2.5 Призначення, будова, монтаж та технічне обслуговування силового електроустаткування

До силового електроустаткування відносять:

Електричні машини; Трансформатори; Випрямлячі.

Електричні машини.

Електричні машини широко застосовують на електричних станціях, у промисловості, на транспорті, в авіації, в системах автоматичного регулювання та керування, у побуті. Вони перетворюють механічну енергію в електричну і, навпаки, електричну енергію в механічну. Машина, що перетворює механічну енергію в електричну, називається генератором. Перетворення електричної енергії в механічну здійснюється двигуном.

Будь-яку електричну машину можна використати як генератор і як двигун. Ця її властивість змінювати напрямок перетворюваної енергії називається оборотністю машини, її можна також використати для перетворення електричної енергії одного роду струму (частоти, кількості фаз змінного струму, напруги постійного струму) в енергію іншого роду струму. Такі електричні машини називаються перетворювачами.

асинхронний двигун складається з двох основних частин -- статора і ротора. Статором називається нерухома частина машини, ротором -- її обертова частина. Властивістю асинхронної машини є її оборотність, тобто вона може бути використана в режимі генератора і в режимі двигуна. Через ряд суттєвих недоліків асинхронні генератори майже не застосовуються, в той час як асинхронні двигуни набули великого поширення.

Двигун постійного струму (ДПТ)

Машини постійного струму застосовують як електродвигунів і генераторів. Електродвигуни постійного струму мають хороші регулювальні властивості, значну перевантажувальну здатність і дозволяють отримувати жорсткі і мякі механічні характеристики.

Призначення. Такі машини широко використовують для приводу різних механізмів у чорній металургії (прокатні стани, кантувателі, роликові транспортери), на транспорті (електровози, тепловози, електропоїзди, електромобілі), у вантажопідйомних і землекопальних пристроях (крани, шахтні підйомники, екскаватори), на морських і річкових суднах, у металообробній, паперової, текстильної, поліграфічної промисловості та ін Двигуни невеликої потужності застосовують у багатьох системах автоматики.

Конструкція двигунів постійного струму складніше і їх вартість вище, ніж асинхронних двигунів. Однак у звязку з широким застосуванням автоматизованого електроприводу та тиристорних перетворювачів, що дозволяють живити електродвигуни постійного струму регульованою напругою від мережі змінного струму, ці електродвигуни широко використовують у різних галузях народного господарства.

Генератори постійного струму раніше широко використовувалися для живлення електродвигунів постійного струму в стаціонарних і пересувних установках, а також як джерела електричної енергії для заряду акумуляторних батарей, харчування електролізних і гальванічних ванн, для електропостачання різних електричних споживачів на автомобілях, літаках, пасажирських вагонах, електровозах, тепловозах та ін

Недолік машин постійного струму - наявність щеточноколлекторного апарату, який вимагає ретельного догляду в експлуатації і знижує надійність роботи машини. Тому останнім часом генератори постійного струму в стаціонарних установках витісняються напівпровідниковими перетворювачами, а на транспорті - синхронними генераторами, які працюють спільно з напівпровідниковими випрямлячами.

Будова

Мал. 2,7. Електромагнітна схема двополюсної машини постійного струму (а) та еквівалентна схема її обмотки якоря (б): 1 - обмотка збудження; 2-головні полюси, 3 - якір; 4-обмотка якоря; 5 - щітки; 6 - корпус (станина)

Мал. 2,8. Будова електродвигуна постійного струму: 1 - станина, 2 - головний полюс, 3 - обмотка збудження, 4 - полюсний наконечник, 5 - додатковий полюс, 6 - обмотка додаткового полюса, 7 - провідники компенсаційної обмотки, 8 - повітряний зазор, 9 - магнітопровід якоря, 10 - провідники обмотки якоря, 11 - щітка, 12 - вал, 13 - колектор, 14 - лапа.

Принцип дії. Машина постійного струму (Мал. 2,8 а) має обмотку збудження, розташовану на явно виражених полюсах статора. З цієї обмотці проходить постійний струм Iв, створює магнітне поле збудження Фв. На роторі розташована двошарова обмотка, в якій при обертанні ротора індукується ЕРС. Таким чином, ротор машини постійного струму є якорем, а конструкція машини подібна з конструкцією зверненої синхронної машини.

При заданому напрямку обертання якоря напрям ЕРС, индуцируемой в його провідниках, залежить тільки від того, під яким полюсом знаходиться провідник. Тому у всіх провідниках, розташованих під одним полюсом, напрям ЕРС однакове і зберігається таким незалежно від частоти обертання. Іншими словами, характер кривої, що відображає напрямок ЕРС на Мал. 2,8, а, нерухомий у часі: в провідниках, розташованих вище горизонтальної осі симетрії, яка розділяє полюси (геометрична нейтраль), ЕРС завжди спрямована в один бік; в провідниках, що лежать нижче геометричній нейтралі, - в протилежну сторону.

При обертанні якоря провідники обмотки переміщуються від одного полюса до іншого; ЕРС, індукована в них, змінює знак, тобто в кожному провіднику наводять змінна ЕРС. Однак кількість провідників, що знаходяться під кожним полюсом, залишається незмінним. При цьому сумарна ЕРС, індукована в провідниках, що знаходяться під одним полюсом, також незмінна за напрямом і приблизно постійна за величиною. Ця ЕРС знімається з обмотки якоря за допомогою ковзного контакту, включеного між обмотками і зовнішньої ланцюгом.

Обмотка якоря виконується замкнутої, симетричною (Мал. 2,8, б). При відсутності зовнішнього навантаження струм по обмотці не проходить, тому що ЕРС, індуковані в різних частинах обмотки, взаємно компенсуються.

Якщо щітки, здійснюють ковзний контакт з обмоткою якоря, розташувати на геометричній нейтралі, то за відсутності зовнішнього навантаження до щіток прикладається напруга U, рівне ЕРС Е, індукованої в кожної з половин обмоток. Ця напруга практично незмінно, хоча і має деяку змінну складову, обумовлену зміною положення провідників у просторі. При великій кількості провідників пульсації напруги досить незначні.

При підключенні до щіток опору навантаження RH через обмотку якоря проходить постійний струм 1а, напрямок якого визначається напрямом ЕРС Е. У обмотці якоря струм 1а розгалужується і проходить по двох паралельних гілок (струми ia).

Мал. 2,9. Одне і двовитковий обмотки якоря електродвигунів постійного струму: а - петлевий, б - хвильової

Мал. 2,10. Зєднання секцій обмоток якоря електродвигунів постійного струму: а - петлевий, б - хвильової

Синхронні машини

Призначення. Синхронні машини використовують головним чином як джерел електричної енергії змінного струму; їх встановлюють на потужних теплових, гідравлічних і атомних електростанціях, а також на пересувних електростанціях і транспортних установках (тепловозах, автомобілях, літаках). Конструкція синхронного генератора визначається в основному типом приводу. Залежно від цього розрізняють турбогенератори, гідрогенератори і дизель-генератори. Турбогенератори приводяться в обертання паровими або газовими турбінами, гідрогенератори-гідротурбінами, дизель-генератори - двигунами внутрішнього згоряння. Синхронні машини широко використовують і як електродвигунів при потужності 100 кВт і вище для приводу насосів, компресорів, вентиляторів та інших механізмів, що працюють при постійній частоті обертання. Для генерування або споживання реактивної потужності з метою поліпшення коефіцієнта потужності мережі і регулювання її напруги застосовують синхронні компенсатори.

Принцип дії. Статор 1 синхронної машини (Мал. 2,11, а) виконаний так само, як і асинхронної: на ньому розташована трифазна (у загальному випадку багатофазна) обмотка 3. Обмотку ротора 4, яка живиться від джерела постійного струму, називають обмоткою збудження, так як вона створює в машині магнітний потік збудження.

Мал. 2,11. Електромагнітна схема синхронної машини (а) і схема її включення (б):

1 - статор, 2 - ротор, 3-обмотка якоря, 4 - обмотка збудження, 5 - контактні кільця, 6 - щітки

Обертову обмотку ротора зєднують із зовнішнім джерелом постійного струму за допомогою контактних кілець 5 і щіток 6. При обертанні ротора 2 з певною частотою n2 потік порушення перетинає провідники обмотки статора і індукує у її фазах змінну е.. д. с. E (Мал. 2,11, б), що змінюється з частотою

f1 = pn2/60 (1.1)

Якщо обмотку статора підключити до будь-якої навантаженні, то протікає по цій обмотці багатофазних струм Ia створить обертове магнітне поле, частота обертання якого

n1 = 60f1 / p. (1.2)

З (1.1) і (1.2) випливає, що n1 = n2, тобто ротор обертається з тією ж частотою, що і магнітне поле статора. З цієї причини розглянуту машину називають синхронної. У такій машині результуючий магнітний потік Фрези створюється спільною дією м. д. с. обмотки збудження і обмотки статора і результуюче магнітне поле обертається в просторі з тією ж частотою, що і ротор.

У синхронній машині обмотку, в якій індукується е.. д. с. і протікає струм навантаження, називають обмоткою якоря, а частина машини, на якій розташована обмотка збудження, - індуктором. Отже, в машині, виконаної за конструктивною схемою, представленої на Мал. 2,11, статор є якорем, а ротор - індуктором. З точки зору принципу дії і теорії роботи машини байдуже, обертається якір або індуктор, тому в деяких випадках застосовують синхронні машини з зверненої конструктивною схемою: обмотка якоря, до якої підключена навантаження, розташована на роторі, а обмотка збудження, що живиться постійним струмом, - на статорі.

Будова синхронної машини. Конструктивна схема машини. Синхронні машини виконують з нерухомим чи обертовим якорем. Машини великої потужності для зручності відведення електричної енергії зі статора або підведення її виконують з нерухомим якорем (Мал. 2,12, а)

Оскільки потужність збудження невелика в порівнянні з потужністю, що знімається з якоря (0,3-3%), підвід постійного струму до обмотки збудження за допомогою двох кілець не викликає особливих труднощів. Синхронні машини невеликої потужності виконують як з нерухомим, так і з обертовим якорем.

Мал. 2,12. Конструктивна схема синхронної машини з нерухомим і обертовим якорем: 1 - якір, 2 - обмотка якоря, 3 - полюси індуктора, 4 - обмотка збудження, 5 - кільця та щітки

Синхронну, машину з обертовим якорем і нерухомим індуктором (Мал. 2,13, б) називають зверненої.

Мал. 2,13. Ротори синхронної явнополюсной (а) і неявнополюсной (6) машин:

1 - сердечник ротора, 2 - обмотка збудження

Конструкція ротора. У машині з нерухомим якорем застосовують дві конструкції ротора: явнополюсную - з явно вираженими полюсами (Мал. 2,13, а) і неявнополюсную - з неявно вираженими полюсами (Мал. 2,13, б). Явнополюсний ротор зазвичай використовують у машинах з чотирма і великим числом полюсів. Обмотку збудження виконують у цьому випадку у

вигляді циліндричних котушок прямокутного перерізу, які розміщують на сердечниках полюсів і зміцнюють за допомогою полюсних наконечників. Ротор, сердечники полюсів і полюсні наконечники виготовляють зі сталі. Дво-та чотирьохполюсних машини великої потужності, що працюють при частоті обертання ротора 1500 і 3000 об / хв, виготовляють, як правило, з неявнополюсним ротором. Застосування в них явнополюсного ротора неможливо за умовами забезпечення необхідної механічної міцності кріплення полюсів і обмотки збудження. Обмотку збудження в такій машині розміщують в пазах осердя ротора, виконаного з масивної сталевої поковки, і зміцнюють немагнітними клинами. Лобові частини обмотки, на які впливають значні відцентрові сили, кріплять за допомогою сталевих масивних бандажів.

Мал. 2,14. Пристрій явнополюсной машини:

1 - корпус, 2 - сердечник статора, 3 - обмотка статора, 4 - ротор, 5 - вентилятор, 6 - висновки обмотки статора, 7 - контактні кільця, 8 - щітки, 9 - збудник

На Мал. 2,14 показано пристрій явнополюсной синхронної машини. Сердечник статора зібраний з ізольованих листів електротехнічної сталі і на ньому розташована трифазна обмотка якоря. На роторі розміщена обмотка збудження.

Полюсним наконечникам в явнополюсних машинах зазвичай надають такий профіль, щоб повітряний зазор між полюсним наконечником і статором був мінімальним під серединою полюса і максимальним у його країв, завдяки чому крива розподілу індукції в повітряному зазорі наближається до синусоїди.

У синхронних двигунах з явнополюсним ротором в полюсних наконечниках розміщують стрижні пускової обмотки, виконаній з матеріалу з підвищеним питомим опором (латуні та ін.) Таку ж обмотку (типу «біляча клітина»), що складається з мідних стрижнів, застосовують і в синхронних генераторах; її називають заспокійливої або демпферного обмоткою, так як вона забезпечує швидке загасання коливань ротора, що виникають при перехідних режимах роботи синхронної машини. Якщо синхронна машина виконана з масивними полюсами, то в цих полюсах при пуску і перехідних режимах виникають вихрові струми, дія яких еквівалентно дії струму в короткозамкнутих обмотках. Згасання коливань ротора при перехідних процесах забезпечується в цьому випадку вихровими струмами, що замикаються в масивному роторі.

Асинхронні машини

Асинхронні машини - найбільш поширені електричні машини. В основному вони використовуються як електродвигуни і є основними перетворювачами електричної енергії в механічну.

Призначення. В даний час асинхронні машини використовуються в основному в режимі двигуна. Машини потужністю більше 0.5 кВт зазвичай виконуються трифазними, а при меншій потужності - однофазними.

в електроприводі металорізальних верстатів, підйомно-транспортних машин, транспортерів, насосів, вентиляторів. Малопотужні двигуни використовуються в 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.

Принцип дії. У асинхронної машині одну з обмоток розміщують на статорі 1 (Мал. 2,15, а), а другу - на роторі 3. Між ротором і статором є повітряний зазор, який для поліпшення магнітного звязку між обмотками роблять по можливості малим. Обмотка статора 2 являє собою трифазну (або в загальному випадку багатофазну) обмотку, котушки якої розміщують рівномірно по окружності статора. Фази обмотки статора АХ, BY і CZ зєднують за схемою Х або Д і підключають

Мал. 2,15. Електромагнітна схема асинхронної машини (а) та напрямки струмів та електромагнітного моменту при роботі її в руховому режимі (б)

до мережі трифазного струму (Мал. 2,15, 6). Обмотку ротора 4 виконують трифазної або багатофазної і розміщують рівномірно уздовж окружності ротора. Фази її в простому випадку замикають накоротко.

При харчуванні обмотки статора трифазним струмом створюється обертове магнітне поле, частота обертання якого (синхронна)

Якщо ротор нерухомий або частота його обертання менше синхронної, то обертове магнітне поле перетинає провідники обмотки ротора і індукує в них ЕРС. На Мал. 2,15, а показано, згідно з правилом правої руки, напрям ЕРС, індукованої в провідниках ротора при обертанні магнітного потоку Ц за годинниковою стрілкою, при цьому провідники ротора переміщаються щодо потоку Ц проти годинникової стрілки. Активна складова струму ротора співпадає по фазі з індукованою ЕРС, тому умовні позначення (хрестики і точки) на Мал. 2,15 показують одночасно і напрямок активної складової струму.

На провідники зі струмом, розташовані в магнітному полі, діють електромагнітні сили, напрямок яких визначається правилом лівої руки. Сумарна зусилля Fpeз, прикладена до всіх провідникам ротора, утворює електромагнітний момент М, захопливий ротор за обертовим магнітним полем. Якщо цей момент досить великий, то ротор приходить у обертання і його встановилася частота обертання п2 відповідає рівності електромагнітного моменту гальмівного, створюваному приводиться в обертання механізмом і внутрішніми силами тертя.

Мал. 2,16. Електромагнітна схема асинхронної машини, напрями струмів та електромагнітного моменту при роботі її в режимах: генераторному (а) і електромагнітного гальмування (б)

Такий режим роботи асинхронної машини є руховим і, очевидно, в даному випадку

Якщо ротор асинхронної машини розігнати за допомогою зовнішнього моменту (наприклад, яким-небудь двигуном) до частоти, більшої частоти обертання магнітного поля зг, то зміниться напрям ЕРС в провідниках ротора і активної складової струму ротора, тобто асинхронна машина перейде у генераторний режим (Мал. 2,16, а). При цьому змінить свій напрямок і електромагнітний момент М, який стане гальмуючим. У генераторному режимі асинхронна машина отримує механічну енергію від первинного двигуна, перетворює її в електричну і віддає в мережу, при цьому

Таким чином, характерна особливість асинхронної машини - наявність ковзання, тобто нерівність частот обертання n1 і п2. Тільки при вказаному умови в провідниках обмотки ротора індукується ЕРС і виникає електромагнітний момент. Тому машину називають асинхронної (її ротор обертається несинхронно з полем).