Устройство электрических двигателей

Рис.6

 

  Однофазные коллекторные двигатели переменного тока  малой мощности  находят применение в установках автоматики, связи и бытовых целей.

 

      3.1 Помехи радиоприему и способы их подавления при работе коллекторных электродвигателей.

 

Электромагнитное излучение, сопровождающее работу коллекторного  двигателя, создает помехи радиоприему. При работе коллекторного двигателя  уровень создаваемых ими радиопомех не должен превышать установленных  норм. Радиопомехи от коллекторного двигателя распространяются в виде  электромагнитного излучения и в виде электрических сигналов через электросеть.

Для подавления электромагнитных излучений применяют экранирование  электрических двигателей. В качестве экрана используют заземленный корпус двигателя. Если в подшипниковом  щите со стороны коллектора имеются  окна или корпус двигателя и передний подшипниковый щит (со стороны коллектора) изготовлены из пластмассы, то неметаллические  части  закрывают металлической  сеткой и заземляют.

Для подавления радиопомех, проникающих в электрическую  сеть, применяют разнообразные фильтры. В качестве фильтров используют конденсаторы, включенные  между каждым токоведущим  проводом и заземленным корпусом двигателя (Рис.7). Значение емкости С подбирают опытным путем. Конденсаторы должны быть рассчитаны на рабочее напряжение двигателя. Часто конденсаторные фильтры располагают в коробке выводов двигателя.

 

Рис.7

 

 

 

      4 Двигатели переменного тока 

 

        4.1 Общие сведения об асинхронных двигателях

 

Асинхронный двигатель имеет  такие позитивные качества, как несложная  технология изготовления, простота эксплуатации, высокая надежность и способность  к перегрузкам, отсутствие искрения. Благодаря этим свойствам асинхронный  двигатель нашел широкое применение в промышленности для привода  станков и механизмов, а также  сельскохозяйственных машинах разного  назначения. Однако управление частотой вращения асинхронного двигателя в  широком диапазоне значительно  сложнее, чем двигателя постоянного  тока. Это ограничивает применение асинхронных двигателей в тех случаях, когда необходимо изменять частоту вращения двигателя в широких пределах. Однако следует отметить, что в последнее время, в связи с быстрым развитием силовой электроники, с появлением мощных полупроводниковых тиристоров и транзисторов, параметры которых постоянно улучшаются, возросло применение асинхронных двигателей с  частотным регулированием скорости вращения. Асинхронные двигатели постепенно вытесняют двигатели постоянного тока, особенно в тех случаях, где искрение недопустимо, например в нефтяной, газовой и химической промышленности

 

 

         4.2 Принцип действия асинхронных двигателей

 

      Наиболее  распространенные среди электрических  двигателей получил трехфазный  асинхронный двигатель, впервые  сконструированный     известным                 русским        электриком 

М.О.Доливо-Добровольским в 1890году.

      Асинхронный  двигатель отличается простотой  конструкции и несложностью обслуживания. Как и любая машина переменного  тока, асинхронный двигатель состоит  из двух основных частей - ротора  и статора.   Асинхронная машина  обладает свойством обратимости,  то есть может быть использована  как в режиме генератора, так  и в режиме двигателя. Из-за  ряда существенных недостатков  асинхронные генераторы практически  не применяются, тогда, как  асинхронные двигатели получили  очень широкое распространение.

     Многофазная  обмотка переменного тока создает  вращающееся магнитное поле, частота  вращения которого в минуту  рассчитывается по формуле:

 

N₁=60f₁/p

 

    где: n- частота вращения магнитного поля статора;

            f - частота тока в сети;

            р - число пар полюсов.

    Если ротор  вращается с частотой, равной  частоте вращения магнитного  поля статора, то такая частота  называется синхронной.

     Если ротор  вращается с частотой, не равной  частоте магнитного поля статора,  то такая частота называется асинхронной.

      В асинхронном  двигателе рабочий процесс может  протекать только при асинхронной частоте, то есть при частоте вращения ротора, не равной частоте вращения магнитного поля.

Номинальная частота вращения асинхронного двигателя зависит  от частоты вращения магнитного поля статора и не может быть выбрана  произвольно. При стандартной частоте  промышленного тока f₁=50Гц возможные синхронные частоты вращения (частоты вращения магнитного поля)  

 

N₁=60f₁/p=3000/p

 

     Работа асинхронного  электродвигателя основана на  явлении, названном “диск Араго - Ленца”

     Это явление  заключается в следующем: если  перед полосами постоянного магнита  поместить медный диск, свободно  сидящий на оси, и начать  вращать магнит вокруг его  оси при помощи рукоятки, то  медный диск будет вращаться  в том же направлении (Рис.7).

Рис.7

 

 

Это объясняется тем, что  при вращении магнита его магнитное  поле пронизывает диск и индуктирует  в нем вихревые токи. В результате взаимодействия вихревых токов с  магнитным полем магнита, возникает  сила, приводящая диск во вращение. На основании закона Ленца направление всякого индуктивного тока таково, что он противодействует причине, его вызвавшей. Поэтому вихревые токи в теле диска стремятся задержать вращение магнита, но, не имея возможности сделать это, приводят диск во вращение так, что он следует за магнитом. При этом частота вращения диска всегда меньше, чем частота вращения магнита. 

     В асинхронных  двигателях постоянный магнит  заменен вращающимся магнитным  полем, создаваемым трехфазной  обмоткой статора при включении  ее в сеть переменного тока.

     Вращающееся  магнитное поле статора пересекает  проводники обмотки ротора и  индуктирует в них ЭДС, то  есть электродвижущую силу. Если  обмотка ротора замкнута на  какое-либо сопротивление или  накоротко, то по ней под  действием индуктируемой электродвижущей  силы проходит ток.

     В результате взаимодействия тока в обмотке ротора с вращающемся магнитным полем обмотки статора создается вращающейся момент, под действием которого ротор начинает вращаться по направлению вращения магнитного поля.

     Если предположить, что в какой-то момент времени  частота вращения ротора оказалась  равной частоте вращения поля  статора, то проводники обмотки  ротора не будут пересекать  магнитное поле статора и тока  в роторе не будет. В этом  случае вращающийся момент станет  равным нулю и частота вращения ротора уменьшится по сравнению с частотой вращения поля статора, пока не возникнет вращающейся момент, уравновешивающий тормозной момент, который складывается из момента нагрузки на валу и момента сил трения в машине.

    Асинхронная машина  кроме двигательного режима может  работать в генераторном режиме  и режиме электромагнитного тормоза.

    Генераторный  режим возникает в том случае, когда ротор с помощью постоянного  двигателя вращается в направлении  вращения магнитного поля с  частотой вращения, большей частоты  вращения магнитного поля.  Если  ротор под действием посторонних  сил начнет вращаться в сторону,  противоположную направлению вращения  магнитного поля, то  возникает  режим электромагнитного тормоза.

     Режим электромагнитного  тормоза начинается при n=0.

      Для изменения  направления вращения ротора, то  есть для реверсирования двигателя,  необходимо изменить направление  вращения магнитного поля, созданного  обмотками статора. Это достигается  изменением чередования фаз обмоток  статора, для чего следует поменять  местами по отношению к зажимам  сети любые два из трех проводов, соединяющих обмотку статора  с сетью.

   Вне зависимости  от направления вращения ротора  его частота n всегда меньше частоты вращения магнитного поля статора.      

      

      

       4.3 Устройство асинхронных электродвигателей.

 

  Сердечник статора,  представляющий собой полый цилиндр,   его набирают из отдельных  листов электротехнической стали  толщиной 0,5-0,35мм. Для сердечников  асинхронных двигателей применяются  холоднокатаные   электротехнические  стали марок 2013,02312,02411 и другие. Листы или пластины штампуют  с впадинами (пазами), изолируют  лаком или окалиной для уменьшения  потерь на вихревые потоки, собирают  в отдельные пакеты и крепят  в станине двигателя.

  К станине прикрепляют  также боковые щиты с помещенными  на них подшипниками, на которые  опирается вал ротора. Станину  устанавливают на фундамент (Рис.8).

 

 

 

 

Рис.8 Устройство асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

1.    Вал

2,9  Подшипники

3,8  Подшипниковые щиты

4     Статор

5     Ротор

6     Корпус

7     Обмотка

 

 

  В продольные пазы  статора укладывают проводники  его обмотки, которые соединяют  между собой так, что образуется  трехфазная система. На щитке  машины имеется шесть зажимов,  к которым присоединяются начала  и концы обмоток каждой фазы. Для подключения обмоток статора  к трехфазной сети они могут  быть соединены звездой или  треугольником, что дает возможность  включать двигатель в сеть  с двумя разными линейными  напряжениями.

  Например, двигатель  может работать от сети с  напряжением 220 и 127в. На щитах  машины указаны оба напряжения  сети, на которые рассчитан двигатель,  то есть 220/127в или 380/220в.

  Для более низких напряжений, указанных на щитке, обмотка статора соединяется треугольником, для более высоких – звездой.

  При соединении обмотки статора треугольником на щитке машины верхние зажимы объединяют перемычками с нижними, а каждую пару соединенную вместе зажимов подключают к линейным проводам трехфазной сети. Для включения звездой три нижних зажима на щитке соединяют перемычками в общую точку, а верхние подключают к линейным проводам трехфазной сети (Рис.9).

 

 Рис.9

 Роторы асинхронных  электродвигателей выполняют двух  видов: с короткозамкнутой и  фазной обмотками. Первый вид  двигателей называют асинхронными  двигателями с короткозамкнутым ротором, а второй – асинхронными двигателями с фазным ротором или асинхронными двигателями с контактными кольцами. Наибольшее распространение имеют двигатели с короткозамкнутым ротором.

  Сердечник ротора  также набирают из стальных  пластин толщиной 0,5мм, изолированных  лаком или окалиной для уменьшения  потерь на вихревые токи.

  Пластины штампуют  с впадинами и собирают в  пакеты, которые крепят на валу  машины. Из пакетов образуются  цилиндры с продольными пазами, в которых укладывают проводники  обмотки ротора. В зависимости  от типа обмотки асинхронные  машины могут быть с фазным  и короткозамкнутым ротором. Короткозамкнутая обмотка ротора выполняется по типу беличьего колеса. В пазах ротора укладывают массивные стержни, соединенные на торцевых сторонах медными кольцами. Часто короткозамкнутую обмотку ротора изготовляют из алюминия. Алюминий в горячем состоянии заливают в пазы ротора под давлением. Такая обмотка всегда замкнута накоротко и включение сопротивления в нее невозможно. Фазная обмотка ротора выполнена подобно статорной, то есть проводники соответствующим образом соединены между собой, образуя трехфазную систему. Обмотки трех фаз соединены звездой. Начала этих обмоток подключены к трем контактным медным кольцам, укрепленным на валу ротора. Кольца изолированы друг от друга и от вала и вращаются вместе с ротором. При вращении колец поверхности их скользят по угольным или медным щеткам, неподвижно укрепленным над кольцами. Обмотка ротора может быть замкнута на какое-либо сопротивление или накоротко при помощи указанных выше щеток.

  Двигатели с короткозамкнутым  ротором проще и надежнее в  эксплуатации, значительно дешевле,  чем двигатели с фазным ротором.  Однако двигатели с фазным  ротором обладают лучшими пусковыми  и регулировочными свойствами.

   В настоящее время  асинхронные двигатели выполняют  преимущественно с короткозамкнутым  ротором и лишь при больших  мощностях и специальных случаях  используют фазную обмотку ротора.

  Асинхронные двигатели  производят мощностью от нескольких  десятков ватт до 15000кВт при  напряжениях обмотки статора  до 6кВ.

  Между статором и  ротором имеется воздушный зазор,  величина которого оказывает  существенное влияние на рабочие  свойства двигателя.

  Наряду с важными  положительными качествами –  простой конструкции и обслуживания, малой стоимостью – асинхронный  двигатель имеет и некоторые  недостатки, из которых наиболее  существенным является относительно  низкий коэффициент мощности. У  асинхронного двигателя соsj  при полной нагрузке может достигать значения 0,85-0,9; при недогрузках двигателя его соs   резко уменьшается и при холостом ходе составляет 0,2-0,3. 

  Низкий коэффициент  мощности асинхронного двигателя  объясняется большим потреблением  реактивной мощности, которая необходима  для возбуждения магнитного поля. Магнитный поток в асинхронном  двигателе встречает на своем  пути воздушный зазор между статором и ротором, который в большей степени увеличивает магнитное сопротивление, а следовательно, и потребляемую двигателем мощность.

  В целях повышения  коэффициента мощности асинхронных  двигателей воздушный зазор стремятся  делать наиболее минимальным,  доводя его у малых двигателей (порядка 2-5кВт) до 0,3мм. В двигателях  большой мощности воздушный зазор  приходится увеличивать по конструктивным  соображениям, но все же он  не превышает 2-2,5мм. (справочные данные в таблице см. Таблица1)

Вал ротора вращается в  подшипниках, которые укреплены  в боковых щитах, называемых подшипниковыми щитами. Главным образом это подшипники качения и только в машинах  большой мощности иногда используются подшипники скольжения.

   Подшипниковые щиты  прикрепляют болтами к корпусу  статора. В корпус запрессовывают  сердечник статора.

 

Таблица1: Допустимые величины зазора между ротором и статором асинхронных двигателей

 

Частота вращения, об/мин	Зазор, мм., при мощности электрического двигателя, кВт
	до  0.2	0,2 1,0	1,0 2,5	2,5 5,0	5,0 10,0	10 20	20 50	50 100	100 200	200 300
500 -- 1500	0,2	0,25	0,3	0,35	0,4	0,4	0,5	0,65	0,8	1,0
3000	0,25	0,3	0,35	0,4	0,5	0,65	0,8	1,0	1,25	1,5