книги из ГПНТБ / Сорокин М.П. Шахтные вентиляторные установки учебное пособие для подготовки квалифицированных рабочих на производстве

При м е р. Чему будет равна величина тока в цепи, имеющей сопротив­ ление 15 ом, если к ее зажимам приложено напряжение 220 в?

Решение. По закону Ома

Разница между проводниками и диэлектриками (изоляцион­ ными материалами) состоит в том, что диэлектрики не имеют свободных электронов. Поэтому электрический ток в диэлектри­ ках возникать не может.

Мощность (работа в 1 сек.) постоянного тока равна произве­ дению величины тока на напряжение. Постоянным называют ток, текущий в одном направлении. Единицей электрической мощности

Формула мощности постоянного тока имеет вид

P = UI,

где Р— мощность, вт; U — напряжение, в;

I—величина тока, а.

Пример. Какую мощность потребляет лампа накаливания при напря­ жении 220 в, если ток, текущий через лампу, равен 2,27 а.

Решение. По формуле мощности

р = t//= 220-2,27 = 500 вт = 0,5 кет.

Работа, затрачиваемая электронами при их движении по про­ воднику на преодоление сопротивления, превращается в теплоту. Количество тепла, выделяемое током в проводнике, определяется формулой Ленца — Джоуля

Q = 0,24PRt,

где /—величина тока, а;

R — сопротивление проводника, ом; t— время протекания тока, сек.

Тепло, выделяющееся в проводах линий электропередачи, рас­ сеивается в окружающей атмосфере и теряется бесполезно. Из формулы Ленца — Джоуля видно, что потери на нагревание про­ водов пропорциональны квадрату величины тока.

Чем меньше ток, тем меньше потери, а из формулы мощности видно, что при одной и той же мощности ток будет тем меньше, чем больше напряжение.

Пример. Какой ток будет протекать в одной и той же цепи при на­ пряжении 220 в и 6000 в, если в обоих случаях мощность одинакова и равна

100кет?

Решение. При напряжении 220 в ток в цепи по формуле мощности

100000 вт

69

При напряжении 6000 в ток в цепи

100000 вт

~б6оов =16-7-*

Из примера видно, что передачу больших мощностей выгодно осуществлять при высоком напряжении, так как при этом умень­ шаются потери мощности на нагревание проводов и потеря на­ пряжения, равная произведению величины тока на сопротивление проводов. Поэтому питание мощных потребителей электроэнергии,

Рис. 48. Диаграмма изменения силы тока в цепи переменного тока

и в частности питание электродвигателей мощных вентиляторов главного проветривания, осуществляется током высокого напря­ жения.

В промышленности чаще всего применяют трехфазный пере­ менный ток. Одним из главных его преимуществ по сравнению с постоянным током является возможность повышения и пони­ жения напряжения переменного тока в очень широких (практи­ чески неограниченных) пределах с помощью таких простых, на­ дежных и дешевых аппаратов, какими являются трансформаторы.

Переменным током называют ток, непрерывно изменяющийся по величине и по направлению. Графически переменный ток изо­ бражается кривой, называемой синусоидой (рис. 48). Изменения переменного тока по величине и направлению периодически пов­ торяются через равные промежутки времени. В момент времени ti ток равен нулю. С момента t\ до момента ток увеличивается, протекая в условно принятом положительном направлении. С мо­ мента ti, когда ток достигает своего наибольшего (амплитудного) значения +Zmax, до момента /3 ток уменьшается, протекая в прежнем направлении. В момент t3 ток равен нулю. С момента г'з до момента t4 ток увеличивается, протекая в другом, условно принятом за отрицательное, направлении. С момента t4, когда ток достигает своего наибольшего условно отрицательного значения — /шах , до момента t5 ток уменьшается, протекая в прежнем направ­ лении.

70

Промежуток времени, по истечении которого процесс изме­ нения переменного тока повторяется, называется периодом пере­ менного тока и обозначается буквой Т.

Величину, обратную периоду, выражающую число периодов в секунду, называют частотой переменного тока и обозначают бук­ вой f.

Следовательно,

,1 -г 1

/= — или Т = — . Г f

Единицей частоты служит герц (гц), равный 1 периоду в се­ кунду.

В СССР и в большинстве других стран (за исключением США) принят переменный ток с частотой 50 гц.

Рис. 49. Диаграмма тска и напряжения в цепи .переменного тока

В цепи переменного тока при индуктивной нагрузке (электро­ двигатели, сварочные аппа'раты, силовые трансформаторы и т. п.) ток и напряжение не одновременно достигают своих нулевых, максимальных и всех промежуточных значений. При индуктив­ ной нагрузке ток отстает от напряжения. Это отставание назы­ вается сдвигом фаз. Сдвиг фаз измеряется углом <р. Если мак­ симальные значения тока и напряжения в выбранном масштабе изобразить в виде радиусов-векторов I и U (рис. 49), вращаю­ щихся вокруг точки 0, и переносить вертикальные проекции этих радиусов-векторов на горизонтальную ось времени t в точки, по времени соответствующие положению радиусов-векторов, то мы получим синусоиды тока и напряжения. Угол <р и будет углом сдвига фаз между током и напряжением. Косинус угла <р сдвига фаз между током и напряжением называют коэффициентом мощности переменного тока.

Трехфазный ток представляет собой три самостоятельных пе­ ременных тока, сдвинутых по фазе друг относительно Друга на 120° и связанных в общую систему.

Принципиальные схемы соединений в звезду и в треугольник при трехфазном токе показаны на рис. 50.

71

При соединении в звезду напряжение между каждой парой линейных проводов—линейное напряжение — больше напряже­ ния между каждым из линейных проводов и нулевым проводом — фазного напряжения — в j/ 3 = 1,73 раза:

Нл = /ЗПф=-1,73Пф.

Рйс. 50. Соединение обмоток:

а — в звезду; б — в треугольник; Д — двигатель; Г — генератор

Поэтому при соединении в звезду можно получить два напря­ жения, например:

напряжение, гак как в этом случае

При соединении в звезду линейный ток, т. е. ток в каждом из трех линейных проводов, равен фазному току:

При соединении в треугольник линейный ток в V 3 = 1,73 раза больше фазного тока:

/л=/з7Ф.

Мощность трехфазного тока определяется формулой

Р=/3 17л/л cos <р.

72

Глава II

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ

1. Асинхронные двигатели

Самым распространенным типом электродвигателя является асинхронный двигатель трехфазного переменного тока с коротко­ замкнутым ротором.

Основными частями двигателя являются неподвижная часть, называемая статором, и вращающаяся часть, называемая ротором.

Статор состоит из литого корпуса, в котором запрессован ци­ линдрический магнитопровод, набранный из листовой электротех­ нической стали. В пазах магнитопровода уложена трехфазная обмотка, получающая питание от силовой электросети. Все трифазные обмотки статора сдвинуты друг относительно друга на угол 120°.

Центральная часть магнитопровода имеет цилиндрическое от­ верстие, в котором вращается ротор.

Ротор двигателя (рис. 51) состоит из вала 1, вращающегося в подшипниках, на который напрессован пакет 2, набранный из листовой электротехнической стали. В пакете ротора имеются продольные сквозные отверстия, расположенные по окружности. Эти отверстия -заливают алюминием, образующим стержни 3. Все стержни 3 замыкают накоротко с обоих концов кольцами 4. Стержни с замыкающими их ’кольцами образуют короткозамк­ нутую обмотку ротора, называемую «беличьей клеткой».

При протекании трехфазного переменного тока по обмоткам статора создается вращающееся магнитное поле (рис. 52). Это поле подобно тому, как будто в отверстие статора вставлен вра­ щающийся постоянный магнит. Но создается это магнитное полетоком, протекающим по обмоткам статора.

7$

При вращении поле статора пересекает стержни «беличьей клетки» ротора. Благодаря этому в «беличьей клетке» ротора индуктируется электродвижущая сила и возникает электрический ток. Так как при протекании тока по проводу вокруг этого про­ вода всегда возникает магнитное поле, то и при протекании тока по стержням «беличьей клетки» ротора возникает магнитное поле ротора. Магнитное поле ротора взаимодействует с вращающимся полем статора, благодаря чему на валу ротора создается вра­ щающий момент и ротор приходит во вращение.

Скорость вращения ротора всегда несколько меньше скоро­ сти вращения магнитного поля статора. Для того чтобы в про­ воднике индуктировалась электродвижущая сила и возникал ток, необходимо, чтобы проводник пересекался силовыми линиями магнитного поля. Если скорость вращения ротора будет равна скорости вращающегося поля статора, то силовые линии поля статора не будут пересекать стержни обмотки ротора, в обмотках ротора не будет возникать электродвижущая сила и ток, не будет магнитного поля ротора, вращающий момент на валу ротора бу­ дет равен нулю и ротор вращаться не будет. Поэтому скорость вращения ротора всегда меньше скорости вращения поля ста­ тора.

Скорость вращения вращающегося поля статора называется синхронной скоростью. Отставание ротора от статора называется скольжением. Скольжение обычно выражают в процентах от синхронной скорости и определяют по формуле

s=t±n юо%1

лс

где s — скольжение;

пс — синхронная скорость вращения;

п. - - скорость вращения ротора.

Скольжение обычно равно 4—5 %'.

Пример. Определить скольжение, если ротор двигателя делает

1430 об/мин.

Решение. При скорости вращения ротора «=1430 об/мин синхронная скорость га с= 1500 об/мин. При этом скольжение

можно путем изменения направления вращения поля статора. Для этого достаточно поменять местами два любых из трех проводов, подводящих ток к обмотке статора.

Обмотки статора двигателя могут быть соединены в звезду или в треугольник. Если на табличке двигателя указано напря­ жение 380/220 в, то это значит, что при линейном напряжении питающей сети 380 в обмотки статора двигателя должны быть соединены в звезду.

74

Тогда на фазу обмотки статора придется напряжение

Если же линейное натяжение питающей сети 220 в, то обмотки статора двигателя должны быть соединены в треугольник. Тогда на фазу статора придется напряжение =220 в. При различных линейных напряжениях питающей сети и при различ­ ных схемах включения обмоток статора двигателя на каждую фазу обмотки приходится одно и то же напряжение, на которое обмотка рассчитана.

Рис. 53. Принципиальная схема включения асинхронного двигателя с фазным’ ротором:

1 — статор; 2 — ротор; 3 — контактные кольца; 4 — щеткж; 5 — реостат

Двигатель с фазным ротором отличается от двигателя с ко­ роткозамкнутым ротором конструкцией ротора. Принципиальная схема двигателя с фазным ротором показана на рис. 53. Фазный ротор отличается от короткозамкнутого тем, что обмотки его вы­ полнены в виде фазных обмоток, уложенных в продольные пазы на цилиндрической поверхности пакета ротора. С одной стороны концы фазных обмоток ротора соединены между собой и обра­ зуют нулевую точку звезды. Другие концы фазных обмоток сое­ динены с контактными кольцами, сидящими на валу и изолиро­ ванными от вала и друг от друга. На кольца наложены щетки, соединенные с трехфазным реостатом. Сопротивления всех трех фаз реостата соединяются вместе, образуя вторую нулевую точку звезды, трехплечим вращающимся контактным рычагом.

Наличие реостата в цепи ротора обеспечивает уменьшение

75

пускового тока, увеличение пускового момента и возможность регулирования скорости вращения двигателя в нешироких пре­ делах.

По конструктивной форме исполнения асинхронные двигатели выпускаются следующих типов:

1)открытые, имеющие отверстия в корпусе, не защищенные от попадания внутрь корпуса посторонних предметов;

2)защищенные, имеющие отверстия в корпусе, защищенные от попадания внутрь корпуса посторонних предметов;

3)закрытые, не имеющие отверстий в корпусе, с наружным

обдувом вентилятором, сидящим на валу двигателя, и без на­ ружного обдува, с ребристым корпусом;

4)защищенные от попадания в корпус брызг сверху;

5)защищенные от попадания брызг и струй любого направ­

ления;

6)взрывобезопасные.

Конструктивная форма исполнения выбирается в зависимости от условий работы двигателя.

По характеру изоляции двигатели разделяют на двигатели с обычной изоляцией, с влагостойкой изоляцией и с жаростойкой изоляцией.

Кдостоинствам асинхронного двигателя относят:

1)простоту конструкции;

2)надежность в работе;

3)малую стоимость.

Основным недостатком асинхронного двигателя является зна­ чительное снижение коэффициента мощности (cos <р) при умень­ шении нагрузки по сравнению с номинальной.

2. Синхронные двигатели

Синхронные двигатели отличаются от асинхронных по прин­ ципу действия и по своим свойствам.

Принципиальная схема синхронного двигателя представлена на рис. 54.

Статор синхронного двигателя выполнен так же, как и асин­ хронного двигателя, и имеет трехфазную обмотку, фазы которой сдвинуты друг относительно друга на 120°. При включении обмот­ ки статора синхронного двигателя в сеть, как и в асинхронном двигателе, возникает вращающееся магнитное поле.

Ротор синхронного двигателя отличается от ротора асинхрон­ ного двигателя.

Роторы синхронных двигателей бывают двух типов (рис. 55): а — с явно выраженными полюсами и б — с неявно выраженными полюсами. Последние применяют в быстроходных двигателях.

Обмотка ротора синхронного двигателя питается постоянным током от генератора постоянного тока, называемого возбудите­ лем. Обычно ротор возбудителя жестко связан с ротором син-

76

хронного двигателя. Таким образом, синхронный двигатель при­ водит в движение возбудитель, вырабатывающий постоянный ток для питания обмоток ротора синхронного двигателя. Для подвода постоянного тока к обмоткам ротора синхронного двигателя на валу последнего имеются два контактных кольца, изолированных

Отсети

Рис. 54. Принципиальная схема включения син­ хронного двигателя:

/ — статор; 2 — ротор; 3 — возбудитель: 4 — контактные кольца; 5 — щетки

друг от друга и от вала (см. рис. 54). К этим кольцам присое­ диняют обмотку ротора. По кольцам скользят щетки, к которым подводят постоянный ток от возбудителя.

Рис. 55. Роторы синхронных двигателей

Проходя по обмоткам ротора, ток от возбудителя создает постоянное магнитное поле. Это поле сцепляется с вращающимся полем статора и создает вращающий момент на валу синхрон­ ного двигателя. Из сказанного следует, что' ротор синхронного двигателя вращается со скоростью вращения, точно соответст­ вующей скорости вращающегося поля статора, т. е. с синхрон­ ной скоростью вращения. Если в силу каких-либо причин ротор

77

синхронного двигателя затормозится, то нарушается сцепление между магнитными полями ротора и статора и двига­ тель останавливается, как говорят, — двигатель выпадает из син­ хронизма. Это может произойти при резком возрастании нагруз­ ки двигателя.

Для пуска синхронного двигателя недостаточно включить

всеть обмотку статора и подать постоянный ток в обмотку ротора. При этом двигатель не пойдет в ход. Дело в том, что синхронная скорость вращающегося поля статора устанавли­ вается мгновенно после включения статора в сеть, так как инер­ ция электрических и магнитных процессов практически равна нулю. Механическая же инерция ротора двигателя весьма ве­ лика, и ротор не может мгновенно развернуться до своей номи­ нальной скорости вращения. В силу этого при попытке пустить

вход синхронный двигатель таким способом полюсы ротора будут оказываться попеременно то под разноименными, то под одноименными полюсами вращающегося поля статора. При этом полюсы поля ротора будут то притягиваться к полюсам поля статора, то отталкиваться от них. Поэтому ротор не при­ дет во вращение.

Пуск синхронного двигателя производится путем предвари­ тельного разгона его ротора до скорости, близкой к синхронной, как говорят, — до подсинхронной скорости.

После этого в обмотку ротора подают ток возбуждения и дви­ гатель втягивается в синхронизм.

Для предварительного разгона ротора синхронного двигателя до подсинхронной скорости в роторе укладывают пусковую ко­ роткозамкнутую обмотку — беличью клетку. При включении об­ мотки статора в сеть двигатель запускается, как аоинхронный. Ротор его разгоняется до подсинхронной скорости, а вместе с ним и ротор возбудителя до скорости, близкой к номинальной. Благодаря этому напряжение на зажимах возбудителя достигает номинального значения. Когда ротор синхронного двигателя на­ чинает вращаться с подсинхронной скоростью, а напряжение на зажимах возбудителя достигает номинального значения, обмотку ротора соединяют с возбудителем (в современных установках это производится автоматически) и двигатель втягивается в син­ хронизм.

Регулирование скорости синхронного двигателя теоретически возможно осуществить только путем изменения частоты тока, питающего статор двигателя, благодаря чему изменялась бы скорость вращающегося поля статора, а вместе с ней и скорость ротора.

Но так как раздельное регулирование частоты питающего тока для каждого двигателя было бы крайне сложно и дорого, то практически осуществить регулирование скорости синхронного двигателя нельзя. Это и является основным недостатком син­ хронного двигателя.

78