Справочник по электрическим машинам

Раздел I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ

Глава 1. Назначение, классификация и основные требования к электрическим машинам 5
1.1. Назначение и принцип действия электрических машин. 5
1.2. Классификация электрических машин. .8
1.3. Преобразование энергий в электрических машинах 9
1.4. Технико-экономические требования к электрическим машинам .12
1.5. Характеристики электрических машин. Понятие об устойчивой
работе электрических машин 13

Глава 2. Стандартизация основных параметров и качество электрических машин .18
2.1. Номинальные данные электрических машин 18
2.2. Стандартизация основных параметров электрических машин 19
2.3. Нагревание электрических машин 22
2.4. Способы охлаждения электрических машин .26
2.5. Конструктивные формы исполнения электрических машин .30
2.6. Материалы, применяемые в электрических машинах .40
2.7. Режимы работы электрических машин .46
2.8. Качество и надежность электрических машин .49
2.9. Вибрации в электрических машинах .52
2.10. Шумы в электрических машинах .54
2.11. Серии электрических машин .55

Раздел II. АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

Глава 3. Принцип действия и устройство трехфазных асинхронных двигателей .58
3.1. Принцип действия асинхронного двигателя. 58
3.2. Активная часть асинхронного двигателя
с короткозамкнутым ротором .60
3.3. Конструкция трехфазного асинхронного двигателя
с короткозамкнутым ротором. .66
3.4. Конструкция трехфазного асинхронного двигателя
с фазным ротором . ..69

Глава 4. Свойства трехфазных асинхронных двигателей. .70
4.1. Основные уравнения и электрическая схема замещения
асинхронного двигателя. .70
4.2. Потери и КПД асинхронной машины. .71
4.3. Электромагнитный момент асинхронной машины. ..73
4.4. Механическая характеристика трехфазного асинхронного двигателя .75
4.5. Влияние напряжения сети и активного сопротивления обмотки ротора на механическую характеристику
асинхронного двигателя .77
4.6. Рабочие характеристики трехфазных асинхронных двигателей 78
4.7. Пусковые свойства трехфазных асинхронных двигателей
с короткозамкнутым ротором .80
4.8. Пуск асинхронных двигателей с фазным ротором .86
4.9. Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей
с фазным ротором .90
4.10. Регулирование частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором изменением числа полюсов в обмотке статора .91
4.11. Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей изменением частоты питающего напряжения. .92
4.12. Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей изменением подводимого напряжения .95
4.13. Импульсное регулирование частоты вращения асинхронных двигателей. .98
4.14. Асинхронные двигатели в тормозных режимах .99
4.15. Однофазные и конденсаторные асинхронные двигатели .104
4.15.1. Принцип работы однофазного асинхронного двигателя .104
4.15.2. Конденсаторные асинхронные двигатели. 108
4.15.3. Включение трехфазного асинхронного двигателя
в однофазную сеть. ..110

Глава 5. Асинхронные машины нетрадиционной конструкции .111
5.1. Индукционный регулятор напряжения и фазорегулятор. 111
5.2. Однофазный асинхронный двигатель с экранированными полюсами 113
5.3. Линейные асинхронные двигатели .114

Глава 6. Серии асинхронных двигателей общего назначения 116
6.1. Асинхронные двигатели серии 4А. 116
6.2. Трехфазные асинхронные двигатели серии АИ .126
6.3. Двигатели трехфазные асинхронные серии АОЗ. .133
6.4. Двигатели трехфазные асинхронные серии 5А. .136
6.5. Серия трехфазных асинхронных двигателей общего назначения ВЭМЗ .139
6.6. Двигатели однофазные асинхронные 160
6.7. Трехфазные асинхронные двигатели большой мощности
высоковольтные. 168
6.7.1. Трехфазные асинхронные двигатели серии А4. .168
6.7.2. Трехфазные асинхронные двигатели серии ДА304 . 169

Глава 7. Асинхронные двигатели специального назначения.. 175
7.1. Двигатели трехфазные асинхронные краново-металлургические
серий MTF, MTKF, МТН и МТКН. 175
7.2. Двигатели трехфазные асинхронные крановые серий 4МТ. 190
7.3. Серия двигателей для привода лифтов. 195
7.4. Взрывозащищенные двигатели. 198
7.4.1. Основные понятия о взрывозащите электрооборудования. .198
7.4.2. Выбор электрических машин для взрывоопасных зон. .202
7.4.3. Двигатели асинхронные взрывозащищенные серии АИМР. .203
7.4.4. Двигатели асинхронные взрывозащищенные серии ВА. ..205
Оглавление
7.4.5. Двигатели асинхронные взрывозащищенные рудничные
серии ВПР. .207
7.4.6. Двигатели асинхронные взрывозащищенные серии ВАО .210
7.5. Двигатели асинхронные погружные серий ПЭД, ПЭДВ,
ПЭДП, ПЭДУ-103.. .210

Глава 8. Управление асинхронными двигателями. .214
8.1. Типовые схемы автоматического управления трехфазными
асинхронными двигателями. 214
8.1.1. Схема управления пуском трехфазного асинхронного двигателя
с короткозамкнутым ротором посредством нереверсивного линейного контактора. .215
8.1.2. Схема пуска асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором переключением обмотки статора со «звезды»
на «треугольник». 216
8.1.3. Схема нереверсивного управления трехфазным асинхронным
двигателем с короткозамкнутым ротором с динамическим торможением. .217
8.1.4. Схема реверсивного управления трехфазным асинхронным
двигателем с короткозамкнутым ротором с применением торможения противовключением в фупкции скорости. ..217
8.1.5. Схема нереверсивного управления двухскоростным асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором
и двумя обмотками на статоре с разным числом полюсов .219
8.1.6. Схема нереверсивного управления трехфазным асинхронным
двигателем с фазным ротором .220
8.2. Электронные устройства для управления трехфазными
асинхронными двигателями. .222
8.2.1. Тиристорные устройства плавного пуска трехфазных
асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором ..222
8.2.2. Преобразователи частоты для управления асинхронными
двигателями. ..225

Раздел III. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

Глава 9. Синхронные генераторы. .229
9.1. Принцип действия синхронного генератора. 229
9.2. Способы возбуждения синхронных машин. .231
9.3. Типы синхронных машин и их конструктивные особенности. .233
9.4. Охлаждение крупных синхронных машин .240
9.5. Основные уравнения и характеристики синхронных генераторов. 241

Глава 10. Серии синхронных генераторов 248
10.1. Синхронные явнополюсные генераторы серий СГД2, СГД2М .248
10.2. Синхронные явнополюсные генераторы серий ЕСС и ЕСС5. .249
10.3. Гидрогенераторы серии СВ.. .251
10.4. Гидрогенератор-двигатель типа ВГДС1025/245—40УХЛ4. .252
10.5. Турбогенераторы серий Т, ТВФ и ТВВ .253

Глава 11. Синхронные двигатели и компенсаторы. .255
11.1. Принцип работы и пуск синхронного двигателя. .255
11.2. Характеристики синхронных двигателей. 258
11.3. Назначение и принцип работы синхронных компенсаторов. .260
11.4. Синхронные явнополюсные двигатели серии СД2 ..262
11.5. Синхронные двигатели серий СДН, СДНЗ, СДСЗ .266
11.6. Синхронные явнополюсные двигатели серии СДКП2. .267
11.7. Синхронные турбодвигатели серии СТД. .268
11.8. Синхронные компенсаторы серий КС и КСВ. .269
11.9. Возбудители тиристорные для синхронных машин. .270

Глава 12. Синхронные машины нетрадиционной конструкции. ..272
12.1. Индукторные синхронные машины ..272
12.2. Синхронные генераторы с когтеобразными полюсами. ..274
12.3. Синхронные машины с постоянными магнитами. ..275
12.4. Синхронные реактивные двигатели .278
12.5. Гистерезисные двигатели. .279
12.6. Волновые двигатели.. ..282

Раздел IV. МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Глава 13. Устройство и основные свойства генераторов и двигателей постоянного тока .285
13.1. Устройство коллекторных машин постоянного тока. .285
13.2. Обмотки якорей машин постоянного тока .288
13.3. Причины искрения на коллекторе машины постоянного тока
и способы улучшения коммутации. .292
13.4. Генераторы постоянного тока. .295
13.5. Двигатель постоянного тока независимого (параллельного)
возбуждения... ..297
13.6. Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения.. .302
13.7. Двигатель постоянного тока смешанного возбуждения.. ..305
13.8. Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока. .306
13.9. Универсальные коллекторные двигатели ..310
13.10. Машины постоянного тока нетрадиционной конструкции. 312
13.10.1. Машины постоянного тока с постоянными магнитами .312
13.10.2. Вентильный двигатель постоянного тока. ..313

Глава 14. Серии электрических машин постоянного тока общего назначения. 317
14.1. Машины постоянного тока серии 2П.. .317
14.1.1. Двигатели постоянного тока серии 2П. ..318
14.1.2. Генераторы постоянного тока серии 2П. .336
14.2. Двигатели постоянного тока серии 4П.. .336
14.3. Универсальные коллекторные двигатели серии УВ. .346

Глава 15. Серии двигателей постоянного тока специального назначения .346
15.1. Двигатели постоянного тока металлургические и крановые серии Д. 346
15.2. Двигатели постоянного тока главного привода прокатных
станов серии МП .357
15.3. Вентильные двигатели серии ЗДВУ... .360

Глава 16. Управление двигателями постоянного тока. ..362
16.1. Типовые схемы автоматического управления двигателями
постоянного тока. .362
16.1.1. Схема нереверсивного управления пуском в фупкции
времени и динамическим торможением двигателя постоянного тока параллельного возбуждения. .362
16.1.2. Схема управления пуском двигателя постоянного тока
в фупкции времени, реверсом и торможением противовключением в фупкции ЭДС. .364
Оглавление
16.2. Электронные устройства для управления двигателями
постоянного тока. .366

Раздел V. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПРИБОРНЫХ УСТРОЙСТВ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ

Глава 17. Исполнительные двигатели .369
17.1. Назначение исполнительных двигателей и предъявляемые
к ним требования. .369
17.2. Исполнительные двигатели постоянного тока. ..370
17.3. Конструкция исполнительных двигателей постоянного тока. .372
17.3.1. Исполнительные коллекторные двигатели постоянного тока с полым малоинерционным якорем типов ДП35, ДП40,
ДП50 и ДП60 .376
17.3.2. Исполнительные коллекторные двигатели с гладким якорем
типов ДП20, ДП25, ДП32 и ДП40 .377
17.3.3. Вентильные двигатели серии ВК. .379
17.3.4. Универсальные коллекторные исполнительные
моментные двигатели серии УВ габарита 06 ..379
17.3.5. Высокомоментные двигатели постоянного тока. ..380
17.3.6. Коллекторные двигатели постоянного тока, применяемые
в качестве силовых двигателей для привода различных механизмов и устройств. .381
17.4. Исполнительные асинхронные двигатели 383
17.5. Конструкция исполнительных асинхронных двигателей .384
17.5.1. Исполнительные асинхронные двигатели, выпускаемые
промышленностью 386
17.6. Синхронные двигатели для привода механизмов приборных
устройств ..387
17.7. Исполнительные шаговые двигатели .389
17.8. Гироскопические двигатели. .395
17.9. Электродвигатели привода считывающих устройств. .397
17.9.1. Лентопротяжные механизмы ..398
17.9.2. Электропривод устройств считывания информации
с оптических дисков. .400

Глава 18. Информационные электрические машины. .403
18.1. Тахогенераторы постоянного тока. .403
18.2. Асинхронные тахогенераторы. ..406
18.3. Сельсины .407
18.4. Вращающиеся трансформаторы. .411

Глава 19. Электромашинные усилители. ..420
19.1. Принцип действия электромашинного усилителя. .420
19.2. Электромашинные усилители серии ЭМУ.. ..424

Раздел VI. ВЫБОР ДВИГАТЕЛЕЙ И ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Глава 20. Выбор двигателей для электропривода .426
20.1. Выбор двигателей по роду тока и принципу действия,
конструктивному исполнению и внешним воздействиям. ..426
20.2. Определение расчетной мощности и выбор двигателя. ..428
20.2.1. Расчет мощности двигателя для продолжительного режима.......430
20.2.2. Расчет мощности двигателя для кратковременного режима.......435
20.2.3. Расчет мощности двигателей при повторно-кратковременном
режиме работы. .436
20.3. Проверка двигателей на достаточность пускового момента
и перегрузочную способность. ..439

Глава 21. Техническое обслуживание электрических машин. .440
21.1. Основные понятия и определения. .440
21.2. Виды износа электрических машин. .441
21.3. Подготовка и пробный пуск электродвигателя. ..442
21.4. Монтаж и обслуживание электрических машин. ..447
21.5. Основные виды неисправностей и отказов электрических машин,
их причины и способы устранения. .451
21.6. Энергосбережение. ..454

Глава 22. Техника безопасности при техническом обслуживании
электроустановок. .459
22.1. Основные понятия и определения .459
22.2. Средства обеспечения электробезопасности. 461
22.3. Основные технические и организационные мероприятия по безопасному проведению работ в действующих
электроустановках .464
22.3.1. Виды работ в действующих электроустановках .464
22.3.2. Правила оформления работ в электроустановках ..465
Основные буквенные обозначения параметров и размеров. ..466
Литература .470
Предметный указатель. ..471
Указатель серий и типов электрических машин и устройств управления ..473

Раздел IV. Машины постоянного тока

Глава 13. Устройство и основные свойства генераторов и двигателей постоянного тока

По своей конструкции универсальные коллекторные двигатели отличаются от двигателей постоянного тока тем, что их станина и главные полюсы делаются шихтованными из тонколистовой электротехнической стали. Это дает возможность сократить магнитные потери, которые при работе двигателя от сети переменного тока повышаются, так как переменный ток в обмотке возбуждения вызывает перемагничивание всей магнитной цепи, включая станину и сердечники полюсов.
Основной недостаток однофазных коллекторных двигателей — тяжелые условия коммутации. Дело в том, что в коммутирующих секциях помимо реактивной ЭДС и ЭДС внешнего паля наводится трансформаторная ЭДС, что ухудшает коммутацию.

Применение в обмотке якоря двигателя одновитковых секций способствует ограничению ЭДС, но при этом увеличивается количество пластин в коллекторе, а следовательно, возрастают его размеры. Применение добавочных полюсов с обмоткой, включенной последовательно в цепь якоря, позволяет добиться полной взаимной компенсации трансформаторной ЭДС только при определенных значениях тока якоря и частоты вращения. При других режимах работы двигателя условия коммутации остаются тяжелыми. Регулирование частоты вращения и реверсирование однофазного коллекторного двигателя выполняются так же, как и в двигателях постоянного тока последовательного возбуждения.

В универсальном коллекторном двигателе стремятся получить примерно одинаковые рабочие свойства при номинальной нагрузке как на постоянном, так и на переменном токах. Достигается это тем, что обмотку возбуждения двигателя выполняют с ответвлениями: при работе двигателя от сети постоянного тока обмотка возбуждения используется полностью, а при работе от сети переменного тока — частично. Расхождения в характеристиках двигателя на постоянном и переменном токе объясняются тем, что при работе от сети переменного тока на величину и фазу тока оказывают влияние индуктивные сопротивления обмоток якоря и возбуждения. Однако уменьшение числа витков обмотки возбуждения обеспечивает сближение характеристик лишь при нагрузке, близкой к номинальной.

Потребляемый двигателем ток при работе от сети переменного тока больше, чем при работе этого же двигателя от сети постоянного тока, так как переменный ток кроме активной имеет еще и реактивную составляющие. Коэффициент полезного действия универсальных двигателей при переменном токе ниже, чем при постоянном, что вызвано повышенными магнитными потерями, обусловленными переменным потоком возбуждения. В отличие от машин постоянного тока традиционной конструкции с электромагнитным возбуждением в машинах с постоянными магнитами возбуждающее магнитное поле создается постоянными магнитами. Якорь и щеточно-коллекторный узел этих машин имеет обычную конструкцию. Что же касается магнитных систем, то они могут иметь разную форму.

Для машин с большим числом полюсов (2р > 4) целесообразно радиальное расположение постоянных магнитов. Недостаток этой конструкции — небольшая осевая длина каждого магнита и значительная подверженность таких магнитов размагничивающему влиянию реакции якоря. Это ведет к необходимости изготовления постоянных магнитов из материала с особо большой коэрцитивной силой (ферритбариевые). При 2р = 2 постоянные скобообразные магниты, имеют большую длину и способны создавать значительное магнитное поле даже при сравнительно небольшой коэрцитивной силе материалов для изготовления постоянных магнитов (альни, альнико, магнико). Магнитная система с кольцевым магнитом более рациональна и имеет наибольшее применение.

Машины постоянного тока с постоянными магнитами, как правило, используют при небольшой мощности, поэтому необходимость применения в них добавочных полюсов отпадает. Обычно машины постоянного тока с постоянными магнитами мощностью от единиц до сотен ватт используют в качестве двигателей для привода устройств бытовой техники, электроинструмента в автоматических системах (исполнительные двигатели и тахогенераторы). Отсутствие у них обмотки возбуждения намного упрощает схемы их включения. Благодаря широкому применению управляемых полупроводниковых приборов — тиристоров и транзисторов, появилась возможность создать на основе этих элементов полупроводниковый коммутатор, способный заменить щеточно-коллекторный узел в машинах постоянного тока. Эти приборы работают в режиме ключа, т.е. они имеют два устойчивых состояния: открытое для прохождения тока и закрытое.

Вентильный двигатель постоянного тока представляет собой соединение синхронной машины с полупроводниковым коммутатором. В вентильном двигателе коммутатор выполняет роль инвертора — преобразователя постоянного тока сети в переменный ток обмотки якоря. Что же касается свойств (характеристик) вентильного двигателя, то они зависят от способа управления полупроводниковыми элементами коммутатора. Если управление инвертором независимое, т. е. когда работа инвертора не определяется пространственным положением ротора двигателя, то вентильный двигатель по своим характеристикам в принципе не отличается от синхронного двигателя. Но основная задача создания вентильного двигателя — получить двигатель со свойствами коллекторного двигателя постоянного тока, а это оказывается возможным лишь при зависимом управлении работой коммутатора, т.е. переключение полупроводниковых элементов инвертора из открытого состояния в закрытое, и наоборот, должно происходить в зависимости от пространственного положения ротора.

Такое управление возможно лишь при наличии в двигателе датчика положения ротора (ДПР).В вентильных двигателях небольшой мощности (нескольких сотен ватт) коммутаторы выполняют на транзисторах. В более мощных вентильных двигателях для этой цели применяют также и тиристоры, так как они способны коммутировать токи значительной величины. Однако тиристоры не полностью управляемые полупроводниковые приборы: посредством электрического сигнала тиристор можно открыть, но для того, чтобы его закрыть, требуется прекращение электрического тока в анодной цепи этого тиристора.

Такой двигатель представляет собой систему, состоящую из собственно двигателя М, представляющего собой синхронный двигатель с электромагнитным возбуждением, датчика положения ротора (ДПР) и инвертора (И). Датчик положения ротора ДПР выдает сигналы, соответствующие положению ротора, на блок управления БУ инвертором. Эти сигналы поступают на управляющие электроды тиристоров, вызывая их открывание в соответствии с пространственным положением ротора двигателя. Инвертор выполнен на шести тиристорах, соединенных по трехфазной мостовой схеме. Тиристоры 1, Зи 5 образуют анодную группу, так как на их аноды подведен «плюс» напряжения питания U, а тиристоры 2,4 и 6 образуют катодную группу, так как на их катоды подведен «минус» напряжения питания. В процессе вращения ротора его вращающееся магнитное поле индуцирует в фазных обмотках статора ЭДС, мгновенные значения которых еА, ев и ес. По своей природе они являются противо-ЭДС, так как направлены встречно напряжению сети. Для того чтобы в обмотке статора протекал ток, необходимо, чтобы напряжение питания U преодолевало линейные значения ЭДС обмотки статора.

Этот принцип положен в основу работы вентильного двигателя, так как в отдельные моменты времени мгновенные линейные значения противо-ЭДС обмотки статора (якоря) преодолевают напряжение сети, что ведет к разрыву тока в анодной цепи тиристоров, которые в определенной последовательности закрываются.

Таким образом, в основе работы вентильного двигателя лежит органическое соединение инвертора и двигателя, т.е. инвертор не является автономным, так как сигналы на переключение его полупроводниковых элементов поступают от блока управления БУ в зависимости от пространственного положения ротора. В вентильных двигателях небольшой мощности инвертор выполняют на транзисторах, в качестве датчиков положения ротора применяют датчики ЭДС Холла, а ротор представляет собой постоянный магнит. Такой двигатель иногда называют бесконтактным двигателем постоянного тока ( БД ПТ ). Вал двигателя Д механически соединен с датчиком положения ротора (ДПР), сигнал от которого поступает в блок коммутатора (БК).

Подключение секций обмотки якоря к источнику постоянного тока происходит через элементы блока коммутатора (БК). Назначение ДПР — выдавать управляющий сигнал в блок коммутатора в соответствии с положением полюсов постоянного магнита (ротора) относительно секций обмотки якоря. Это делается посредством датчиков. Блок коммутатора выполнен на транзисторах VT1— VT4. Четыре обмотки (фазы) двигателя wt — w4 расположены на явновыраженных полюсах шихтованного сердечника якоря. Датчики Холла ДХ1 и ДХ2 установлены в пазах полюсных наконечников двух смежных полюсов статора. Силовые транзисторы VT1 — VT4 работают в ключевом режиме. Сигнал на открытие транзистора поступает от соответствующего датчика Холла.

Каждая фазная обмотка выполнена из двух катушек, расположенных на противолежащих полюсах сердечника статора и соединенных последовательно (см. рис. 13.29). Если по какой-либо из обмоток статора проходит ток от начала HI — Н4 к концу К1 —К4, то полюсы сердечника статора приобретают полярность соответственно S и N.При положении ротора, в зоне магнитного полюса iV находится датчик ДХ1. При этом на выходе датчика появляется сигнал, при котором транзистор VT2 переходит в открытое состояние. В обмотке статора и>2 появляется ток /2, протекающий от Н2 к К2. При этом полюсы статора 2 и 4 приобретают полярность Sи N. В результате взаимодействия магнитных полей статора и ротора (постоянного магнита) возникает электромагнитный момент М, вращающий ротор.

После поворота ротора относительно оси полюсов статора 1—3 на некоторый угол а против часовой стрелки датчик ДХ2 окажется в зоне магнитного полюса ротора S, при этом по сигналу с датчика ДХ2 включается транзистор VT3. В фазной катушке возникает ток /'з и полюсы 3 и 1 приобретают полярность S и N. При этом магнитный поток статора Ф создается совместным действием МДС обмоток щи щ. Вектор этого потока повернут относительно оси 2—4 на угол 45°. Ротор, продолжая вращение, занимает положение по оси полюсов статора 2—4 При этом датчик ДХ1 попадает в межполюсное пространство
ротора, а датчик ДХ2 остается в зоне полюса Sротора. В результате транзистор VT2 закрывается, а транзистор VT3 остается открытым и магнитный поток Ф, создаваемый МДС обмотки фазы и>з, поворачивается относительно полюсов 2 — 4 еще на 45° и т.д.