15.17. Синхронные двигатели малой мощности

Свойство рассмотренных выше синхронных двигателей сохранять неизменной частоту вращения при изменении тормозного момента на валу достигается усложнением устройства ротора по сравнению с асинхронными: к обмотке подключается через скользящие контакты специальный источник постоянного тока.

В синхронных двигателях малой мощности роль вращающегося постоянного электромагнита выполняет постоянный магнит, изготовленный из магнитно-твердого материала и укрепленный на оси ротора. Пуск такого двигателя в ход осуществляется обычно непосредственным подключением его фазных обмоток статора к электрической сети. Для возникновения асинхронного момента при пуске двигателя в полюсах постоянного магнита располагаются стержни коротко-замкнутой обмотки.

Другой разновидностью синхронных двигателей малой мощности являются так называемые синхронные реактивные двигатели. Особенность этих двигателей заключается в том, что их ротор имеет магнитную анизотропию, т. е. различное магнитное сопротивление в различных радиальных направлениях. На рис. 15.20 приведен поперечный разрез конструкции двухполюсного анизотропного ротора, представляющего собой набор пакетов из листовой электротехнической стали, разделенных слоями алюминия (заштрихованная часть). Продольное направление легкого намагничивания пакетов листовой электротехнической стали определяет форму магнитных линий поля токов статора. Искривление магнитных линий поля токов статора при наличии тормозного момента на валу двигателя создает вращающий момент, уравновешивающий тормозной момент.

К общим недостаткам синхронных двигателей малой мощности относится отсутствие возможности регулировать реактивную мощность и запас устойчивости.

ГЛАВА ШЕСТНАДЦАТАЯ АППАРАТУРА УПРАВЛЕНИЯ И ЗАЩИТЫ

16.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Для управления электротехническими устройствами необходимо большое число различных аппаратов. В зависимости от назначения их можно разделить на две основные группы: коммутационные аппараты (высоковольтные выключатели, разъединители, контакторы и др.) и защитные аппараты (автоматические воздушные выключатели, плавкие предохранители, различные реле и разрядники для защиты от перенапряжений).

Все эти аппараты в местах установки соединяются по определенным схемам неизолированными шинами, укрепленными на изоляторах, или силовыми кабелями. Монтаж и эксплуатация неизолированных шин проще и дешевле, кроме того, для них допускается большая плотность тока.

В большинстве случаев применяются алюминиевые шины, а стальные — только в установках с токами не выше 200 А. Алюминиевые шины могут быть однополосными и многополосными прямоугольного сечения с размерами полосы примерно 120 ґ 10 мм. Для больших переменных токов часто устанавливаются шины коробчатого сечения (рис. 16.1). Их преимущества — механическая прочность и простота монтажных работ. Кроме того, благодаря расположению проводящего материала по периферии общего сечения в коробчатых шинах при переменном токе мало сказываются поверхностный эффект и эффект близости, уменьшающие активное сечение проводника. Шины укрепляются на опорных изоляторах. На прямолинейных участках проводки, в промежутках между креплениями шин к изоляторам, предусматриваются специальные устройства, обеспечивающие свободное удлинение шин при нагревании (шинные компенсаторы).

В трехфазных системах в соответствии с последовательностью фаз шины должны быть окрашены в следующие цвета: фаза А — желтый, фаза Б — зеленый и фаза С — красный, а нейтральные шины при изолированной нейтрали — в белый, при заземленной нейтрали — в черный. При постоянном токе положительная шина — красная, отрицательная — синяя, а нейтраль — белая.

Для надежной работы электрических аппаратов весьма важны условия осуществления контактов. Последние могут быть жесткими (неразъемными), например присоединения к выводам машины или аппарата, скользящими — между неподвижными и подвижными токоведушими частями, коммутационными — в отключающих аппаратах. Последние работают в наиболее тяжелых условиях, особенно если они должны отключать токи коротких замыканий.

При всяком контакте действительное соприкосновение двух проводящих тел получается в виде элементарных площадок касания, возникающих при смятии выступающих микроскопических бугорков касающихся поверхностей (рис. 16.2). Следовательно, имеет место сужение поперечного сечения пути тока. Дополнительное сопротивление, обусловленное этим сужением, называется переходным сопротивлением контакта. Оно тем меньше, чем больше сила нажатия контактов, увеличивающая смятие микроскопических бугорков.

Переходное сопротивление контакта может возрастать в десятки и сотни раз вследствие окисления контактных поверхностей. Нередко такое увеличение вызывается нагревом контактов свыше 70–75 °С. По этой причине необходимо предусматривать все возможные меры для предупреждения нагревания и окисления контактов.

Отключение электрической цени обычно не может быть мгновенным. При разрыве цени тока неизбежно возникновение большей или меньшей ЭДС самоиндукции (см. рис. 5.3): под действием этой ЭДС совместно с напряжением сети промежуток между расходящимися контактами пробивается и возникает электрическая дуга. Высокая температура последней может вызвать быстрое разрушение или сваривание контактов. Особенно опасно действие дуги в аппаратах высокою напряжения при отключениях токов короткого замыкания.

Отключение цепей переменного тока существенно упрощается, так как переменный ток периодически проходит через нулевое значение, что приводит к гашению дуги. Значительно труднее отключение цепей постоянного тока высокого напряжения. Выключатели для этого тока должны быть рассчитаны на поглощение весьма значительной энергии, выделяющейся при длительном горении дуги постоянного тока.

16.2. ТЕПЛОВАЯ ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК

Провода электрических линий и электротехнические устройства должны быть защищены от превышения температуры при коротких замыканиях и длительных перегрузках.

Коротким замыканием принято называть всякое ненормальное соединение через элементы с малым сопротивлением между проводами или другими токоведущими частями цени. Причиной короткого замыкания может быть случайное соединение неизолированных токоведущих частей между собой (например, соединение двух проводов воздушной линии) или повреждение изоляции вследствие старения, износа, пробоя и т. п. При коротком замыкании резко увеличивается ток, тепловое действие которого [см. (1.36)] может вызвать разрушение изоляции и пожар. Вместе с тем часто возникают опасные электродинамические силы взаимодействия между проводами и сильное уменьшение напряжения в сети. Следствием последнего являются снижение частоты вращения и даже остановка электродвигателей и т.д.

В табл. 16.1 приведены допустимые значения токов в проводах и кабелях в соответствии с Правилами устройства электроустановок. Простейшим способом отключения аварийных участков является использование теплового действия токов короткого замыкания в приборах защиты: предохранителе с плавкой вставкой, пробочном и трубчатом предохранителях. В предохранителе первого тина отключающим элементом служит плавкая вставка — сменяемая часть предохранителя, плавящаяся при увеличении тока в защищаемой цепи свыше определенного значения. По существу это короткий участок защищаемой цепи, относительно легко разрушаемый тепловым действием тока. Чтобы получить такую сниженную термическую стойкость, нужно увеличить сопротивление вставки, для чего ее изготовляют из материала с высоким удельным сопротивлением (например, сплава олова и свинца) или из хорошо проводящего металла (например, серебра, меди), но с малой площадью поперечного сечения.

Плавление вставки не должно сопровождаться возникновением дуги в предохранителе вдоль размыкаемого участка. Следовательно, длина плавкой вставки должна быть выбрана с учетом напряжения питания. По этой причине на предохранителях кроме номинального тока, т. е. наибольшего тока, который он может выдержать сколь

================================

Таблица 16.1. Допустимые длительные токовые нагрузки проводов и шнуров с резиновой и полихлорвиниловой изоляцией и алюминиевыми жилами

Ток нагрузки, А

Сечение

токопро— Провода Провода, проложенные в одной изоляционной трубе водящей

жилы, мм женные Два одно— Три одно— Четыре Один Один открыто жильных жильных одно— двух— трех-

^г жильных жильный ЖИЛЬНЫЙ

2,5 24 20 19 19 19 16 4 32 28 28 23 25 21 6 39 36 32 30 31 26 10 60 50 47 39 42 38 16 75 60 60 55 60 55 25 105 85 80 70 75 65 35 130 100 95 85 95 75 50 165 140 130 120 125 105 70 210 175 165 140 150 135 95 255 215 200 175 190 165

120 295 245 220 200 230 190

150 340 275 255

185 390

240 465

300 535 — . .

400 645

===================================

угодно долгое время, не разрушаясь, указывается также и номинальное напряжение.

Существует большое многообразие конструкций предохранителей с плавкой вставкой. Для напряжений до 250 В и токов примерно до 60 А широко применяются пробочные предохранители (рис. 16.3). Пробочный предохранитель состоит из основания I, в которое ввертывается сменяемая при перегорании вставка 2 — так называемая пробка с резьбой, опирающаяся на неподвижный контакт 4. Пробка изготовляется из керамического материала и снабжается двумя металлическими контактами, между которыми припаивается плавкая проволока 3.

Пробочные предохранители обычно устанавливаются на групповых щитках. От этих щитков линии расходятся в отдельные квартиры или комнаты, части здания и т. п. На щитке все провода каждой линии должны быть защищены отдельными предохранителями (рис. 16.4). Такое сосредоточение предохранителей облегчает надзор за ними и замену пробок при их перегорании.

Для защиты от коротких замыканий линий высокого напряжения применяются трубчатые предохранители различных конструкций (рис 16.5), в которых плавящаяся проволока помещена в фарфоровую трубку и имеет значительную длину. Трубка не дает разбрызгиваться расплавленному металлу, а электрическая дуга, образующаяся при плавлении проволоки внутри трубки, быстро разрывается благодаря

тяге воздуха в трубке.

Номинальные токи предохранителей следует выбирать наименьшими

по расчетным токам нагрузки соответствующих участков сети. При этом вставка не должна плавиться при кратковременных перегрузках -пусковых токах электродвигателей и т. п.

Для защиты электротехнических установок от длительных перегрузок используются тепловые реле на основе биметаллических элементов, представляющих собой две механически скрепленные пластины из металлов с различными температурными коэффициентами расширения. На рис. 16.6 показана принципиальная схема устройства теплового реле. Нагреватель 2, включенный в защищаемую цепь, своим теплом воздействует на биметаллический элемент 1. При перегрузке в защищаемой цепи обе пластины биметаллического элемента, нагреваясь, удлиняются. Но одна из них удлиняется больше, вследствие чего биметаллическая пластина изгибается вверх и выходит из зацепления с защелкой 3. Последняя под действием пружины 4 поворачивается вокруг оси 5 по направлению движения часовой стрелки и посредством тяги 6 размыкает контакты 7, отключая перегруженную сеть.

Однако тепловое реле из-за значительной тепловой инерции не обеспечивает защиту от токов короткого замыкания. Поэтому дополнительно к тепловому реле необходим предохранитель с плавкой вставкой.

16.3. АВТОМАТИЧЕСКИЕ ВОЗДУШНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ

Предохранители с плавкой вставкой хорошо защищают электродвигатели и прочие промышленные электроустановки от токов короткого замыкания и недостаточно надежно от длительных перегрузок. Поэтому в цепях электротехнических установок большой мощности кроме предохранителей с плавкой вставкой устанавливается автоматическая защита.

Простейшими устройствами для автоматической защиты от повреждений при нарушении номинального рабочего режима в установках с рабочим напряжением до 1 кВ являются автоматические воздушные (не масляные и не со сжатым воздухом) выключатели, часто называемые просто "автомагами". Эти аппараты могут защищать установку не только при перегрузке. Они производят отключение цепей автоматически при нарушении нормальных рабочих условий, причем в зависимости от типа автоматического выключателя это отключение производится, если определенная электрическая величина переходит установленное предельное значение (максимальные и минимальные выключатели) или если изменяется направление передачи энергии (выключатели обратной мощности). Кроме того, существует большое число автоматических выключателей специального назначения.

В зависимости от назначения выключателя в него могут быть встроены различные расцепители, электромагнитные, тепловые и комбинированные. На рис. 16.7 показаны схематически принципы действия автоматических выключателей с различными видами электромагничных расцепителей. Электромагнитный расцепитель действует практически мгновенно, и поэтому необходимость в предохранителях с плавкой вставкой отпадает.

Наиболее распространенным автоматическим воздушным выключателем является выключатель максимального тока (рис. 16.7, а). Если ток в защищаемой цепи достигает предельного значения, катушка К втягивает стальной сердечник С и защелка 3 освобождает пружину П:

последняя разрывает контакты А цепи. Конструктивные оформления этих выключателей весьма разнообразны. Автоматические выключатели максимального тока применяются и в осветительных сетях жилых помещений вместо предохранителей с плавкой вставкой. Обратное включение выключателя производится вручную. Точность настройки выключателя на определенный предельный ток несравненно выше, чем при защите предохранителями с плавкими вставками, и в этом заключается одно из важнейших его преимуществ.

Чтобы избежать отключения установки при кратковременном увеличении тока, не опасном для установки (например, пускового тока двигателя), выключатели иногда имеют устройство выдержки времени (приспособление, которое обеспечивает определенный промежуток времени между воздействием тока на выключатель и моментом отключения цени). На рис. 16.7, б показана принципиальная конструкция подобного устройства: зубчатая система В не позволяет катушке К мгновенно втянуть сердечник С и освободить защелку З, так как сначала колесико В должно повернуться на определенный угол; тем самым создается определенная выдержка времени, которую можно регулировать. Если увеличение тока закончится прежде, чем механизм выдержки времени дает возможность освободиться защелке, то сердечник вернется в исходное положение и отключения не произойдет.

Кроме часового механизма для выдержки времени в автоматических выключателях с электромагнитным расцепителем применяются также масляный или воздушный тормоз и т. п.

Автоматический выключатель минимального тока применяется, если цепь должна быть отключена, при уменьшении тока в ней или в одной из ее ветвей ниже предельного значения. Принцип действия такого выключателя поясняет рис. 16.7, в. Катушка К удерживает сердечник С и защелку 3 до тех пор, пока ток в катушке не понизится до определенного значения, после чего сердечник под действием силы тяжести опускается и защелка освобождает пружину П. которая размыкает контакты А и отключает установку.

Автоматический выключатель пониженного напряжения (рис. 16.7, г) по принципу действия сходен с выключателем минимального тока. Он применяется, например, для защиты асинхронных двигателей, снабженных пусковым реостатом (см. рис. 14.4); выключатель отключает двигатель при понижении напряжения на его выводах. При отсутствии такого выключателя понижение напряжения или его исчезнование вызывает остановку двигателя. Затем, при обратном повышении напряжения вследствие того, что пусковой реостат не введен, возникает большой пусковой ток, нежелательный для электрической сети и опасный для двигателя. Поэтому часто при отключении предусмотрено автоматическое включение пускового реостата.

Автоматический выключатель обратной мощности применяется, например, для защиты параллельно работающих генераторов от перехода одного из них в режим работы двигателем. Принцип действия такого выключателя поясняет рис. 16.7, д. Катушка тока К_I при нормальном направлении передачи энергии создает магнитное поле, противоположное полю катушки напряжения К_I, так что катушки не могут втянуть сердечник С и освободить защелку З. При изменении направления передачи энергии изменяется направление тока в катушке К_I, поля катушек складываются и сердечник втягивается, что вызывает размыкание контактов и отключение генератора.