У статті розглянуті деякі області застосування синхронних електродвигунів, які мають відмінні характеристики при обертанні потужних приводів. Самі синхронні електричні машиниможуть розвивати потужність до 20 тисяч квт.

Синхронні електродвигуни відрізняються від асинхронних набагато більшою потужністю та корисним навантаженням. Зміни струму збудження дозволяє регулювати навантаження. На відміну від асинхронних двигунівв синхронних при ударних навантаженнях зберігається сталість частоти обертання, що дозволяє їх використовувати в різних механізмах металургійної та металообробної промисловості.

Двигуни із синхронним типом дії здатні розвивати потужність до 20 тисяч кВт, що дуже важливо для приведення в дію виконавчих механізмів потужних обробних верстатів у машинобудуванні та інших галузях виробництва. Наприклад, у високопродуктивних гільйотинних ножицях, де є великі ударні навантаження на ротор електродвигуна.

Синхронні електричні двигуни з успіхом використовуються як джерела реактивної потужностіу вузлах навантаження підтримки стабільного рівня напруги. Досить часто двигуни з синхронним принципомдії використовуються як силові машини в компресорних установках великої продуктивності.

Потужні двигуни виконуються з використанням системи зустрічної вентиляції, коли лопаті вентилятора розташовані на роторі. Економічний та надійний синхронний двигун забезпечує продуктивну та економічну роботу насосного обладнання.

Важливою характеристикою синхронних електричних машин є збереження постійної швидкості обертання, що важливо для обертання приводів у вигляді насосів, компресорів, вентиляторів та різних генераторів. змінного струму. Цінним також є можливість регулювання реактивного струмуза рахунок варіацій струму збудження обмоток якоря. Завдяки цьому збільшується показник косинуса при всіх діапазонах роботи, що збільшує ккд двигунів і знижує втрати в електричних мережах.

Самі двигуни з синхронним принципом дії стійкі до коливань напруги в мережі, та забезпечують сталість швидкості обертання при їх виникненні. Синхронні електродвигуни при зниженні напруги живлення зберігають велику перевантажувальну здатність, в порівнянні з асинхронними. Здатність до форсування струму збудження при пониженнях напруги підвищує надійність їх роботи при аварійних зниженнях напруги живлення в електричній мережі.

Синхронні електричні машини рентабельні при потужностях понад 100 кВт та основне застосування знаходять для обертання потужних вентиляторів, компресорів та інших силових установок. Як недоліки синхронних машин можна відзначити їх конструктивну складність, наявність зовнішнього збудження обмоток ротора, складність запуску та досить високі вартісні характеристики.

Принцип дії синхронного електродвигуна ґрунтується на взаємодії обертання магнітного поляякоря з магнітними полями полюсів індуктора Якір зазвичай розташовується на статорі, а індуктор на рухомому роторі. При великих потужностяхполюсами служать електромагніти, при цьому постійний струм подається на ротор через ковзні кільцеві контакти.

У малопотужних двигунах використовуються постійні магніти, розташовані на роторі. Існують також синхронні машинизі зверненим принципом роботи, коли якір розміщений на роторі, а індуктор на статорі. Однак така конструкція застосовується у двигунах старих конструкцій.

Синхронні електричні машини можуть працювати в генераторному режимі, коли якір розташований на статорі для зручності відбору електрики, що генерується. На цьому принципі ґрунтуються потужні генератори, що працюють на гідроелектростанціях.

В даний час практично всі електроприводи є нерегульованими приводами з асинхронними двигунами. Вони знайшли широке застосування у теплопостачанні, водопостачанні, системах кондиціювання та вентиляції, компресорних установках та інших сферах. Завдяки плавному регулюванню швидкості обертання, в більшості випадків можна відмовитися від дроселів, варіаторів, редукторів та інших регулюючих пристроїв, що спрощує механічну систему, зменшує витрати на її експлуатацію та підвищує надійність.

Пуск двигуна, при підключенні через частотний перетворювач здійснюється плавно, без ударів і пускових струмів, завдяки чому зменшується навантаження на механізми і двигун, збільшуючи термін їх експлуатації. Використання регульованого електроприводу дозволяє заощадити до вісімдесяти відсотків електроенергії. Така економія досягається завдяки виключенню непродуктивних витрат у регулюючих пристроях. У системах водопостачання таке регулювання дозволяє заощадити не тільки електроенергію, а й воду, а також зменшити кількість аварій через пошкодження трубопроводів.

Найбільш успішно частотні перетворювачі використовуються в насосах додаткового підкачування в системах тепло- та водопостачання. Такі системи відрізняються нерівномірністю водоспоживання залежно від пори року, дня тижня та доби. При постійній кількості води, що подається в період її підвищеного розбору натиск значно слабшає, а при зниженні витрати в магістралі відбувається підвищення тиску, що не тільки веде до втрат води, але і збільшує ризик розриву трубопроводу. Використання частотного перетворювача дозволяє регулювати подачу води двома способами – або відповідно до певного графіка, або з урахуванням реальної витративоди - це дозволяє визначити датчик тиску або рівнемір. Регульоване водопостачання дозволяє наполовину знизити витрати на електроенергію, суттєво знизити витрати тепла та води.

Точне регулювання швидкості обертання необхідне процесах виробництва полімерних ниток, паперу, дроту, стеклоткани. Використання частотного перетворювача у подібних процесах дає можливість отримати продукцію високої якості, підвищити продуктивність, виключити обриви, при цьому матеріал при намотуванні матиме рівне натяг по всій товщині рулону. Якщо технологічний процес вимагає переміщення продукції з постійною швидкістю, використовуються декілька частотних перетворювачів, плавний пускта зупинка, безступінчаста зміна швидкості.

Сьогодні сфера застосування електродвигунів дуже велика, і одним з найпопулярніших і використовуваних типів двигуна є асинхронний. електричний двигун. Але й сам асинхронний електродвигун поділяється на два види:

• з короткозамкнутою обмоткоюротора (короткозамкнений ротор), фазним ротором;
• двигун Шраге-Ріхтера (з живленням з боку ротора).

Застосування асинхронних електродвигунів

Асинхронні двигуни можуть працювати у двох режимах роботи: як генератор і як електродвигун. Це показує, що вони можуть використовуватись як джерело електричного струму в автономних пересувних джерелах електроенергії.

Застосування асинхронних двигунів як тягової сили ширше і зачіпає багато сфер життєдіяльності людини. Вони знайшли широке застосування, як у побутових електроприладівмалої потужності, так і в технологічне обладнанняпідприємств та сільського господарства.

Види основних несправностей, їх діагностика та необхідний ремонт асинхронного електродвигуна

Незважаючи на те що асинхронні електродвигунимають високу надійність і низьку собівартість виготовлення, що і зумовило їх популярність, вони, тим не менш, виходять з ладу. Деякі несправності електродвигунів можна діагностувати лише на спеціалізованому устаткуванні та вимагають ремонту в умовах заводу з виробництва та ремонту електродвигунів. Однак є несправності, які можна діагностувати самостійно і усунення яких можливе в умовах вашого виробництва.

Однією з таких несправностей є те, що електродвигун при запуску не набирає нормальної швидкості або не обертається. Причини цієї несправності можуть мати електричну чи механічну природу. До електричних причин відноситься внутрішній обрив в обмотці ротора або статора, порушення з'єднань у пусковій апаратурі або обрив в мережі живлення. Якщо відбувся обрив внутрішніх обмоток двигуна, у разі їх з'єднання за схемою «трикутник», то необхідно спочатку їх розімкнути. Після цього за допомогою мегаомметра визначається фаза, в якій відбувся обрив. Після визначення обриву обмотку електродвигуна перемотують заново і знову збирають і встановлюють на місце.

Зниження напруги в мережі, погані контакти в обмотці ротора або великий опір ланцюга ротора електродвигуна з фазним ротором призводить до того, що швидкість обертання електродвигуна при повному навантаженні виявляється нижче номінальної. Погані контакти в обмотці виявляються за допомогою подачі напруги (20 -25% від номінального) до статора електродвигуна. При цьому загальмований ротор провертається вручну і перевіряється сила струму у всіх фазах статора. У справному роторі сила струму у всіх положеннях однакова. У тому випадку, якщо в пайці лобових частин порушено контакт, то відзначатиметься падіння напруги. Максимально допустима різниця у показаннях не повинна перевищувати 10%.

Розгортання електродвигуна при розімкнутому ланцюгу фазного ротора. Причиною такої несправності є коротке замикання в обмотці ротора. Ця несправність уважним зовнішнім оглядом, а також виміром опору ізоляції обмотки ротора. Якщо огляд не дає результатів, то вона визначається за допомогою визначення нерівномірного нагріву обмотки ротора. При цьому ротор загальмовується, а до статора підводиться знижена напруга.

Рівномірне нагрівання електродвигуна вище допустимої норми виникає через тривале навантаження та погіршення роботи системи охолодження. Ця несправність призводить до передчасного зношування ізоляції обмоток.

Місцевий нагрівання статора обмотки виникає через замикання обмотки на корпус в 2 місцях, помилкового з'єднання котушок в будь-якій фазі, замикання між 2 фазами або короткого замикання між витками обмотки в одній з фаз обмотки статора. Діагностувати цю несправність можна за допомогою зменшення швидкості обертання електродвигуна, сильного гудіння або запаху ізоляції, що перегріта. Визначення пошкодженої обмотки проводиться за допомогою вимірювання опору (пошкоджена фаза має менший опір) або за допомогою вимірювання сили струму при підведенні зниженої напруги.

При з'єднанні обмоток за схемою "зірка", сила струму в пошкодженій фазі буде вищою, ніж у інших. У разі використання «трикутника», лінійний струм у справних дротах матиме більш високе значення.

Вигоряння або оплавлення сталі, що виникають при короткому замиканніобмотування статора, замикання сталевих листів через торкання статора про ротор або через руйнування ізоляції призводить до місцевого нагрівання активної сталі ротора. У цьому випадку з'являється дим, запах гару, іскри, посилюється гудіння двигуна. Ця несправність виникає через знос або неправильну установку підшипників, сильну вібрацію або одностороннє тяжіння ротора до статора (виткові замикання в обмотці статора).

Асинхронним двигунам важко знайти заміну. Асинхронним вважається мотор, що працює від змінного струму, в якому обороти ротора, не збігаються з оборотами магнітного поля, що ініціює струм в статорній обмотці.

Загальний опис

У асинхронної машини в порівнянні з машиною постійного струмуполюси не явно виражені, тобто це неявно полюсна магнітна система. Щоб зменшити вихрові струми, статорний сердечник набраний із ізольованих штампованих сталевих листів 0,35-0,5 мм у товщину, закріплених у сталевому остові. Пази статора заповнені обмоткою з мідного дроту. Обмотки статорних фаз можуть з'єднуватися в "зірку" або "трикутник", для цього їх входи та виходи розташовуються на спеціальному ізольованому від корпусу щитку. Це створює безліч зручностей, оскільки є можливість підводити до обмотків статора напругу різної величини. Ротор в асинхронній машині, як і деталь, що охоплюється, складається з електротехнічних сталевих листів, а в пази закладена обмотка. У функції від виконання ротора асинхронних моторів машини бувають короткозамкнутими та фазними. Чи не ізольована обмотка з міді короткозамкнутого ротора у вигляді стрижнів укладається в його пазах. Торці стрижнів з'єднують мідні кільця. Обмотка такого типу названа «біличою клітиною». Іноді замість неї користуються відлитим вузлом обертання. З асинхронних машин із фазним ротором (наявність контактних кілець) складаються потужні приводи. Також ними створюється велике зусилля у момент торкання з нуля. З цією метою їх обмотки включається реостат пуску. У потужних машинах між ротором і статором зазор становить 1-1,5 мм, в моторах малої потужності він менший. Вал спирається на підшипники, встановлені у кришках.

Принцип роботи

Рушійною силою асинхронної машині є магнітне поле обертання. Як це працює, можна розглянути на прикладі. При обертанні П-образного магніту, між полюсами якого розташований металевий циліндр, що вільно обертається, поле магніту, обертаючись, буде перетинати ротор за допомогою своїх силових ліній. Усередині ротора при цьому наведуться струми Фуко та магнітне поле. Ці поля, взаємодіючи одне з одним, почнуть крутити ротор. Магніт і створюване ним поле обертатимуться синхронно, а оберти циліндра відставатимуть (асинхронність). Звідси й пішла назва асинхронної машини. Запізнення обертання ротора по відношенню до магнітного поля є ковзання.
В даному прикладі джерелом циркуляції магнітного поля і ротора є приводний у обертання постійний магніт. Зрозуміло, що це ще не є електродвигун, в якому магнітне поле, що циркулює, має створюватися. електричним струмом, і обертати ротор. Це завдання вдалося вирішити М. О. Доливо-Добровольському, який для цього скористався трифазним струмом. Серце кільцевого виду із заліза (статор) має полюси, розташовані по колу через 120о, на які намотані 3 обмотки мережі 3-х фазного струму. У сердечнику розташований циліндр із металу – прообраз ротора електромотора. З'єднавши обмотки в "зірку" або "трикутник", і подавши на них 3-х фазний струм, загальному магнітному полю, створеному полюсами, надається обертання. За один цикл зміни струму, що протікає в обмотках, магнітний потік здійснить поворот на 360о і ініціює обертання циліндра, а це і є асинхронна машина. Якщо другу обмотку замінити третьою, то відбудеться реверс магнітного поля. Те саме буде, якщо замінити струм другої фази на третю. Це означає, що реверс магнітного потоку можливий, якщо переключити 2 будь-які фази.
Таким є пристрій асинхронної машини, статор якої має 3 обмотки. У ній обороти 2-х полюсного магнітного поля збігаються з кількістю циклів зміни струму за рівний час. У разі частоти 3-х фазного струму 50 Герц, обороти поля будуть за:
- 2-х полюсному статорі – 50 об/сек;
- 4-х полюсному – 25 об/сек;
- 6-ти полюсному – 17 об/сек.
Ротор машини трохи відставатиме по відношенню до магнітного потоку. У разі холостого ходу виробу розбіжність становитиме 3%, під навантаженням – 6%.

Переваги і недоліки

У загальній масі електромашин асинхронних з короткозамкненим ротором- Більшість. Це пов'язано з простим пристроєм, обслуговуванням та експлуатацією за високої надійності та низької вартості. Також обороти такого двигуна в умовах змінного навантаження залишаються майже постійними. Асинхронним машинам, що розглядаються, не потрібні щітки і кільця контакту, тому що струм йде прямо на стаціонарну 3-х фазну статорну обмотку, що дуже зручно в застосуванні і роблять їх майже універсальними. Якщо між навантаженням на двигун і швидкістю немає зв'язку, і не потрібне регулювання обертів, двигун можна включати в будь-яку мережу безпосередньо. Тільки при його включенні в однофазну мережу знадобиться пусковий фазозсувний конденсатор.
Ці пристрої мають і мінуси:
- Необхідність великого пускового струму;
- Мінімальна величина пускового моменту;
- різка реакція на параметри мережі, що змінюють;
- для керування швидкістю не обійтися без перетворювача частоти;
- споживання реактивної потужності із мережі.
Дані електромашини мають своєю межею потужність системи електропостачання конкретного підприємства, тому що великі пускові струми при малій потужності системи «садять» напругу. Також вони мають низький потужнісний коефіцієнт, особливо коли навантаження мала або включений холостий хідщо погано для електричної системи в цілому. На підприємствах це викликає помітні втрати, тому скрізь застосовуються системи підтримки реактивної потужності, навіщо коллинеарно обмоткам електродвигуна, підключають компенсуючі конденсатори. Меншим пусковим струмомі збільшеним пусковим моментом мають асинхронні машини з фазним ротором з пусковими реостатами в їхньому ланцюгу. Однак це ускладнює конструкцію та збільшує вартість.

Сфера застосування

Без асинхронних машин із короткозамкненим ротором неспроможна обійтися ні промисловість, ні транспорт, ні побут та інших. Вони використовуються практично скрізь. Це і електроприводи димососів, підйомних кранів, кульових млинів, насосів, лебідок, дробарок, верстатів, побутової техніки. При необхідності ступінчастої зміни швидкості (у тих самих ліфтах) користуються багатошвидкісними асинхронними двигунами. Де потрібно швидко зупинитися і зафіксувати вал, коли зникає напруга, не обійтися без асинхронних двигунів з електромагнітним стопором (верстати, лебідки). Асинхронні двигуни з великою величиною ковзання добре справляються з повторно короткочасними режимами і при пульсації навантаження. Широке застосуваннязнаходиться і лінійним асинхронним двигунам через простого виробництва та гарну надійність. Однофазними машинами обладнуються невеликі пристрої (побутові вентилятори, міні-помпи та ін.).
Найбільш ефективні 2-х фазні асинхронні машини, коли їхнє харчування йде від однофазної мережізмінного струму. Інша їхня назва – конденсаторні двигуни, оскільки без фазозсувного конденсатора вони не можуть працювати. Трифазні електромашини встановлюються на верстатне обладнання, талі, пилорами, будівельні крани та ін. моменти набагато більші. Тому ці двигуни складають приводи на ліфтах та підйомних кранах, тобто там, де потрібний запуск в умовах навантаження.

Асинхронні машини

Лекція 5

В даний час асинхронні машини використовуються переважно в режимі двигуна. Машини потужністю більше 0.5 кВт зазвичай виконуються трифазними, а за меншої потужності однофазними.

Вперше конструкція трифазного асинхронного двигуна була розроблена, створена та випробувана нашим російським інженером М. О. Доливо-Добровольським у 1889-91 роках.

Демонстрація перших двигунів відбулася на Міжнародній електротехнічній виставці у Франкфурті на Майні у вересні 1891 року. На виставці було представлено три трифазні двигуни різної потужності. Найпотужніший з них мав потужність 1.5 кВт і використовувався для приведення в обертання генератора постійного струму. Конструкція асинхронного двигуна, запропонована Доливо-Добровольським, виявилася дуже вдалою і є основним видом конструкції цих двигунів дотепер.

За минулі роки асинхронні двигуни знайшли дуже широке застосування у різних галузях промисловості та сільського господарства.

Їх використовують у електроприводі металорізальних верстатів, підйомно-транспортних машин, транспортерів, насосів, вентиляторів. Малопотужні двигуни використовуються у пристроях автоматики.

Широке застосування асинхронних двигунів пояснюється їх

перевагами в порівнянні з іншими двигунами: висока надійність, можливість роботи безпосередньо від мережі змінного струму, простота обслуговування.

5.2. Влаштування трифазної асинхронної машини

Нерухлива частина машини називається статор, рухлива – ротор. Серце статора набирається з листової електротехнічної сталі і запресовується в станину. На рис. 5.1 показаний осердя статора в зборі. Станина (1) виконується литий, з немагнітного матеріалу. Найчастіше станину виконують із чавуну чи алюмінію. На внутрішній поверхні листів (2), з яких виконується осердя статора, є пази, в які закладається трифазна обмотка (3). Обмотка статора виконується переважно із ізольованого мідного дроту круглого чи прямокутного перерізу, рідше – з алюмінію.

Обмотка статора складається з трьох окремих частин, які називаються фазами. Початки фаз позначаються літерами з 1, з 2, з 3, кінці - з 4, з 5, з 6.

Початки та кінці фаз виведені на клемник (рис. 5.2 а), закріплений на станині. Обмотка статора може бути з'єднана за схемою зірка (рис. 5.2) або трикутник (рис. 5.2). Вибір схеми з'єднання статора обмотки залежить від лінійної напругимережі та паспортних даних двигуна. У паспорті трифазного двигуназадаються лінійні напруги мережі та схема з'єднання обмотки статора. Наприклад, 660/380, Y/∆. Цей двигунможна включати в мережу з Uл = 660В за схемою зірка або в мережу з Uл = 380В - за схемою трикутник.

Основне призначення обмотки статора - створення в машині магнітного поля, що обертає.

Сердечник ротора(рис. 5.3 б) набирається з листів електротехнічної сталі, на зовнішній стороні яких є пази, які закладається обмотка ротора. Обмотка ротора буває двох видів: короткозамкнутаі фазна. Відповідно до цього асинхронні двигуни бувають з короткозамкненим ротором і фазним ротором (з контактними кільцями).

Рис. 5.3

Короткозамкнена обмотка (рис. 5.3) ротора складається з стрижнів 3, які закладаються в пази осердя ротора. З торців ці стрижні замикаються торцевими кільцями 4. Така обмотка нагадує "біличе колесо" і називають її типу "біличної клітини" (рис. 5.3 а). Двигун із короткозамкненим ротором не має рухомих контактів. За рахунок цього такі двигуни мають високу надійність. Обмотка ротора виконується з міді, алюмінію, латуні та інших матеріалів.

Доливо-Добровольський першим створив двигун із короткозамкненим ротором та досліджував його властивості. Він з'ясував, що такі двигуни мають дуже серйозний недолік – обмежений пусковий момент. Доливо-Добровольський назвав причину цього недоліку – сильно закорочений ротор. Їм була запропонована конструкція двигуна з фазним ротором.

На рис. 5.4 наведено вид асинхронної машини з фазним ротором у розрізі: 1 – станина, 2 – обмотка статора, 3 – ротор, 4 – контактні кільця, 5 – щітки.

У фазного ротора обмотка виконується трифазною, аналогічно обмотці статора, з тим самим числом пар полюсів. Витки обмотки закладаються в пази сердечника ротора та з'єднуються за схемою зірка. Кінці кожної фази з'єднуються з контактними кільцями, закріпленими на валу ротора і через щітки виводяться у зовнішній ланцюг. Контактні кільця виготовляють із латуні або сталі, вони мають бути ізольовані один від одного та від валу. Як щітки використовують металографітові щітки, які притискаються до контактних кільців за допомогою пружин щіткотримачів, закріплених нерухомо в корпусі машини. На рис. 5.5 наведено умовне позначенняасинхронного двигуна з короткозамкненим (а) та фазним (б) ротором.

На рис. 5.6 наведено вид асинхронної машини з короткозамкненим ротором у розрізі: 1 – станина, 2 – сердечник статора, 3 – обмотка статора, 4 – сердечник ротора з короткозамкненою обмоткою, 5 – вал.

На щитку машини, закріпленому станіні, наводяться дані: Р н, U н, I н, n н, і навіть тип машини.

• Р н – це номінальна корисна потужність (на валу)
• U н та I н – номінальні значення лінійної напруги та струму для зазначеної схеми з'єднання. Наприклад, 380/220, Y/∆, IнY/Iн∆.
• n н – номінальна частота обертання об/хв.

Тип машини, наприклад, заданий у вигляді 4AH315S8. Це асинхронний двигун (А) четвертої серії захищеного виконання. Якщо буква Н відсутня, то двигун закритого виконання.

• 315 – висота осі обертання мм;
• S – настановні розміри (вони задаються у довіднику);
• 8 – кількість полюсів машини.