управление облегчает труд людей, повышает производительность труда, позволяет управлять механизмами дистанционно.

Среди аппаратов дистанционного управления электроприводами чаще всего используют электромагнитные контакторы и пускатели.

Пускатели представляют собой сочетание электромагнитного контактора с биметаллическим термическим реле, смонтированными к общей коробке и укомплектованными кнопками управления «Пуск» и «Стоп».

Управлять электроприводами можно и бесконтактными аппаратами. Они состоят из магнитных (трансформаторов, дросселей, усилителей), полупроводниковых (диодов, транзисторов, тиристоров и др.) и вспомогательных (резисторов, конденсаторов и др.) элементов. В таких аппаратах нет быстро изнашивающихся механических деталей, они обладают большим быстродействием, но стабильность их работы зависит от температуры.

Цепи с бесконтактными аппаратами сложнее и дороже. Требуется более дорогая и сложная аппаратура настройки и выявления повреждений. Их используют преимущественно в регулируемых приводах при большой частого включений и в приводах, работающих во взрывоопасной среде.

Лекция № 9. Электроснабжение строительных площадок

Источники электроснабжения

Электроэнергетика является одной из важнейших отраслей народного хозяйства. Ее задачей является производство, передача и распределение электроэнергии между потребителями, то есть их электроснабжение. Эти процессы осуществляются одновременно, в электроэнергетике нет «склада готовой продукции». Это обусловливает условия работы всех участков системы электроснабжения: электроэнергия должна быть произведена и передана потребителю только в тот момент и в таком количестве, когда и в каком количестве она ему нужна. Поэтому персонал, обслуживающий электростанции и передающие устройства, должен постоянно обеспечивать условия, позволяющие увеличивать или уменьшать мощность передачи.

Производство электрической энергии осуществляется на электрических станциях, на которых устанавливаются трехфазные синхронные генераторы. Эти генераторы вырабатывают электрическую энергию частотой тока 50 Гц, напряжением 3 35 кВ. Тип электростанции зависит от вида первичной энергии, преобразуемой в электрическую.

Тепловые электростанции (ТЭС) - это электростанции, на которых за счет сжигания топлива (каменного угля, торфа, мазута, нефти, природного газа) происходит преобразование химической энергии в электрическую. Первичным двигателем, вращающим генератор, является паровая или газовая турбина. Если часть пара турбины идет на тепловые процессы (отопление зданий и другие технологические процессы), то электростанция называется теплофикационной (теплоэлектроцентраль (ТЭЦ)). Если отбор пара не производится, то электростанция называется конденсационной (КЭС).

На гидравлических электростанциях или гидроэлектростанциях (ГЭС) используют энергию водного потока. Сооружаемые на реках плотины обеспечивают перепад воды (разность между верхним и нижним бьефом) от нескольких десятков метров на paвнинных реках до сотен метров на горных.

На атомных электростанциях (АЭС) в электрическую энергию превращается энергия деления атомного ядра. В качестве расщепляющегося материала на АЭС обычно используют уран ²³⁵U. По количеству получаемой электроэнергии 1 кг урана ²³⁵U эквивалентен 2900 т угля.

Среди других типов электростанций можно назвать дизельные, ветроэлектростанции, гелиоэлетростанции. Дизельные электростанции, на которых генератор приводится во вращение дизельным двигателем, являются мобильными, их используют в труднодоступных районах, а также в качестве резервных источников питания на других типах электростанций. На ветроэлектростанциях используют энергию ветра, они не имеют большого значения, так как основным их недостатком является отсутствие возможности управлять энергией ветра. На солнечных (гелио-) электростанциях используют энергию Солнца, их можно применять в районах с жарким климатом при наличии большого числа солнечных дней в году.

Основная доля электроэнергии вырабатывается на тепловых электростанциях, преимуществом которых является меньшая стоимость сооружения и меньший срок строительства. Но себестоимость выработки электроэнергии на ТЭС в несколько раз выше, чем на ГЭС. Это объясняется тем, что на ТЭС велика доля топливной составляющей себестоимости выработки, то есть стоимости источника энергии. На ГЭС составляющая источника энергии отсутствует, так как после постройки плотины подъем воды осуществляется без дополнительных затрат.

Схемы электроснабжения строительных площадок

При выборе схем электроснабжения необходимо учитывать: положение потребителей как взаимное, так и относительно трансформаторной подстанции или электростанции; величины нагрузок потребителей; категории надежности электроснабжения потребителей; возможности расширения сетей без существенного переустройства; экономичность сооружения сети и удобство эксплуатации. Выбранная схема электроснабжения должна быть обоснована технико-экономическими расчетами, учитывающими как единовременные затраты на ее сооружение, так и эксплуатационные расходы. В строительной практике применяются следующие схемы распределения электроэнергии:

магистральная схема, - при которой несколько потребителей энергии питаются по одной общей линии (магистрали). Магистральные линии обычно используются для присоединения неособенно мощных потребителей, не требующих повышенной надежности электроснабжения.

радиальная схема, - при которой каждый потребитель или сосредоточенная группа потребителей питается отдельно линией от электростанции, трансформаторной подстанции (ТП) или распределительного пункта (РП). Радиальные сети просты в сооружении и эксплуатации, однако они требуют большого количества высоковольтной аппаратуры и значительных расходов на сооружение линий и распределительных устройств.

комбинированная схема - когда одни ТП питают по магистральной, а другие - по радиальной схеме. Чаще всего применяют комбинированную схему питания.

Электрические сети и проводки

Воздушные и подземные кабельные сети. Электрические сети разделяют на внешние и внутренние. Внешние сети предназначены для подведения электрической энергии от станции или подстанции к потребителям. Внутренние сети распределяют электрическую энергию между электроприемниками, находящимися в производственных помещениях.

Распределение электроэнергии на строительных площадках осуществляется с помощью постоянных и временных электрических сетей. Постоянные сети служат для электроснабжения производственных предприятий, обслуживающих стройки, и временные - для питания электродвигателей механизмов и осветительных устройств строительных площадок.

При организации временного электроснабжения следует стремиться к максимальному

использованию постоянных электрических устройств (подстанций, кабельных линий и др.), предусмотренных проектом строящегося объекта.

По величине напряжения электрические сети подразделяются на сети напряжением до 1000 В и сети напряжением выше 1000 В. Силовые и осветительные сети на строительных площадках обычно осуществляются при напряжении 380/220 В (380 В - для электродвигателей и 220 В для осветительных электроприемников). Питающие и распределительные сети высокого напряжения строительных площадок выполняются на напряжение 6,10 и 35 кВ.

Особенности электрификации строительных площадок выдвигают ряд специфических требований к электрическим сетям. Важное значение имеют вопросы экономии проводниковых материалов и снижение первоначальных затрат. Основными мероприятиями по удешевлению сетей являются применение повышенных напряжений, широкое использование алюминиевых и стальных проводов, а также упрощенной конструкции опор.

Все электрические сети сооружаются в соответствии с требованиями Правил устройства электроустановок (ПУЭ). К временным электросетям предъявляются те же требования, что и к постоянным.

Электрические сети бывают воздушные и кабельные. Воздушные сети получили широкое распространение вследствие их меньшей стоимости по сравнению с кабельными, простоты обнаружения мест повреждения и удобства ремонта. Недостатками воздушных сетей являются возможность повреждения их в результате внешних воздействий ветра, гололеда, ударов молнии, а также опасности поражения током людей и животных при повреждениях линий в населенных местах.

При выборе трассы воздушной электрической линии следует стремиться к тому, чтобы она была по возможности кратчайшей. Для воздушных линий напряжением до 1000 В применяют железобетонные, деревянные с железобетонными пасынками и деревянные опоры.

Воздушные линии характеризуются основными конструктивными размерами и габаритами. Габариты линий регламентируются ПУЭ и зависят от величины напряжения линии и характера местности, по которой проходит трасса. Там же устанавливают габариты пересечений и сближений воздушных линий между собой и с линиями связи, с выступающими частями зданий.

Эти габариты таковы: для ВЛ напряжением З80/220 В в населенных местностях, на заводских территориях и строительных площадках - не менее 6 м, а в ненаселенных местах - не менее 5 м; для ВЛ напряжением 6 -10 кВ эти расстояния соответственно увеличиваются до 7 и 6 м.

Для воздушных линий напряжением до 1000 В применяются одно- и многопроволочные провода, причем по условиям механической прочности алюминиевые провода должны быть сечением не менее 16 мм², сталеалюминиевые и биметаллические не менее 10 мм², стальные

многопроволочные - 25 мм², стальные однопроволочные - 4 мм (диаметр).

Прохождение воздушных линий над зданиями и сооружениями, за исключением несгораемых зданий и сооружений промышленных предприятий, запрещается.

Расстояние по горизонтали от крайних проводов линии, при наибольших их отклонениях, до ближайших выступающих частей зданий и сооружений должно быть не менее 3 м - для линий напряжением до 20 кВ.

Кабельные сети отличаются высокой надежностью электроснабжения, они не загромождают улиц городов и территории предприятий опорами и проводами электрических сетей. Вопросы прокладки кабельной линии решаются на основе технико-экономических расчетов с учетом развития сети, ответственности и назначения линии, характера трассы, способа прокладки, конструкций кабелей и т.п. Трассу кабельной линии выбирают с учетом наименьшего расхода кабеля и обеспечения его сохранности от механических повреждений, коррозии, вибрации, перегрева и т. п. Кабель нельзя прокладывать под существующими или предполагаемыми к постройке зданиями. Прокладка подземной кабельной сети более дорогая и трудоемкая, нежели воздушной сети, ввиду чего она сравнительно редко применяется на строительных площадках. По действующим правилам кабели прокладывают в земле (в траншеях), в коллекторах, в блоках и трубах. В строительной практике преимущественно прокладывают кабели в траншеях Трудоемкие земляные работы при прокладке подземных кабелей (рытье траншей, их засыпка и др.) производится, как правило, механизированным способом с использованием траншейных экскаваторов, бульдозеров и других строительных машин.

Для питания передвижных механизмов используются гибкие кабели в герметичной оболочке из полихлорвинила или нейтрита (светостойкой резины) с жилами в резиновой изоляции. Шланговые шнуры переносные используются для питания электроинструментов, сварочных трансформаторов и переносных светильников.

Для питания электроприводов строительных механизмов используются шланговые кабели переносные особо гибкие , тяжелые, в маслобензиностойкой изоляции.

Для питания строительных машин с высоковольтным электроприводом промышленность выпускает шланговые кабели на напряжение 6 кВ, морозостойкие, трехжильные с дополнительной заземляющей жилой.

Внутренние электропроводки. Электрические сети внутри зданий предназначены для питания электроэнергией силовых электроприемников и ламп электрического освещения. Выбор способа выполнения электрической сети внутри здания определяется, кроме соображений чисто технических (схема) и экономических (капиталовложения и эксплуатационные расходы), также условиями окружающей среды. Наиболее характерными показателями условий окружающей среды, влияющими на выбор марки проводов, являются: влажность, температура, наличие пыли (особенно горючей), едких паров и газов, возможность образования взрывоопасных смесей.

Проводка внутри зданий может быть выполнена открытой - по поверхности стен, потолков, ферм или скрытой в стенах, перекрытиях, в полу. Открытые проводки применяются в основном в производственных помещениях, а скрытые - общественных зданиях и жилых домах. Для прокладки внутри зданий применяют изолированные провода или небронированные кабели. Изоляция проводов и кабелей должна соответствовать номинальному напряжению сети.

В жарких помещениях, а также в местах с температурой 400 С и выше следует применять провода и кабели с теплостойкой изоляцией или нагрузки на провода с обычной изоляцией должны быть соответственно снижены.

Открытая проводка изолированных и голых проводов применяется для магистралей в производственных помещениях и прокладывается на значительной высоте в помещениях с нормальной средой.

Проводка в стальных тонкостенных и водогазопроводных, а также в пластмассовых винипластовых трубах применяется в тех случаях, когда необходима защита проводов от механических повреждений. Применение пластмассовых труб во взрыво- и пожароопасных помещениях не разрешается.

Силовые сети, прокладываемые в трубах, выполняются как открыто по стенам, перекрытиям, в каналах и т. д., так и скрыто в подготовке пола.

Как правило, для электрических сетей следует применять провода и кабели с алюминиевыми жилами, за исключением сетей освещения взрывоопасных помещений сцен зрелищных предприятий и других помещений, для которых, согласно ПУЭ, требуется применение проводов и кабелей с медными жилами.

Сети электрического освещения прокладываются открыто по конструкциям цехов промышленных предприятий и, как правило, скрыто в стенах, перекрытиях и других конструкциях жилых и гражданских зданий и многоэтажных производственных зданий некоторых отраслей промышленности.

Наибольшее распространение в массовом жилищном и гражданском строительстве получили скрытые проводки, выполняемые специальными плоскими проводами с полихлорвиниловой изоляцией . Эти провода прокладываются без труб в слое подготовки пола, под штукатуркой стен и потолков, в щелях и пустотах строительных конструкций. Недостатки такой проводки заключаются в возможности повреждения в процессе строительства и невозможности ее замены при эксплуатации. Новые более качественные и индустриальные проводки прокладываются в каналах строительных конструкций, образуемых при изготовлении железобетонных, гипсобетонных и других панелей на заводах. Такая проводка легко заменяется.

Другим индустриальным видом прокладки, который разрешен в тех случаях, когда создание каналов в строительных конструкциях невозможно по технологическим причинам, является глухая закладка проводов в толщу железобетонных, гипсобетонных и других конструкций в процессе их изготовления на заводах стройиндустрии. Провода смежных панелей соединяются в специальных коробках.

Инвентарные электротехнические устройства, такие, как передвижные трансформаторные подстанции, распределительные шкафы для подсоединения отдельных линий, подключательные пункты для присоединения строительных механизмов и электроинструмента, стойки и вышки для светильников и прожекторов, повышают надежность и удобство подключения электроприемников на строительных площадках или при сооружении многоэтажных зданий. Они повышают безопасность обслуживающего персонала от поражения электрическим током.

Выбор сечения проводов по допустимому нагреву и допустимой потере напряжения

Расчет электрических сетей для электроснабжения строительной площадки, в том числе и временных, производится проектными организациями, разрабатывающими проект организации строительства.

Вместе с тем работникам стройки - строителям и монтажникам в ряде случаев приходится на месте решать вопрос о выборе сечения проводов той или иной временной линии, не предусмотренной проектом, но необходимой для подачи электроэнергии к какому-либо строительному механизму или к временной осветительной установке.

Правильный выбор сечения проводов и кабелей имеет весьма существенное значение. Сечение проводов с одной стороны должно быть выбрано достаточным для того, чтобы потеря напряжения при передаче необходимой мощности не превосходила допустимых пределов и чтобы провод не перегревался под действием проходящего по нему тока; с другой стороны сечение проводов должно быть выбрано экономно с наименьшим расходом цветного металла. Перегрев проводов током быстро приводит к выходу их из строя и перерыву в электроснабжении. Повышенная потеря напряжения и связанное с ней понижение напряжения у электроприемников ухудшает их работу: вращающий момент электродвигателей и световой поток электрических ламп резко уменьшается. Так, например, понижение
напряжения против номинального на 10% уменьшает вращающий момент асинхронных двигателей на 19%, а световой поток ламп накаливания на 30%. В результате строительные механизмы не могут нормально работать, освещенность рабочих мест падает, производительность труда рабочих снижается.