«Товарознавство»

ти в холодному (X) і помірному (У) кліматі з категорією роз міщення 4.

Залежно від потужності машини єдиної серії П діляться на 3 групи: І: 0,3 до 200 кВт, ІІ: 200 1400 кВт, ІІІ: вище 1400 кВт.

Електричні машини (двигуни і генератори) мають паспорт ну табличку, у якій зазначені їх номінальні дані: потужність, напруга, струм, швидкість обертання, ККД, частота, коефіцієнт потужності, число фаз, режим роботи, схема включення обмо ток, маса, клас ізоляції, а також тип і завод виробник.

2.2.Електричні машини змінного струму

2.2.1.Генератори змінного струму

Електричні машини, що виробляють змінний струм, нази ваються генераторами змінного струму. Генератори змінного струму можуть бути однофазними і трифазними (рис 2.5., 2.6).

m

j

Рис. 2.5. Побудова генератора змінного струму

70

Розділ 2. Електричні машини

Генератор змінного струму складається із магнітної систе ми і ротора, у якому індукується ЕРС. У генератора змінного струму немає колектора, а замість нього на валі укріплені кон тактні ( щіткознімальні) кільця (рис. 2.6.).

Магнітна система генератора служить для створення необ хідного магнітного потоку і складається з полюсних сердечників і статора (нерухомої частини генератора).

Частотомір

Рис.2.6. Схема однофазного чотирьохполюсного генератора змінного струму

В електричних машинах змінного струму рухома (оберто ва) частина називається ротором.

На роторі генератора знаходиться обмотка збудження, що є особливістю генераторів змінного струму. Це обумовлено тим, що генератори змінного струму виготовляються, як правило, ве ликої потужності і мають велику швидкість обертання ротора.

Для обмотки збудження генератора змінного струму по трібне окреме джерело електричної енергії. Зазвичай таким джерелом є генератор постійного струму — збудник.

Найбільше поширення в техніці сильних струмів одержали трифазні генератори, що відрізняються від однофазних лише тим, що мають три самостійні обмотки, розташовані по окруж ності відносно один одного під кутом 120° (Рис.2.7.).

71

«Товарознавство»

Рис. 2.7. Схема трифазного двохполюсного генератора змінного струму

Існує два види генераторів змінного струму: синхронні й асинхронні.

Розмір індукованої у генераторі ЕРС залежить від швидкості обертання магнітів (ротора). Якщо частота змінної ЕРС у гене раторі змінного струму пропорційна швидкості обертання рото ра, то такі генератори називають синхронними, якщо частота змінної ЕРС у генераторі змінного струму не дорівнює швидкості обертання ротора, то такі генератори називають асинхронними.

Через низькі експлуатаційні характеристики асинхронні генератори практично не використовуються..

На практиці застосовуються синхронні генератори: турбогене ратори (в парових і газових турбінах потужністю до 300 мВт), гідро генератори ( в гідравлічних турбінах потужністю до 235000 кВт). До синхронних генераторів загального призначення відносять син хронні генератори серій СГ2, СГД2, ОС, ЕСС та ін.

Тахогенератори

Тахогенератори застосовують в автоматичних пристроях для перетворення механічного обертання в електричний сиг нал. В ідеальному випадку тахогенератор повинен давати на виході напругу, пропорційну частоті обертання.

Тахогенератори призначені для таких цілей: вимір частоти обертання, дії, що прискорюють і сповільнюють сигнали вико

72

Розділ 2. Електричні машини

нання операції, диференціювання й інтегрування в схемах лічильно обчислюваних пристроїв.

Вимоги до тахогенераторів. Головною вимогою є дотриман ня пропорційності між частотою обертання і вихідного елект ричного сигналу. Вимоги до точності тахогенератора різні за лежно від умов роботи. При вимірі частоти обертання потрібна порівняно висока точність, звичайно припустима погрішність 1 2,5%. Найбільшу точність повинні мати тахогенератори, що працюють в якості диференціюючих та інтегруючих ланках в обчислювальних пристроях. Тахогенератори повинні забезпе чувати високу надійність роботи в широкому діапазоні зміни температури і вологості, при вібраціях і ударних навантажен нях; більшу швидкодію; безшумність і відсутність радіопереш код. Вони повинні бути простими за будовою і мати малі роз міри і масу. Найбільш повно цим вимогам задовольняє асинхронний тахогенератор із порожнім немагнітним ротором.

2.2.2. Електричні двигуни змінного струму

Електричні двигуни змінного струму підрозділяються на синхронні й асинхронні двигуни.

Асинхронні електродвигуни

Широке поширення в техніці одержали так звані асинх ронні двигуни трифазного струму.

У 80 х роках минулого сторіччя російський інженер елект рик Михайло Осипович Доливо Добровольський вперше у світі запропонував асинхронний електродвигун.

Принцип дії асинхронного двигуна заснований на викори станні обертового магнітного поля. Для з’ясування принципу дії такого двигуна розглянемо такий дослід (рис. 2.8).

Установимо підкововидний магніт на осі таким чином, щоб його можна було обертати за ручку. Між полюсами магніту розмістимо на осі мідний циліндр, що може вільно обертатися. Почнемо обертати магніт за ручку за годинниковою стрілкою. Потік магніту також почне обертатися і при своєму обертанні

73

«Товарознавство»

буде перетинати мідний циліндр. У циліндрі виникнуть вихрові струми, що створять своє власне магнітне поле – поле цилінд ра. Це поле буде взаємодіяти з магнітним полем постійного магніту, у результаті чого циліндр буде обертатися в той же бік, що і магніт. Інакше кажучи обертове поле постійного магніту буде захоплювати циліндр.

Рис. 2.8. Макет для одержання обертового магнітного поля

Установлено, що швидкість обертання циліндра дещо мен ша за швидкість обертання поля магніту. Оскільки швидкість обертання магнітного поля не збігається зі швидкістю обертан ня циліндра, або, як говорять, циліндр обертається асинхронно (несинхронно) із магнітним полем, то описаний вище електрод вигун одержав назву асинхронного. Швидкість обертання асин хронних двигунів не є постійною по відношенню до частоти електричної мережі і залежить від навантаження.

Розглянемо тепер будову асинхронних електродвигунів. Статор сучасного асинхронного електродвигуна (рис.2.9)

виготовляється з невираженими полюсами, тобто внутрішня поверхня статора робиться гладкою.

Сердечник статора набирається з тонких штампованих листів електротехнічної сталі. Зібраний сердечник статора кріпиться в чавунному або сталевому корпусі. У пази статора закладається обмотка з мідного дроту або з мідних стержнів

Ротор асинхронного двигуна, подібно статору, набирається зі штампованих листів сталі. У пази ротора закладається обмотка.

74

Розділ 2. Електричні машини

Рис. 2.9. Обмотка короткозамкнутого ротора “біляча клітка”

Залежно від конструкції ротора асинхронні електродвигу ни розділяються на двигуни з короткозамкнутим ротором і з фазним ротором.

Обмотка короткозамкнутого ротора виконується з мідних стержнів, що закладаються в пази ротора. Торці стержнів з’єдну ються за допомогою мідного кільця (рис. 2.9). Така обмотка на зивається обмоткою типу «білячої клітки» або «білячого колеса».

Загальний вид двигуна з таким ротором і сам ротор пока зані на рис. 2.10.

Рис. 2.10. Асинхронний електродвигун із короткозамкнутим ротором:

а— загальний вид; б — ротор двигуна

Удеяких двигунах «біляча клітка» замінюється литим ро тором. Обмоткою такого ротора служить алюміній, який зали вається в пази ротора.

Найбільш простим, дешевим і надійним є двигун із корот козамкнутим ротором, але цей двигун має деякі недоліки – мале зусилля при зрушенні з місця і великий пусковий струм. Ці

75

«Товарознавство»

недоліки значною мірою усуваються з застосуванням фазного ротора, однак застосування такого ротора робить двигун знач но дорожчим і вимагає пускового реостата.

Таким чином, асинхронний двигун являє собою двохобмо точну електричну машину змінного струму, у якої одна обмотка отримує живлення від електричної мережі з постійною частотою, а інша замикається накоротко чи на електричний опір. Частота обертання такого двигуна не залежить від навантаження.

Застосування асинхронних електричних двигунів змінного струму

Найбільше поширення серед електричних двигунів змінного струму одержали асинхронні електродвигуни з трифазною симет ричною обмоткою на статорі, що живляться від мережі змінного струму, і з трифазною або багатофазною обмоткою на роторі.

Асинхронні електродвигуни малої потужності часто вико нують однофазними, що дозволяє використовувати їх у при строях, що живляться від двохпровідної мережі. Ці двигуни широко застосовуються в побутовій техніці. У промисловості широке застосування одержали трифазні електричні двигуни, що живляться від трьохпроводної промислової мережі.

У більшості асинхронних електродвигунів застосовується короткозамкнутий ротор. За конструкцією двигуни з коротко замкнутим ротором простіші від двигунів із фазним ротором і більш надійні в експлуатації. Їх застосовують у електроприводах металообробних верстатів, вентиляторів та ін. Асинхронні дви гуни малої потужності і мікродвигуни також виконують із корот козамкнутим ротором. У двигунах із фазним ротором є мож ливість за допомогою пускового реостата збільшувати пусковий момент до максимального значення і зменшувати пусковий струм. Такі двигуни застосовуються для машин і механізмів, що пускають у хід при великому навантаженні (електроприводи вантажопідйомних машин, компресорів, тяговий привід і т. ін.).

Асинхронні двигуни невеликої потужності (15 600 Вт) зас тосовують в автоматичних пристроях і електропобутових при

76

Розділ 2. Електричні машини

ладах для приводу вентиляторів, насосів та іншого устаткуван ня, що не вимагає регулювання частоти обертання.

В електропобутових приладах і автоматичних пристроях зазвичай використовують однофазні мікродвигуни, тому що ці пристрої, як правило, одержують живлення від однофазної ме режі змінного струму. Однак у ряді випадків застосовують і трифазні мікродвигуни.

Властивості трифазних мікродвигунів мало відрізняються від властивостей трифазних асинхронних двигунів із коротко замкнутим ротором загальнопромислового застосування. Особ ливість їх полягає в тому, що у порівнянні з двигунами вели кої і середньої потужності вони мають підвищений активний опір обмотки ротора і тому працюють з підвищеним ковзанням при номінальному режимі.

Двигуни з підвищеним пусковим моментом використову ються в механізмах із великим моментом навантаження і вели кими маховими масами, наприклад, шліфувальні верстати. Ці двигуни мають понижений розмір пускового струму. Дана мо дифікація позначається літерою Р після позначення серії (4АР). Для роботи в повторно короткочасному режимі з частими пус ками або змінним навантаженням служать двигуни з підвище ним ковзанням. При повторно короткочасному режимі двигун працює періодично з визначеним співвідношенням часу вклю ченого і відключеного режимів. Ці двигуни можуть застосову ватися в ковальсько пресових та інших машинах. Цій модифі кації відповідає літера С у типі двигуна.

Велике поширення у верстатних приводах одержали бага тошвидкісні двигуни.

Позначення асинхронних електричних двигунів змінного струму

Асинхронні машини змінного струму випускаються промис ловістю старих серій А, основної серії 4А, а також нової АІ та ін. Нова серія асинхронних машин змінного струму АІ у по рівнянні із серією 4А має поліпшені масогабаритні показники.

77

«Товарознавство»

Буквено цифрова частина марки вказує на номер серії. Позна@ чення машин включає такі елементи:

виконання;

ступінь захисту від навколишнього середовища: Н – за хищений, відсутність букви – закритий;

виконання ротора: К – фазний, відсутність букви – ко роткозамкнутий;

виконання двигуна, матеріал станіни і підшипникових щитів: А – алюмінієві або чавунні в будь якому сполу ченні матеріалів, відсутність літери – чавунні або сталеві;

висота осі обертання : двох – або тризначне число, мм;

установочний розмір довжини станини: М – менша, С – середня, В – велика;

довжина сердечника: А – перша, менша або В – друга, більша при визначеному установочному розмірі, відсутність літери позначає, що при даному установочному розмірі ви конуються сердечники тільки однієї довжини;

число полюсів: 2, 4, 6, 8, 10 або 12;

кліматичне виконання;

категорія розміщення.

Наприклад, 4АА56А2УЗ означає асинхронний двигун серії А4 закритого виготовлення з алюмінієвою станиною і підшип никовими щитами (А) з висотою осі обертання 56 мм, магні топриводом першої довжини (А), двополюсний (2), для по мірного клімату (У), третьої категорії розміщення (3).

Крім основного виконання серії 4А, є ряд модифікацій асин хронних машин, наприклад із підвищеним пусковим моментом.

За ступенем захищеності від впливу навколишнього сере довища двигуни виготовляють у двох варіантах: захищені (1Р23) і закриті, що обдуваються (1Р44).

Двигуни мають стандартну шкалу потужностей, застосову вану при всіх частотах обертання:

0,06; 0,09; 0,12; 0,18; 0,25; 0,37; 0,55; 0,75; 1,1; 1,5; 2,2; 3,0; 4,0; 5,5; 7,5; 11,0; 15,0; 18,5; 22; 30; 37; 45; 55; 75; 90; 110; 132; 160; 200; 250; 315; 400 кВт.

78

Розділ 2. Електричні машини

Шкала висоти осей обертання (над фундаментною пли тою) відповідає рекомендаціям МЕК (Міжнародної електро технічної комісії):

50; 56; 63; 71; 80; 90; 100; 112; 132; 160; 180; 200; 225; 250; 280; 315; 355 мм.

Використовують двигуни, розраховані на частоту 60 Гц, і двигуни тропічного виконання для роботи в умовах вологого або сухого тропічного клімату. Є модифікація єдиної серії ви конання, що вбудовується, (літера В у позначенні). Ці двигуни поставляються у виді двох окремих частин: статора і ротора. Статор вбудовується у вузол верстата. Двигуни поставляються з вентилятором і без вентилятора.

Крім загальнопромислових модифікацій єдиної серії 4А, розроблені для верстатобудування модифікації 4АП і 4АШ. Двигуни 4АП із номінальною частотою живлення 50 Гц вико нані на напругу 127/220 В. Вони мають ізоляцію обмоток більш високого класу, ніж двигуни єдиної серії. Двигуни призначені для регулювання частот обертання в діапазоні 1:5 вниз від по минальної і 2:1 вверх від номінальної частоти. Двигуни 4АШ із номінальною частотою живлення 100 Гц мають діапазон регу лювання 1:5 вниз від номінальної; 1,5:1 і 2:1 (залежно від типо розміра) вверх від номінальної частоти. Ця серія призначена для комплектації регульованих приводів змінного струму. Для ви сокошвидкісних шпинделів внутрішньошліфувальних і коорди натно шліфувальних, заточувальних і інших верстатів випуска ють спеціальні високошвидкісні двигуни – електрошпинделі. На їх вали насаджуються шліфувальні круги. Виготовляються електрошпинделі із номінальними частотами обертання від 12000 до 20000 об/хв. Двигуни із частотами обертання вище ніж 48000 об/хв мають водяне охолодження.

Електричний двигун призначений для роботи у визначених зовнішніх умовах із визначеними значеннями параметрів (струм, напруга, потужність та інші), при яких вони експлуату ються упродовж заданого і досить тривалого терміну. Зазначені значення різних показників, що визначають режим роботи елек тродвигуна носять назви номінальних, а сам режим – номіналь@

79

«Товарознавство»

ний. Найбільш важливі номінальні розміри вказуються на спец іальному щитку електричного двигуна. Якщо електродвигун працює в режимі, за характером подібному до номінального, але такому, що не призводить до зниження надійності електродви гуна, то це нормальний режим роботи, у протилежному випад ку – аномальний.

Усі припустимі нормальні й аномальні режими спеціально обмовляються в ДСТУ, технічних умовах та інструкціях експ луатації.

Індукційні машини синхронного зв’язку (сельсини)

Електричні машини синхронного зв’язку служать для син хронного і синфазного повороту чи обертання двох або декіль кох осей, механічно незв’язаних між собою. У найпростішому випадку синхронний зв’язок здійснюють за допомогою двох однакових електрично з’єднаних між собою індукційних ма шин, що називаються сельсинами, кожна з яких за будовою (технічним виконанням) є різновидом асинхронних двигунів змінного струму. Одну з цих машин, механічно з’єднану з го ловною віссю, називають датчиком, а другу – з’єднану з веде ною віссю – приймачем.

Система синхронного зв’язку працює так, що при повороті ротора сельсина датчика на будь який кут ротор сельсина приймача повертається на той же кут.

Системи синхронного зв’язку підрозділяють на два основ них види: синхронного повороту (передачі кута) і синхронно го обертання (електричного вала).

Розрізняють два основних режими роботи сельсинів: інди каторний і трансформаторний. Трансформаторний режим зас тосовують у тих випадках, коли до веденої віссі прикладений значний гальмувальний момент, тобто коли доводиться повер тати якийсь механізм.

Побудова сельсинів. Сельсини мають дві обмотки: первинну, або обмотку збудження, і вторинну, або обмотку синхронізації. Залежно від числа фаз обмотки збудження розрізняють одно і

80

Розділ 2. Електричні машини

трифазні сельсини; обмотку синхронізації в обох типах сель синів звичайно виконують за типом трифазної.

Трифазні сельсини мають таку ж конструкцію, як трифазні асинхронні двигуни з контактними кільцями на роторі. Прин цип дії сельсина не залежить від місця розташування кожної з обмоток. Однак частіше за все в сельсинах обмотку синхроні зації розміщають на статорі, а обмотку збудження – на роторі (для зменшення кількості контактних кілець і підвищення над ійності роботи).

Синхронні електродвигуни

Синхронний електродвигун – двохобмоточна електрична машина, одна з обмоток якої приєднується до електричної ме режі з постійною частотою обертання, а друга обмотка збуд жується постійним струмом, частота обертання ротора не зале жить від навантаження і є постійною по відношенню до частоти електричної мережі.

Синхронний двигун складається з ротора з полюсами, на який намотана обмотка збудження, що живиться постійним струмом. Статор має трифазну обмотку, до якої підключається живлення від мережі трифазного змінного струму.

У синхронній машині обмотку, в якій індукується ЕРС і протікає струм навантаження, називають обмоткою якоря, а частина машини, на якій розташована обмотка збудження, – індуктором, отже, у наведеній машині статор є якорем, а ро тор – індуктором

Принцип дії синхронного двигуна такий. Полюси ротора при пропусканні по їх обмотках постійного струму намагнічують ся. Якщо обмотку статора підключити до мережі трифазного струму, то в статорній обмотці, подібно статору асинхронного електродвигуна, створюється обертове магнітне поле, полюси якого обертаються із синхронною швидкістю. Кількість полюсів статора і ротора повинна бути однаковою.

Ротор синхронного двигуна повинен обертатися зі строго постійною швидкістю, рівній швидкості обертового магнітного

81

«Товарознавство»

поля статора, тобто ротор повинен обертатися синхронно з полем статора, звідки і назва – синхронний двигун.

У силу самого принципу дії синхронного електродвигуна він не розвиває ніякого пускового моменту, від чого його ро тор не може почати обертатися самостійно.

Залежно від способу живлення обмотки збудження розріз няють системи незалежного збудження і самозбудження.

Для пуску в хід ротора, або, як говорять, для введення його в синхронізм, застосовується багато способів, серед яких найб ільше поширення одержали два:

введення в синхронізм ротора від стороннього електрод вигуна;

асинхронний пуск, тобто двигун пускається в хід як асин

хронний, а коли швидкість обертання ротора стане близь кою до синхронної, до нього підключається для живлен ня постійний струм, і двигун входить у синхронізм.

При самозбудженні обмотка збудження живиться від обмот ки якоря через керований або некерований випрямляч – заз вичай напівпровідниковий. Потужність, необхідна для збуджен ня, порівняно невелика і складає 0,3–3% від потужності синхронної машини.

В усіх випадках синхронні електродвигуни запускаються без навантаження.

У результаті взаємодії поля статора і ротора останній обертається синхронно з полем статора. На відміну від асинхронних двигунів частота обертання синхронних дви гунів не знижується з підвищенням моменту навантажен ня. Це є їх перевагою. Іншою перевагою синхронних дви гунів є можливість роботи з коефіцієнтом потужності, близьким до одиниці. Недоліком синхронних двигунів є необхідність у спеціальній пусковій обмотці для асинхрон ного пуску двигунів або інших пристроїв для забезпечення режиму пуску і гальмування. Синхронно реактивні двигу ни в приводах зубошліфувальних верстатів зберігають час тоту обертання на рівні синхронної.

82

Розділ 2. Електричні машини

До синхронних двигунів загального призначення відносять синхронні турбодвигуни серій СТД і СТДП, синхронні двигу ни серій СД2, СДН2, СДН3 2.

Номінальними даними для синхронних машин є номінальна потужність, коефіцієнт потужності, схема з’єднань обмоток, лінійна напруга, частота обертання, частота струму якоря, на пруга і струм обмотки.

Синхронні мікромашини

В автоматичних пристроях широко застосовують синхронні мікродвигуни потужністю від долей вата до декількох сотень ватів. Характерною рисою таких двигунів є те, що їх частота обертання жорстко зв’язана з частотою живлячої мережі, тому їх використовують у різних пристроях, де потрібно підтриму вати постійну частоту обертання (в електричних годинних механізмах, стрічкопротяжних механізмах самописних приладів і кіноустановок, радіоапаратурі та ін.) У ряді випадків синх ронні мікромашини застосовують як генератори, наприклад, для одержання змінного струму підвищеної частоти (індукторні генератори) і виміру частоти обертання (синхронні тахогенера тори).

Залежно від особливостей електромагнітної системи синх ронні мікромашини підрозділяють на такі типи:

двигуни і генератори з постійними магнітами;

реактивні двигуни;

гістерезисні двигуни;

індукторні генератори і двигуни;

крокові (імпульсні) двигуни.

Ці мікромашини виготовляють зазвичай без обмотки збуд ження на роторі, що значно підвищує їх експлуатаційну надійність і спрощує конструкцію.

83