Министерство образования и науки РФ ФГБОУ ВО «Приазовский государственный технический университет» УНИСТ Кафедра АЭиТК Лухтура Ф.И. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к лабораторному практикуму по курсам «Электрические машины», «Электропривод» и др. Часть 1. ДВИГАТЕЛИ (МАШИНЫ) ПОСТОЯННОГО ТОКА для студентов 13.03.02 – Электроэнергетика и электротехника, 15.03.04 – Автоматизация технологических процессов и производств, и др. очной и заочной форм обучения Мариуполь 2024 1 УДК 621.221. (0.77) Двигатели (машины) постоянного тока: методические указания к лабораторному практикуму по курсам «Электрические машины», «Электропривод» и др. Часть 1. Двигатели (машины) постоянного тока, для студентов очной и заочной формы обучения специальностей 13.03.02 – Электроэнергетика и электротехника, 15.03.04 – Автоматизация технологических процессов и производств, и др. / Сост. Ф.И. Лухтура. – Мариуполь, ФГБОУ ВО «ПГТУ», 2024. - 45 с. Сформулированы цель и задачи лабораторного практикума. Изложены необходимые теоретические основы для изучения приведенной тематики, в соответствии с действующим ГОСТ. Рассмотрены устройства и принцип работы электродвигателей различных типов. Даны описания и принцип работы этих устройств. Изложены основы технологии разборки и сборки электродвигателей с иллюстрацией основных этапов. Приводится список рекомендуемой литературы и контрольные вопросы для подготовки. Составитель Ф. И. Лухтура, ст. преподаватель Рецензент В.А. Серебряков, канд. техн. наук, доцент Утверждено на заседании кафедры АЭиТК, протокол № ____ от «____»__________2024 г. Утверждено методической комиссией энергетического факультета, протокол № _____ от «___»__________2024 г. © Лухтура Ф.И., 2024 © ФГБОУ ВО «ПГТУ», 2024 2 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ..................................... Ошибка! Закладка не определена. 1 ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ЛАБОРАТОРНОГО ЗАНЯТИЯ ............................. 6 2 ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ............................... 7 3 ОПИСАНИЕ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ................................ 23 4 НЕИСПРАВНОСТИ, ПЕРЕЧЕНЬ ВОЗМОЖНЫХ ДЕФЕКТОВ И ВИД РЕМОНТА ....................................................................................... 26 5 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ................................................ 30 6 ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ ........................................................................ 32 7 ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА .................................................................... 32 8 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ............................................................... 32 СПИСОК РЕКОМЕНДОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ............................ 35 Приложение А........................................................................................... 37 Приложение Б ........................................................................................... 42 3 ВВЕДЕНИЕ В курсах «Электрические машины», «Электропривод» и др. предусматривается проведение нескольких лабораторных работ, в их числе настоящая работа, на которую обычно отводится 2 часа. Задачи лабораторных занятий – более углубленное изучение отдельных разделов данных курсов. Студент допускается к выполнению лабораторной работы при условии предварительной проработки информации о конструктивных особенностях устройства и принципа действия двигательной установки, теоретических основ и порядка выполнения работы, которые изложены в настоящем практикуме. Проверка готовности студента к работе осуществляется путем предварительного (в т.ч. программированного) контроля. При этом отчет по каждой работе оформляется заранее, до проведения лабораторных занятий, в который входят следующие разделы: 1. Цель и задачи работы. 2. Краткое содержание теоретических положений. 3. Схема двигательной(-ых) установки (установок), краткое ее описание и принцип работы. После собеседования с преподавателем, при готовности студента(-ов) выполнять работу, лабораторная работа выполняется одним студентом или группой студентов (не более пяти человек) под руководством преподавателя или лаборанта. После выполнения отчет дополняется полученными опытными данными и результатами их обработки. При выполнении расчетов необходимо соблюдать правила приближенных вычислений и следить за точностью записи исходных данных, промежуточных и окончательных результатов. В числах, фигурирующих в расчетах, как правило, должно быть не более трех значащих цифр. Отчет о лабораторной работе студент должен защитить и получить зачет с оценкой. При выполнении лабораторной работы необходимо соблюдать общие для лабораторий кафедры правила техники безопасности. К занятиям в лаборатории допускаются студенты, получившие инструктаж по технике безопасности у руководителя занятиями. Работа на лабораторных установках производится только с разрешения и под наблюдением преподавателя или лаборанта. 4 Данная методическая разработка позволяет актуализировать знания обучающихся, формировать умения и практический опыт по выполнению разборки двигателей и составлению дефектных ведомостей. План занятия предполагает прослеживание, четкость и завершенность каждого этапа. Цели каждого этапа подчиняются общей цели занятия. Преемственность прослеживается в ходе отработки на предыдущем этапе тех знаний и умений, которые потребуются на последующем этапе. Данное занятие построено с учетом дидактических принципов: научности и доступности, систематичности и последовательности, наглядности, сознательности и активности. На занятии используются следующие методы обучения: словесный (вводная беседа, рассказ, объяснение), наглядный (использование плаката, демонстрация словарных слов, образца изделия), практический (выполнение практической работы). 5 1 ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ЛАБОРАТОРНОГО ЗАНЯТИЯ Цель работы: изучение типов и конструкций двигателей постоянного тока, освоение методик их разборки (сборки) и дефектации асинхронных двигателей. Подцели работы: Обучающая - формировать умения и практический опыт обучающихся по выявлению и устранению дефектов во время эксплуатации оборудования и при проверке его в процессе ремонта. Развивающая - развивать технологическое мышление, использование информационно-коммуникационных технологий в своей работе, умение работать в команде и анализировать свои действия. Воспитательная - воспитывать организацию собственной деятельности, ответственность за результат своей работы. Задачи работы: - изучение классификатора двигателей постоянного тока (ДВТ), конструкций, основных размеров, особенностей их эксплуатации; - изучение методик расчета параметров двигателей; - выбор методики разборки электродвигателей различного типа (конструкций) и дефектации; - выбор методики сборки электродвигателей различного типа (конструкций). Компетенции: ОПК-3. Способен использовать методы анализа и моделирования электрических цепей и электрических машин: ИД-1ОПК-4. Использует методы анализа и моделирования линейных и нелинейных цепей постоянного и переменного тока. ИД-2ОПК-4. Использует методы расчета переходных процессов в электрических цепях постоянного и переменного тока. ИД-3ОПК-4. Применяет знания теории электромагнитного поля и цепей с распределенными параметрами. ИД-4ОПК-4. Демонстрирует понимание принципа действия электронных устройств. ИД-5ОПК-4. Анализирует установившиеся режимы работы трансформаторов и электрических машин, использует знание их режимов работы и характеристик. ИД-6ОПК-4. Применяет знания функций и основных характеристик электрических и электронных аппаратов. 6 ПК-3. Способен участвовать в эксплуатации и ремонте объектов профессиональной деятельности: ИД-1ПК-3. Осуществляет контроль технического состояния технологического оборудования объектов профессиональной деятельности ИД-2ПК-3. Осуществляет планирование и ведение деятельности по ремонту объектов профессиональной деятельности ИД-3ПК-3. Осуществляет оперативное управление объектами профессиональной деятельности ИД-4ПК-3. Обеспечивает инженерно-техническое сопровождение деятельности по техническому обслуживанию объектов профессиональной деятельности ИД-5ПК-3. Осуществляет организацию и управление деятельностью по техническому обслуживанию и ремонту объектов профессиональной деятельности ИД-6ПК-3. Выполняет, контролирует и обеспечивает соблюдения требований охраны труда, техники безопасности, промышленной и пожарной безопасности на рабочем месте 2 ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ 2.1 Назначение и устройство двигателей 2.1.1. Назначение. Использование электрических машин в качестве генераторов и двигателей является их главным назначением, так как связано исключительно с целью взаимного преобразования электрической и механической энергий. Однако применение электрических машин в различных отраслях техники может иметь и другие цели. Так, потребление электроэнергии часто связано с преобразованием переменного тока в постоянный или же с преобразованием тока промышленной частоты в ток более высокой частоты. Для этих целей применяют электромашинные преобразователи. Электрические машины используют также для усиления мощности электрических сигналов. Такие электрические машины называют электромашинными усилителями. Электрические машины, используемые для повышения коэффициента мощности потребителей электроэнергии, называют синхронными компенсаторами. Электрические машины, служащие для регулирования напряжения переменного тока, называют индукционными регуляторами. Очень разнообразно применение микромашин в устройствах автоматики. Здесь электрические машины используют не только в качестве двигателей, но и в качестве тахогенераторов (для 7 преобразования частоты вращения в электрический сигнал), сельсинов, вращающихся трансформаторов (для получения электрических сигналов, пропорциональных углу поворота вала) и т.п. Из приведенных примеров видно, сколь разнообразны электрические машины по назначению. Рассмотрим классификацию электрических машин по принципу действия, согласно которой все электрические машины подразделяют на бесколлекторные и коллекторные, различающиеся как принципом действия, так и конструкцией. Бесколлекторные машины - это машины переменного тока. Их делят на асинхронные и синхронные. Асинхронные машины применяют преимущественно в качестве двигателей, а синхронные - как в качестве двигателей, так и в качестве генераторов. Коллекторные машины используют главным образом для работы на постоянном токе в качестве генераторов или двигателей. Лишь коллекторные машины небольшой мощности делают универсальными двигателями, способными работать как от сети постоянного, так и от сети переменного тока. Электрические машины одного принципа действия могут различаться схемами включения либо другими признаками, влияющими на эксплуатационные свойства этих машин. Например, асинхронные и синхронные машины могут быть трехфазными (включаемыми в трехфазную сеть) или однофазными. Асинхронные машины в зависимости от конструкции обмотки ротора разделяют на машины с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. Синхронные и коллекторные машины постоянного тока в зависимости от способа создания в них магнитного поля возбуждения разделяют на машины с обмоткой возбуждения и машины с постоянными магнитами. На рис. 2.1 представлена диаграмма классификации электрических машин, содержащая основные их виды, получившие наибольшее применение в современном электроприводе. Эта же классификация положена в основу изучения курса «Электрические машины». 8 Рисунок 2.1 – Классификация электрических машин В электрических двигателях для преобразования электрической энергии в механическую используется действие силы Ампера. КПД мощных электродвигателей достигает 98%. Такого высокого КПД не имеет никакой другой двигатель. Двигатели постоянного тока (ДПТ) используются в электротранспорте (метро, троллейбус, трамвай, пригородные электрические железные дороги, электровозы), в подъемных устройствах (электрические подъемные краны). Широко применяются в бытовой технике (электроинструменты: электродрели, пылесосы и др.). 2.1.2. Краткие постоянного тока сведения 9 об устройстве машины Для работы электрической машины необходимо наличие магнитного поля возбуждения. В большинстве машин постоянного тока это поле создается обмоткой возбуждения, питаемой постоянным током. Свойства машин постоянного тока в значительной степени определяются схемой включения обмотки возбуждения относительно обмотки якоря, т.е. способом возбуждения. Рисунок 2.2 - Способы электромагнитного возбуждения машин постоянного тока По способам возбуждения машины постоянного тока можно классифицировать следующим образом: машины независимого возбуждения, в которых обмотка возбуждения (ОВ) питается постоянным током от источника, электрически не связанного с обмоткой якоря (рис.2.2, а); машины параллельного (шунтового) возбуждения, в которых обмотка возбуждения и обмотка якоря соединены параллельно (рис.2.2,б); машины последовательного (сериесного) возбуждения, (обычно применяемые в качестве двигателей) в которых обмотка возбуждения и обмотка якоря соединены последовательно (рис.2.2, в); машины смешанного (компаудного) возбуждения, в которых имеются две обмотки возбуждения – параллельная ОВ1 и последовательная ОВ2 (рис.2.2, г); машины с возбуждением постоянными магнитами (рис.2.2,д). Все указанные машины, кроме последних, относятся к машинам с электромагнитным возбуждением, так как магнитное 10 поле в них создается электрическим током, проходящим в обмотке возбуждения. Начала и концы обмоток машин постоянного тока обозначаются: обмотка якоря – Я1 и Я2, обмотка добавочных полюсов – Д1 и Д2, компенсационная обмотка – К1 и К2, обмотка возбуждения независимая – Н1 и Н2, обмотка возбуждения параллельная (шунтовая) – Ш1 и Ш2, обмотка возбуждения последовательная (сериесная) – С1 и С2 (рис.2.3). а) б) в) г) Рисунок 2.2 - Способы электромагнитного возбуждения а-независимая; б-параллельная; в-последовательная; г- смешанная Рисунок 2.3 – Вариант системы возбуждения машин постоянного тока 11 Неподвижная часть машины состоит из станины 5 (рис. 2.4), главных полюсов для создания основного магнитного потока (рис.2.5) и дополнительных полюсов (рис.2.4а), устанавливаемых между главными полюсами, и служащими для улучшения коммутации. К бокам станины крепятся подшипниковые щиты 6, в которых установлены подшипники. В подавляющем большинстве машин главные полюса являются электромагнитами и только в специальных маломощных машинах представляют постоянный магнит. Главный полюс состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали, и полюсной катушки 4, по которой проходит ток возбуждения. Катушки возбуждения соединяются между собой последовательно. Дополнительные полюса конструктивно подобны основным. Количество главных полюсов зависит от типа электрической машины. Они могут быть двухполюсными и многополюсными. 1 - коллектор; 2 - щетки; 3 - сердечник якоря; 4 - сердечник полюса; 5 катушка возбуждения; 6 - станина; 7, 12 - подшипниковые щиты; 8 вентилятор; 9 - обмотка якоря: 10 - вал; 11 – лапы Рисунок 2.4 - Устройство машины постоянного тока 12 Рисунок 2.4а – Устройство машины постоянного тока Рисунок 2.5 - Главные полюсы с бескаркасной (а) и каркасной (6) полюсными катушками: 1- станина, 2- сердечник полюса; 3 полюсная катушка Вращающаяся часть машины, называемая якорем (ротором), состоит из вала 10, сердечника 3, обмотки 9 и коллектора 1. Сердечник якоря набирается из штампованных листов электротехнической стали, изолированных друг от друга лаком для уменьшения потерь на вихревые токи. В пазы 13 сердечника укладываются проводники обмотки якоря, которые заклиниваются клиньями и закрепляются бандажами. Обмотку выполняют из медного провода круглого или прямоугольного сечения. Пазы якоря после заполнения их проводами обмотки обычно закрывают клиньями (текстолитовыми или гетинаксовыми). В некоторых машинах пазы не закрывают клиньями, а накладывают на поверхность якоря бандаж из проволоки или стеклоленты с предварительным натягом. Лобовые части 9 обмотки якоря крепят к обмоткодержателям бандажом. Коллектор 1 является одним из сложных узлов машины постоянного тока. Основными элементами коллектора являются пластины трапецеидального сечения из твердотянутой меди, собранные таким образом, что коллектор приобретает цилиндрическую форму. В зависимости от способа закрепления коллекторных пластин различают два основных типа коллекторов: со стальными конусными шайбами и на пластмассе. На рис. 2.6,а показано устройство коллектора со стальными конусными шайбами. Нижняя часть коллекторных пластин 6 имеет форму «ласточкина хвоста». После сборки коллектора эти части пластин оказываются зажатыми между стальными шайбами 1 и 3, изолированными от медных пластин миканитовыми манжетами 4. Конусные шайбы стянуты винтами 2. Между медными пластинами расположены миканитовые изоляционные прокладки. В процессе работы машины рабочая поверхность коллектора постепенно истирается щетками. Чтобы при этом миканитовые прокладки не выступали над рабочей поверхностью коллектора, что вызвало бы вибрацию щеток и нарушение работы машины, между коллекторными пластинами фрезеруют пазы (дорожки) на глубину до 1,5 мм (рис. 2.6, б). Верхняя часть 5 коллекторных пластин (см. рис. 2.6, а), называемая петушком, имеет узкий продольный паз, в который закладывают проводники обмотки якоря и тщательно припаивают. В машинах постоянного тока малой мощности часто применяют коллекторы на пластмассе, отличающиеся простотой в изготовлении. Набор медных и миканитовых пластин в таком коллекторе удерживается пластмассой, запрессованной в 14 пространство между набором пластин и стальной втулкой 4 и образующей корпус коллектора. Иногда с целью увеличения прочности коллектора эту пластмассу 2 армируют стальными кольцами 3 (рис. 2.7). В этом случае миканитовые прокладки должны иметь размеры большие, чем у медных пластин 1, что исключит замыкание пластин стальными (армирующими) кольцами 3. Электрический контакт с коллектором осуществляется посредством щеток, располагаемых в щеткодержателях 4 (см. рис. 2.4). Щеткодержатель (рис. 2.8) состоит из обоймы 4, в которую помещают щетку 3, курка 1, представляющего собой откидную деталь, передающую давление пружины 2 на щетку. Щеткодержатель крепят на пальце зажимом 5. Щетка снабжается гибким тросиком 6 для включения ее в электрическую цепь машины. Все щеткодержатели одной полярности соединены между собой сборными шинами, подключенными к выводам машины. Одно из основных условий бесперебойной работы машины - плотный и надежный контакт между щеткой и коллектором. Давление на щетку должно быть отрегулировано, так как чрезмерный нажим может вызвать преждевременный износ щетки и перегрев коллектора, а недостаточный нажим — искрение на коллекторе. Помимо указанных частей, машина постоянного тока имеет два подшипниковых щита: передний 12 (со стороны коллектора) и задний 7 (см. рис. 2.4). В центральной части щита имеется расточка под подшипник. На переднем подшипниковом щите имеется смотровое окно (люк) с крышкой, через которое можно осмотреть коллектор и щетки, не разбирая машины. Концы обмоток выведены на зажимы коробки выводов. Вентилятор 8 служит для самовентиляции машины: воздух поступает в машину обычно со стороны коллектора, омывает нагретые части (коллектор, обмотки и сердечники) и выбрасывается с противоположной стороны через решетку. Для соединения обмотки якоря с внешней цепью на коллекторе помещаются неподвижные щётки в щёткодержателе, который закрепляется на траверсе, установленной на 15 подшипниковом щите. Её можно поворачивать и этим изменять положение щёток относительно полюсов. К машинам постоянного тока применим принцип обратимости. Любой генератор постоянного тока может быть переведён в режим двигателя и наоборот. а) 1,3 - стальные шайбы; 2 – винты; 4 - миканитовые манжеты; 5 - верхняя часть коллекторных пластин (петушок); 6 коллекторные пластины; б) 1 - коллекторные пластины; 2 – пазы с миканитовыми изоляционными прокладками. Рисунок 2.6 - Устройство коллектора с конусными шайбами 1 - медные пластины; 2 - пласт- 1 - курок; 2 - пружина; 3- щетка; масса; 3 - стальные кольца; 4 - 4 - обойма; 5 - зажим; 6 - тросик стальная втулка Рисунок 2.8 - Щеткодержатель Рисунок. 2.7 - Устройство (сдвоенный) машины 2.2 Принцип действия машины постоянного тока коллектора на пластмассе постоянного тока Характерным признаком коллекторных машин является наличие у них коллектора - механического преобразователя переменного тока в постоянный, и наоборот. Необходимость в таком преобразователе объясняется тем, что в обмотке якоря 16 коллекторной машина должен протекать переменный ток, так как только в этом случае в машине происходит непрерывный процесс электромеханического преобразования энергии. Рассмотрим принцип действия коллекторного генератора постоянного тока. На рис. 2.9 изображена упрощенная модель такого генератора: между полюсами N и S постоянного магнита находится вращающаяся часть генератора - якорь, вал которого посредством шкива и ременной передачи механически связан с приводным двигателем (на рисунке не показан) - источником механический энергии. В двух продольных пазах на сердечнике якоря расположены обмотка в виде одного витка аbcd, концы которого присоединены к двум медным изолированным друг от друга полукольцам, образующим простейший коллектор. На поверхность коллектора наложены щетки А и В, осуществляющие скользящий контакт с коллектором и связывающие генератор с внешней цепью, куда включена нагрузка сопротивлением Rнг. Рисунок 2.9 – Упрощенная схема коллекторной машины Предположим, что приводной двигатель вращает якорь генератора против часовой стрелки, тогда в витке на якоре, вращающемся в магнитном поле постоянного магнита, наводится ЭДС, мгновенное значение которой ех = 2Вх⸱l⸱υ, где параметры В, l, υ пояснены рисунком 2.10, а направление для положения якоря, изображенного на рис. 2.9, указаны стрелками. 17 Рисунок 2.10 – Определение величины ЭДС якоря В процессе работы генератора якорь вращается и виток abcd занимает разное пространственное положение, поэтому в обмотке якоря наводится переменная ЭДС. Если бы в машине не было коллектора, то ток во внешней цепи (в нагрузке R) был бы переменным, но посредством коллектора и щеток переменный ток обмотки якоря преобразуется в пульсирующий ток во внешней цепи генератора, т.е. ток, неизменный по направлению. При положении витка якоря, показано на рис.2.9, ток во внешней цепи (в нагрузке) направлен от щетки А к щетке В. Известно, что ток во внешнем участке электрической цепи направлен от «плюса» к «минусу», поэтому нетрудно определить, что щетка А является положительной, а щетка В - отрицательной. После поворота якоря на 1800 (рис.2.11, а ) направление тока в витке меняется на обратное, так как проводники 1 и 2 поменяются местами. Однако полярность щеток, а следовательно, и направление тока во внешней цепи (в нагрузке) остаются неизменными (рис.2.11, б). Объясняется это тем, что в тот момент, когда ток в витке якоря меняет свое направление, происходит смена пластин коллектора под щетками. Таким образом, под щеткой А всегда находится пластина, соединенная с 18 проводником, расположенным под северным магнитным полюсом N, а под щеткой В - пластина, соединенная с проводником, расположенным под южным полюсом S. Благодаря этому полярность щеток генератора остается неизменной независимо от пространственного положения витка якоря. Что же касается пульсаций тока во внешней цепи, то они сильно ослабляются при увеличении числа витков в обмотке якоря при их равномерном распределении по поверхности якоря и соответствующем увеличении числа пластин в коллекторе. ____ ЭДС и ток в обмотке якоря; ------- то же, во внешней цепи генератора Рисунок 2.11 – К принципу действия генератора постоянного тока В соответствии с принципом обратимости электрических машин упрощенная модель машины постоянного тока может быть использована в качестве двигателя постоянного тока. Для этого необходимо отключить нагрузку генератора R и подвести к щеткам машины напряжение от источника постоянного тока. Например, если к щетке А подключить зажим (разъем) «плюс», а к щетке В - «минус», то в обмотке якоря появится ток I, направление которого показано на рис. 2.12. 19 Рисунок 2.12 - К принципу действия двигателя постоянного тока Принцип действия машины постоянного тока заключается в следующем. По закону электромагнитной индукции проводник с током будет выталкиваться из магнитного поля с какой-то силой Fi. В результате взаимодействия этого тока с магнитным полем постоянного магнита (полем возбуждения) появятся электромагнитные силы Fiэм. Направление действия силы определяется по правилу левой руки. Сила будет направлена по касательной к окружности якоря. Суммарная сила Fэм, действующая на плечо (радиус якоря), создаёт вращающий момент Мвр. Если этот момент окажется больше тормозного момента Мт, то якорь придёт во вращение. Совокупность этих сил создает на якоре электромагнитный момент М, приводящий якорь во вращение против часовой стрелки. После поворота якоря на 180° электромагнитные силы не изменяют своего направления, так как одновременно с переходом каждого проводника обмотки из зоны одного магнитного полюса в зону другого полюса в этих проводниках меняется направление тока. Таким образом, назначение коллектора и щеток в двигателе постоянного тока - изменение направления тока в проводниках обмотки якоря при их переходе из зоны магнитного полюса одной полярности в зону полюса другой полярности. Рассмотренная упрощенная модель машины постоянного тока не обеспечивают двигателю устойчивой работы, так как при прохождении проводниками обмотки якоря геометрической нейтрали nn' (рис. 2.12) электромагнитные силы Fэм = 0 (магнитная индукция в середине межполюсного пространства 20 равна нулю). Однако с увеличением количества проводников в обмотке якоря (при равномерном их распределении на поверхности якоря) и числа пластин коллектора вращение якоря двигателя становится устойчивым и равномерным. Из рассмотрения принципа действия и устройства коллекторной машины постоянного тока следует, что непременным элементом этой машины, включенным между обмоткой якоря и внешней сетью, является щеточноколлекторный узел - механический преобразователь рода тока. Таким образом, коллекторные машины сложнее бесколлекторных машин переменного тока (асинхронной и синхронной) и, следовательно, уступают им (особенно асинхронной машине) в надежности и имеют более высокую стоимость. Особенности конструкций некоторых других ДПТ приведены в Приложениях А и Б. 2.3 Общий подход к разборке машины постоянного тока Перед проведением ремонта машина постоянного тока отключается от сети, и принимаются меры по предупреждению случайной подачи напряжения. До разборки электрическую машину очищают от пыли и грязи, снимают крышку коробки выводов, отсоединяют кабель питания. Разъединяют машину постоянного тока и рабочую машину, снимают машину постоянного тока с фундамента и транспортируют на участок дефектации и ремонта. При общей разборке машины постоянного тока серии П сначала снимают крышки с коробки зажимов и боковых сторон переднего подшипникового щита. Отсоединяют проводники, связывающие щёткодержатели с катушкой добавочного полюса и провода, соединяющие щёткодержатели с контактом в коробке зажимов, а затем вынимают щётки из гнёзд щёткодержателей. Для защиты от механических повреждений коллектор обматывают листом картона, закрепляемым двумя бандажами из хлопчатобумажной ленты или шпагата. После этого отвёртывают болты, крепящие подшипниковые щиты к станине, ввёртывают отжимные болты в отверстия подшипниковых щитов и выводят 21 бортики последних из расточек станины, одновременно поддерживая конец вала во избежание удара якоря о нижний полюс машины. Далее сдвигают подшипниковые щиты с шарикоподшипников, выдвигают якорь из станины в сторону свободного конца вала и вынимают якорь из станины (рис. 2.13). Снятие подшипников качения с вала осуществляется при помощи съёмников. При этом необходимо соблюдать меры предосторожности, исключающие повреждение подшипника и вала машины. У большинства машин посадка подшипника на вал выполнена с натягом его внутреннего кольца. Подшипники, насаженные на вал с большим натягом и не поддающиеся съёму ручными съёмниками, демонтируют при помощи гидравлического съёмника с использованием установки ОР 9174, используя заводское описание. 1-задний подшипниковый щит; 2-наружная крышка подшипника; 3щеткодержатель; 4-подшипник; 5-внутренняя крышка подшипника; 6коллектор; 7-бандаж; 8-якорь; 9-вентилятор; 10-индуктор; 11-передний подшипниковый щит; 12-крепежные болты Рисунок 2.13 – Порядок разборки машины постоянного тока 22 При детальной разборке снимают коллектор, вентилятор, выпрессовывают вал якоря, нередко проводят демонтаж главных и добавочных полюсов. 3 ОПИСАНИЕ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ 3.1 Конструкция машин постоянного общепромышленного назначения серий П [8] тока Машины серии П состоит из якоря, цилиндрической стальной станины с главными и добавочными полюсами и двух подшипниковых щитов. Машины типов П11-П22 выполняются двухполюсными с одним или двумя добавочными полюсами, П40-П62 – четырехполюсными с таким же количеством добавочных полюсов. В машинах защищенного и брызгозащищенного исполнения крышки, закрывающие коллекторные люки, имеют жалюзи, обеспечивающие необходимую защиту. В машинах водозащищенного исполнения люковые крышки глухие. В машинах с самовентиляцией задние щиты имеют вентиляционные отверстия. В зависимости от исполнения машины предусмотрена возможность замены смазки подшипниковых узлов без демонтажа и разборки их, различная конструкция вывода кабелей. Люковые крышки для некоторых исполнений машин имеют дополнительные уплотнения. В машинах применены материалы, класс нагревостойкости которых соответствует перегревам обмоток. Обмотки подвергаются многократной пропитке и покрытию электроизоляционными эмалями. В машинах тропического исполнения применяются изоляционные материалы, обеспечивающие работу машин в условиях тропического климата. 23 Рисунок 3.1 – Машина постоянного тока брызгозащищенного исполнения серии П 1, 19 – винтовая пробка; 2 – крышка; 3, 6, 15, 18 – крышка шарикового подшипника; 4, 17 – пресс-масленка; 5, 16 – шариковый подшипник; 7 – траверса; 8 – передний подшипниковый щит; 9 – коллектор; 10 – станина; 11 – якорь; 12 – винт грузовой (рым-болт); 13 – вентилятор; 14 – задний подшипниковый щит; 20 – добавочный полюс; 21 – главный полюс; 22 – конденсатор; 23 – болт заземления. Рисунок 3.2 – Двухполюсная машина серии П. Разрез 24 Рисунок 3.3 – Четырехполюсная машина серии П горизонтального брызгозащищенного исполнения. Разрез (обозначения на рис.3.2) 3.2 Порядок разборки и сборки двигателя (рис.3.2, 3.3) Разборку машин производить в следующем порядке: 1. Отсоединить от машины все провода, подведенные к ней. 2. Отсоединить машину от спаренного с ней механизма. 3. Закрепив строп за грузовой винт (рем-болт) 12 (см. рис.2,3), снять машину с фундамента или салазок. 4. Снять муфту при помощи стяжного приспособления. 5.Снять крышку с коллекторных люков переднего щита, ослабить болты, крепящие траверсу 7. 6. Поднять щетки и отсоединить кабели от траверсы. 7. Снять крышку 3 подшипника переднего щита. 8. Избегая перекосов, снять передний подшипниковый щит 8, используя нарезные отверстия для отжимных винтов. В машинах, где нет нарезных отверстий, щит снять легкими ударами деревянного или металлического молотка через деревянную прокладку по борту щита. 9. Отжать задний подшипниковый щит 14 от расточки станины 10, пользуясь отжимными винтами. 10. Не повредив обмотки, вынуть из машины якорь 11 вместе с задним подшипниковым щитом, предварительно обернув бумагой коллектор 9. 11. При необходимости снять траверсу на расточки щита. 25 При разборке машины подшипники 5, 16 снимать с вала не следует, они снимаются только для замены. Сборку машины производить в порядке, обратном разборке. При сборке машин, в которых предусмотрена замена смазки без разборки, с помощью фиксирующей шпильки следить за тем, чтобы паз для прохода смазки, имеющейся во внутренних крышках 5, 16 подшипника переднего и заднего подшипниковых щитов, совпадал с отверстием для прохода смазки в самом щите. Перед сборкой машин проверить сопротивление обмоток и прочность изоляции. Проверить зазоры между добавочными 20 и главными 21 полюсами и якорем, величина которых указана в паспорте на машину. При необходимости снять задний щит с подшипника, отделив крышку 18 подшипника. Якорь положить на верстак, свесив вентилятор 13. Траверсу установить по метке, поставленной на ней и на подшипниковом щите. Разборка машин других исполнений производится в аналогичном порядке. 4 НЕИСПРАВНОСТИ, ПЕРЕЧЕНЬ ВОЗМОЖНЫХ ДЕФЕКТОВ И ВИД РЕМОНТА 4.1 Дефектация машины постоянного тока Дефектация машин постоянного тока проводится аналогично асинхронным двигателям. Специфичным для машин постоянного тока является наличие коллектора и щёточного механизма. Характерные неисправности отдельных узлов машины постоянного тока и виды ремонта их приведены ниже. 4.2 Перечень возможных дефектов и вид ремонта 4.2.1. Корпус машины и полюсные башмаки. 26 Корпус машины постоянного тока - смятие; забоины; заусеницы цилиндрических выточек под крышки; срыв резьбы в отверстии под винт «массы»; повреждение изоляции выводных болтов; срыв резьбы выводных болтов (трещины, искажение цилиндрической поверхности, обращенной к якорю, повреждение посадочных мест под крышки, которые нарушают прочность соединения крышки с корпусом - капитальный ремонт, в остальных случаях - текущий ремонт); полюсные башмаки-задиры; выработка и заусеницы на цилиндрической поверхности, обращенной к якорю; срыв резьбы под винт крепления башмака к корпусу машины (при наличии погнутости полок цилиндрической поверхности, обращенной к якорю и при повторном срыве резьбы в отверстии крепления башмака - капитальный ремонт, в остальных случаях - текущий ремонт). 4.2.2. Крышки (подшипниковые щиты). Крышки (подшипниковые щиты) машин постоянного тока могут иметь следующие неисправности: сколы; забоины, заусеницы на цилиндрическом буртике, которым они сопрягаются с корпусом; износ гнёзд под шарикоподшипники; поломку установочных штифтов; трещины и изломы краёв крышек; износ отверстий в ушках крепления машины постоянного тока; срыв резьбы в отверстиях. Кроме того, у крышки со стороны коллектора могут быть поломка или ослабление пружины щёткодержателя, ослабление крепления щёткодержателя, повреждение изоляции под щёткодержателем (при наличии трещин, проходящих через гнездо подшипника, обломке ушка крепления машины постоянного тока, повреждении цилиндрического буртика, нарушающего плотность посадки крышки в корпусе, износе посадочных мест под шарикоподшипники - капитальный ремонт, в остальных случаях - текущий ремонт). 4.2.3. Якорь машины постоянного тока. Повреждение железа якоря; задиры и сдвиги пластин; ослабление посадки подшипников; износ шпоночной канавки; обгорание и большой износ поверхности коллектора; замыкание 27 пластин коллектора между собой; увлажнение изоляции обмотки; наружные обрывы и распайка секций; внутренние обрывы в обмотках секций якоря; витковое замыкание в обмотке секции; замыкание обмотки секции на корпус - капитальный ремонт; нарушение геометрически правильной формы коллектора; выступание миканитовой изоляции между пластинами коллектора (глубина залегания должна быть 0,5-1,5 мм); шероховатости; пятна; мелкие царапины на поверхности коллектора - текущий ремонт. 4.2.4. Обмотка возбуждения. Повреждение наружной изоляции; обрыв вывода; повреждение изоляции вывода катушки; обрыв провода между катушками - текущий ремонт. Короткое замыкание между витками, обрыв, замыкание на корпус - капитальный ремонт. 4.2.5. Щётки. Трещины и сколы на рабочей поверхности щётки; износ боковых поверхностей щёток (зазор между щёткой и обоймой должен быть наибольший - 0,5мм, наименьший - 0,2мм); обрыв или уменьшение сечения токопроводящего провода щётки; механические повреждения щёткодержателя - текущий ремонт. Определение неисправностей механической части для машин постоянного тока производится визуально или путём проведения простейших измерений. Более сложно выявляются неисправности электрической части. Работу по определению их следует выполнять в следующем порядке. 1. Измерить мегаомметром сопротивление изоляции (руководствоваться заводской документацией на прибор). Оно должно быть не менее 4 МОм. Пониженное сопротивление изоляции указывает на то, что обмотка увлажнена. 2. Используя аппарат ЕЛ-15 проверить отсутствие витковых замыканий в обмотке якоря. Аппарат ЕЛ-15 электронное устройство, применяемое при изготовлении и ремонте электрических машин. В приборе генератор импульсов вырабатывает импульсы испытательного напряжения частотой 28 100 Гц, амплитуда которых плавно регулируются. Импульсы подаются в испытываемые обмотки и в блок развёртки луча, импульсы, прошедшие через обмотку, сравниваются на экране электроннолучевой трубки. Если одна из обмоток имеет дефект, то импульсы, прошедшие через неё уменьшаются по амплитуде, и на экране будет наблюдаться раздвоение. Для нахождения паза с короткозамкнутыми витками в машине постоянного тока (в якоре) нужно использовать приспособление с двумя П-образными электромагнитами. Для этого катушку неподвижного электромагнита (100 витков) присоединяют к зажимам «ВЫХОДНЫЕ ИМПУЛЬСЫ», а катушку подвижного электромагнита (2000 витков) к зажимам «СИГНАЛ ЯВЛЕНИЯ» (рис. 3.4). Для работы с приспособлением в аппарате необходимо включить выключатель П. Переставляя оба электромагнита с паза на паз по расточке якоря на экране электроннолучевой трубки мы будем наблюдать следующее: при отсутствии в пазу короткозамкнутых витков на экране трубки появится прямая или кривая линия с малыми амплитудами (вследствие слабой индуктивной связи), при наличии в пазу короткозамкнутых витков на экране трубки появятся 2 кривые с большими амплитудами. По этим, кривым и находят паз с короткозамкнутыми витками. Рисунок 3.4 – Схема с двумя П-образными электромагнитами Замыкание обмотки якоря на корпус определяют лампой с источником питания. Один щуп лампы присоединяют к любой пластине коллектора, а другой щуп к сердечнику или валу якоря. Если лампа горит, то обмотка замкнута на корпус. Для проверки наличия обрывов в обмотке якоря машины постоянного тока используют аппарат ЕЛ-15. Зажимы аппарата соединяют с электродами, прижатыми к пластинам коллектора. 29 Два электрода должны быть расположены симметрично по отношению к третьему (рис. 3.5). При проверке электроды переставляют по пластинам коллектора. Симметрия обмоток между каждой парой зажимов обуславливает постоянное включение одинаковых участков обмоток. При отсутствии в обмотках дефектов на экране прибора видна только одна кривая. Рисунок 3.5 – Обследование обмоток якоря машины При проведении измерений нельзя допускать закорачивания между собой проводов, идущих от зажимов «ВЫХОДНЫЕ ИМПУЛЬСЫ» к испытываемым обмоткам, так как это может вывести из строя тиристор VS7. Нельзя также прикасаться к оголённым концам этих выводов. Аналогично проводится обследование обмоток возбуждения. Обрыв в обмотке возбуждения обнаруживают при внешнем осмотре или контрольной лампой, присоединённой к выводным концам обмотки. Замыкание обмотки на корпус определяется при помощи мегаомметра. Для определения наличия витковых замыканий необходимо использовать аппарат ЕЛ-15. 5 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 1. Изучить типы и конструкции двигателей постоянного тока, их деталировку. 2. Изучить порядок сборки и разборки двигателей, перечень возможных неисправностей (дефектов) и их ремонт. 30 3. Описать и проанализировать неисправности машины постоянного тока. Результаты представить в виде дефектовочной ведомости (таблица 1): Таблица 1 - Результаты осмотра машины постоянного тока Паспортные данные: …….. Наименование узлов и Обнаруженные Рекомендуемый деталей машины неисправности способ ремонта Корпус машины и полюсные башмаки Крышки (подшипниковые щиты) и т. д. Общее заключение. Содержание работы и порядок выполнения дефектации Дефектация машины постоянного тока при ремонте проводится с целью определения характера и объёма ремонта. Все неисправности электрической и механической частей заносятся в специальную ведомость, которая служит основой для выдачи нарядов на выполнение ремонтных работ. Порядок выполнения 1. Осмотреть машину постоянного тока, записать её паспортные данные. 2. Провести дефектацию машины до разборки. 3. Разобрать машину постоянного тока. 4. Выполнить дефектацию машины после разборки. 5. Заполнить дефектировочную ведомость. Требования безопасной работы Работа выполняется с соблюдением Инструкции по технике безопасности в лаборатории кафедры «Автоматизация электро- и теплоэнергетических комплексов». Кроме того, необходимо соблюдать следующие требования: 1. Для присоединения мегаомметра к измеряемым цепям применять изолированные провода, имеющие на концах изолирующие рукоятки с зажимами. 31 2. Измерения мегаомметром проводят 2 человека, один из которых вращает ручку мегаомметра, а другой подключает аппарат к измеряемым участкам схемы. 3. Любые переключения схемы проводить после отключения её от сети, 6 ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ Выводы по работе должны формулироваться кратко и отражать основные моменты проведенного исследования. 7 ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА Отчет должен включать: 1. Цель и задачи работы. 2. Схему и краткое описание двигательной установки. 3. Порядок проведения работ по сборке (разборке). 4. Выводы по работе. 5. Список используемой литературы. 8 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Каково назначение коллектора в генераторе и двигателе? 2. Почему станину машины постоянного тока делают из стали? 3. Каково назначение конусных шайб в коллекторе? 4. Зачем в коллекторе на пластмассе применяют армирующие кольца? 5. В чем принципиальное отличие обмоток якоря от обмоток статора бесколлекторных машин переменного тока? 6. Какими параметрами характеризуется обмотка якоря? 7. Сколько параллельных ветвей имеет обмотка якоря шестиполюсной машины в случаях простой петлевой и простой волновой обмоток? 32 8. Во сколько раз изменится ЭДС обмотки якоря шестиполюсной машины, если простую волновую обмотку заменить простой петлевой при том же числе секций? 9. Что такое магнитная несимметрия и каковы ее последствия? 10. Какие участки содержит магнитная цепь машины постоянного тока? 11. В чем сущность явления реакции якоря машины постоянного тока? 12. Почему МДС якоря, действующая по поперечной оси, вызывает размагничивание машины по продольной оси? 13. Как учитывается размагничивающее действие реакции якоря при расчете числа витков полюсной катушки обмотки возбуждения? 14. С какой целью компенсационную обмотку включают последовательно с обмоткой якоря? 15. Почему с увеличением воздушного зазора ослабляется размагничивающее влияние реакции якоря? 16. Какие способы возбуждения применяют в машинах постоянного тока? 17. Какие причины могут вызвать искрение на коллекторе? 18. Какие степени искрения предусмотрены ГОСТом? Дайте каждой из них характеристику и укажите условия допустимости. 19. Почему прямолинейная коммутация не сопровождается искрением? 20. Какие причины, вызывающие искрение, возникают при замедленной коммутации? 21. Объясните назначение и устройство добавочных полюсов. 22. Каковы причины, способные вызвать круговой огонь по коллектору? 23. Как можно снизить уровень радиопомех в коллекторной машине? 24. Какие характеристики определяют свойства генераторов постоянного тока? 25. Почему у генератора параллельного возбуждения изменение напряжения при сбросе нагрузки больше, чем у генератора независимого возбуждения? 33 26. Каковы условия самовозбуждения генераторов постоянного тока? 27. При каком включении обмоток возбуждения генератора смешанного возбуждения напряжение на зажимах потребителя сохраняется практически неизменным? 28. Какие причины могут вызвать искрение на коллекторе? 29. Какие степени искрения предусмотрены ГОСТом? Дайте каждой из них характеристику и укажите условия допустимости. 30. Почему прямолинейная коммутация не сопровождается искрением? 31. Какие причины, вызывающие искрение, возникают при замедленной коммутации? 32. Объясните назначение и устройство добавочных полюсов. 33. Каковы причины, способные вызвать круговой огонь по коллектору? 34. Как можно снизить уровень радиопомех в коллекторной машине? 35. Какие характеристики определяют свойства генераторов постоянного тока? 36. Почему у генератора параллельного возбуждения изменение напряжения при сбросе нагрузки больше, чем у генератора независимого возбуждения? 37. Каковы условия самовозбуждения генераторов постоянного тока? 38. При каком включении обмоток возбуждения генератора смешанного возбуждения напряжение на зажимах потребителя сохраняется практически неизменным? 39. Какие способы ограничения пускового тока применяются в двигателях постоянного тока? 40. С какой целью при пуске двигателя параллельного возбуждения сопротивление реостата в цепи возбуждения устанавливают минимальным? 41. Сравните двигатели параллельного и последовательного возбуждения по их регулировочным свойствам. 42. При каких условиях в двигателе постоянного тока возникнет режим рекуперативного торможения? 34 43. Сравните способы торможения двигателей постоянного тока с точки зрения их экономичности. 44. Какова разница в конструкции коллекторных двигателей постоянного и переменного тока 45. Каково назначение компенсационной обмотки в ЭМУ? 46. Почему выходная характеристика тахогенератора криволинейна? 47. Каково назначение датчика положения ротора в вентильном двигателе? 48. Будет ли работать БДПТ, если изменить полярность напряжения на его входе? 49. Объясните принцип якорного и полюсного способов управления исполнительными двигателями. 50. Каковы достоинства и недостатки малоинерционного двигателя постоянного тока? СПИСОК РЕКОМЕНДОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ Основная 1. Кацман М.М. Электрические машины. - М.: Высшая школа, 2017. - 463 с. - URL: https://archive.org/details/2017_20221120 . 2. Кацман М.М. Руководство к выполнению лабораторных работ по электрическим машинам и электрическому приводу. - М.: Академия, 2016. – 250 с. URL: https://shetlnr.ru/files/6y3G165GCcuNNbGhio7dalaXcFSP.pdf 3. Шевырев Ю. В. Электрические машины : учебник / Ю. В. Шевырев. – М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 2017. - 261 с. - ISBN 978-5-906846-50-1. Текст : электронный. URL: https://znanium.com/catalog/product/1246467 3. Попова И. С. Электрические машины : асинхронные машины : учебное пособие / И. С. Попова. - Москва : Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 2017. - 27 с. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1246187 4. Анисимова, М. С. Электрические машины : машины постоянного тока : учебное пособие / М. С. Анисимова. - Москва : Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 2017. - 27 с. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1246189 35 5. Ионов А. А. Электрические машины : задачник : учебное пособие / А. А. Ионов. – Самара : СамГУПС, 2019. - 115 с. - Текст : электронный // Лань : электронно-библиотечная система. - URL: https://e.lanbook.com/book/145823 6. Глазков А. В. Электрические машины. Лабораторные работы : учеб. пособие / А.В. Глазков. – М. : РИОР : ИНФРА-М, 2019. - 96 с. (Среднее профессиональное образование). www.dx.doi.org/10.12737/1757. - ISBN 978-5-369-01312-0 - Текст: электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1004381 . Дополнительная 7. Зарандия Ж. А. Электрические машины и электропривод в электроэнергетике: учебное электронное издание : уч. пособие / Ж. А. Зарандия, Е. А. Печагин, Н. П. Моторина ; Тамбовский государственный технический университет. – Тамбов : Тамбовский государственный технический университет (ТГТУ), 2018. – 113 с. – URL: https://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=570586 – Библиогр. в кн. – ISBN 978-5-8265-1889-2. – Текст : электронный. 8. Машины постоянного тока серии П. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. – М.: Внешторгиздат, 1980. 9. Волдек А.И. Электрические машины. - Л.: Энергия. 2010. – 832 с. – Режим доступа: https://www.elec.ru/library/nauchnaya-itehnicheskaya-literatura/elektricheskie-mashiny-voldek/ 10. Дьяков В.И. Типовые расчеты по электрооборудованию. - М.: Высшая школа. - 2011.– 160 с. https://www.elec.ru/library/nauchnayai-tehnicheskaya-literatura/raschety-po-elektrooborudovaniyu/ 11. Пиотровский Л.М. Электрические машины. - М.: Госэнергоиздат.- 2003. – 504 с. – Режим доступа: https://urss.ru/cgibin/db.pl?lang=Ru&blang=ru&page=Book&id=279976. 12. Токарев Б.Ф. Электрические машины. - М.: Энергоатомиздат, 2000. – 312 с. – Режим доступа: https://www.livelib.ru/book/1001296937-elektricheskie-mashiny-boristokarev 36 ПРИЛОЖЕНИЕ А Серии машин постоянного тока A1. Серия 4П. Стремительное развитие автоматизации производства привело к необходимости создания двигателей постоянного тока, обладающими широким диапазоном регулирования частоты вращения (до 1:1000) и хорошими динамическими свойствами. Для удовлетворения этих требований была разработана серия двигателей постоянного тока АП. Серия включает двигатели следующих модификаций. Двигатели типа АПО и АПБ охватывают диапазон мощности от 0,126 до 5,5 кВт при номинальной частоте вращения от 750 до 3000 об/мин. Двигатели допускают регулирование частоты вращения вниз от номинальной уменьшением напряжения на обмотке якоря при снижении тока до 0,5 Iном, а также вверх от номинальной (уменьшением тока возбуждения) в пределах максимальной частоты вращения, которая превышает номинальную в среднем в 1,35 - 1,8 раза. Конструкция этих двигателей унифицирована с асинхронными двигателями серии 4А. Это позволило применить для производства некоторых узлов двигателей типа АПО и 4ПБ технологическое оборудование, используемое в производстве асинхронных двигателей серии 4А. В унифицированной конструкции этих двигателей магнитопровод статора неявнополюсный с распределенными в пазах обмотками (рис. А1). Так, обмотка возбуждения (независимая) укладывается в два паза в пределах каждого полюсного деления, остальные пазы занимает компенсационная обмотка. В двигателях типа 4ПО и 4АПБ и двигателях серии 4А одинакового габарита могут быть применены одинаковые станины, задние подшипниковые щиты, коробки выводов, подшипники и т. п. Применение распределенных обмоток на статоре двигателей типа АПО и 4ПБ улучшило процесс охлаждения и позволило увеличить токовые нагрузки на обмотки возбуждения и компенсационную. Кроме того, распределенная конструкция обмоток статора способствует лучшей компенсации реакции якоря и улучшению коммутации. 37 Двигатели постоянного тока типов 4ПО и 4АПБ имеют закрытое исполнение со степенью защиты IР44 со способами охлаждения IС0141 (наружный обдув) в двигателях типа А4ПО (см. рис. А1) и IС0041 (естественное охлаждение) в двигателях типа АПБ. 1 - вентилятор; 2 - кожух вентилятора; 3 - щит подшипниковый передний; 4 - траверса; 5 - щетки; 6 - корпус; 7 - магнитопровод статора с распределенными обмотками; 8 - коробка выводов; 9 - сердечник якоря Рисунок А1 - Двигатель постоянного тока типа А4АПО унифицированной конструкции Широкорегулируемые двигатели типа 4ПФ предназначены для привода станков с программным управлением, роботизированных производственных комплексов. Исполнение двигателей по степени защиты IР23 (защищенные), способ охлаждения IС06 (независимая вентиляция). Двигатели охватывают диапазон номинальных мощностей от 2,0 до 250 кВт при высотах оси вращения от 112 до 250 мм. Напряжение питания 220 и 440 В. Регулирование частоты вращения возможно изменением подводимого к обмотке якоря напряжения от 0 до 460 В. Допускается также регулирование частоты вращения ослаблением поля возбуждения (уменьшением тока в обмотке возбуждения). Статор двигателей - восьмигранный шихтованный, явнополюсный (рис. А2). Пакет статора запрессован между двумя нажимными плитами толщиной 10 мм. Подшипниковые щиты литые чугунные. 38 1- траверса; 2- вентилятор с независимым приводом; 3 – коллектор; 4 – обмоткодержатель; 5 – нажимная плита; 6 – крышка подшипника (подшипниковый щит); 7- обмотка компенсационная; 8 – дополнительный полюс; 9 – статор; 10 – обмотка параллельного возбуждения; 11- балансировочное кольцо. Рисунок А2 - Двигатель постоянного тока серии 4П с высотой оси вращения 180 мм типа 4ПФ Приведенная схема двигателя постоянного тока независимого возбуждения содержит дополнительные полюса с активным сопротивлением Rдп и компенсационную обмотку с активным сопротивлением Rко (рис.А3). Двигатели постоянного тока выполняют с дополнительными полюсами с целью улучшения процессов коммутации. Компенсационная обмотка в машинах постоянного тока обеспечивает компенсацию поперечной составляющей реакции якоря. М – обмотка якоря двигателя; LM – обмотка возбуждения (ОВ); U – напряжение обмотки якоря, В; I – ток обмотки якоря, А; E – ЭДС обмотки якоря, В; Rоя активное сопротивление обмотки якоря, Ом; Rд – добавочное сопротивление цепи обмотки якоря, Ом; U – напряжение обмотки возбуждения, В. Рисунок А3 - Приведенная схема двигателя постоянного тока независимого возбуждения 39 Катушки обмотки возбуждения намотаны на главные полюса, катушки обмотки добавочных полюсов надеты на добавочные полюса, компенсационная обмотка расположена в пазах полюсных наконечников. Наружный вентилятор может быть снабжен фильтром для очистки воздуха от пыли и мелких частиц. Вентилятор расположен на боковой или торцевой поверхности со стороны коллектора. Крупные двигатели 4П для тяжелых условий работы предназначены для привода крупных металлорежущих станков, механизмов металлургического производства, с частыми пусками, остановками, реверсами, набросами и неравномерностью нагрузки. Двигатели изготовляют с высотой оси вращения 355 и 450 мм мощностью от 110 до 800 кВт; напряжение питания 440 и 600 В. Возбуждение независимое напряжением 220 В. Вентиляция от постороннего вентилятора. Двигатели имеют степень защиты IР44 и IР23. A2. Серия 2П. Эта серия включает двигатели и генераторы постоянного тока. Двигатели этой серии заменяют двигатели постоянного тока серий П, ПС, ПБС и ПР, снятые с производства, так как имеют более высокую перегрузочную способность, улучшенные динамические свойства и более широкий диапазон регулирования частоты вращения. Двигатели серии 2П изготовляют с высотами оси вращения от 90 до 315 мм. Двигатели, в обозначении которых имеется буква Г, укомплектованы встроенным тахогенератором (см. 30.2 [1]), который может быть использован в схеме автоматического регулирования или стабилизации частоты вращения. Двигатели предназначены для включения в сеть на напряжение 110, 220 и 440 В. Генераторы серии 2П изготовляют с высотой оси вращения от 100 до 315 мм мощностью от 0,37 до 180 кВт при номинальных частотах вращения 1000, 1500 и 3000 об/мин на номинальные напряжения 115, 230 и 460 В. Они могут иметь смешанное, параллельное и независимое способы возбуждения. Допускается регулирование напряжения на выходе от номинального до нуля при независимом возбуждении, от номинального до 0,5Uном при 40 параллельном возбуждении, от номинального до 0,8Uном при смешанном возбуждении. A3. Двигатели постоянного тока серии Д предназначены для применения в электроприводе крановых и экскаваторных механизмов, а также механизмов металлургического производства с тяжелыми условиями работы (частые пуски, остановки, реверсы, торможения). Двигатели изготовляют мощностью от 2,5 до 185 кВт. Способы возбуждения: последовательное, смешанное или независимое; напряжение питания 220 и 440 В. Двигатели серии Д обладают малым моментом инерции и допускают регулирование частоты вращения в широких пределах. При этом максимально допустимая частота вращения примерно в три раза превышает номинальную. Изоляция обмоток двигателей серии Д имеет класс нагревостойкости Н (см. раздел 18.2 [1]). 41 ПРИЛОЖЕНИЕ Б Исполнительные двигатели постоянного тока Исполнительные двигатели постоянного тока, так же как исполнительные асинхронные двигатели (см. 17.4 [1]), применяются в системах автоматики для преобразования электрического сигнала в механическое перемещение. К. исполнительным двигателям предъявляется ряд специфических требований, из которых основными являются отсутствие самохода и малоинерционность (см. 17.4 [1]). Почти все исполнительные двигатели (исключение составляют лишь двигатели с постоянными магнитами) имеют две обмотки. Одна из них постоянно подключена к сети и называется обмоткой возбуждения, а на другую - обмотку управления - электрический сигнал подается, когда необходимо привести двигатель во вращение, От величины напряжения управления зависят частота вращения и вращающий момент исполнительного двигателя, а следовательно, и развиваемая им механическая мощность. Исполнительные двигатели постоянного тока по конструкции отличаются от двигателей постоянного тока общего назначения только тем, что имеют шихтованные (набранные из листов электротехнической стали) якорь, станину и полюса, что необходимо для работы исполнительных двигателей в переходных режимах. Магнитная цепь исполнительных двигателей не насыщена, поэтому реакция якоря (см. 26.2 [1]) практически не влияет на их рабочие характеристики. В качестве исполнительных двигателей постоянного тока в настоящее время применяют чаще всего двигатели с независимым возбуждением, реже - двигатели с постоянными магнитами. У двигателей с независимым возбуждением в качестве обмотки управления используют либо обмотку якоря - двигатели с якорным управлением, либо обмотку полюсов - двигатели с полюсным управлением. У исполнительных двигателей с якорным управлением обмоткой возбуждения является обмотка полюсов, а обмоткой управления - обмотка якоря (рис. Б1,а). Обмотку возбуждения подключают к сети с постоянным напряжением Uв, на все время работы автоматического устройства. На обмотку управления 42 подают сигнал (напряжение управления) лишь тогда, когда необходимо вызвать вращение якоря двигателя. От напряжения управления зависят вращающий момент и частота вращения двигателя. При изменении полярности напряжения управления меняется направление вращения якоря двигателя. У исполнительных двигателей с полюсным управлением обмоткой управления является обмотка полюсов, а обмоткой возбуждения - обмотка якоря (рис.Б1,б). Якорь двигателя постоянно подключен к сети с напряжением Uв = const. Для ограничения тока иногда последовательно с якорем включают добавочный резистор сопротивлением RД. На обмотку полюсов напряжение управления UУ, (сигнал) подают, когда необходимо вызвать вращение якоря. Рисунок Б1 - Схемы включения исполнительных двигателей постоянного тока Исполнительные двигатели постоянного тока обычной конструкции имеют существенный недостаток - замедленность переходных процессов, т.е. отсутствие малоинерционности. Объясняется это в основном двумя причинами: 1) наличием массивного якоря со стальным сердечником, обладающим большим моментом инерции J2; эта причина вызывает увеличение электромеханической постоянной времени Тэм ≈ 0,105J2n0 / Мпуск; 2) значительной индуктивностью обмотки якоря Г,, активные стороны которой уложены в пазы сердечника якоря; эта причина способствует увеличению электромагнитной постоянной времени Т = La/Σr. 43 Указанные недостатки отсутствуют в двигателях с гладким (полым) якорем (рис. Б2). Рисунок Б2 - Малоинерционный исполнительный двигатель постоянного тока с полым якорем Станина 1 и полюса 3 этого двигателя обычные. Возбуждение двигателя осуществляется либо с помощью обмотки возбуждения 2, либо постоянными магнитами. Для уменьшения момента инерции якоря его обмотка отделена от массивного ферромагнитного сердечника, последний выполнен неподвижным (внутренний статор 5) и расположенным на цилиндрическом выступе подшипникового щита 6. Обмотка якоря в процессе изготовления укладывается на цилиндрический каркас, а затем заливается пластмассой. Готовый якорь 4 представляет собой полый стакан, состоящий из проводников обмотки, связанный воедино пластмассой. Концы секций обмотки, как и в обычном двигателе, соединяются с пластинами коллектора, который является частью дна полого стакана якоря 4. Вращающийся узел двигателя с гладким якорем состоит из вала, коллектора и обмотки якоря, залитой пластмассой. Момент инерции полого якоря значительно меньше момента инерции обычного якоря, что обеспечивает хорошее быстродействие двигателя. Кроме того, индуктивность обмотки падает, что также обеспечивают повышение быстродействия двигателя. К тому же такое же снижение индуктивности обмотки 44 улучшает коммутацию двигателя за счет реактивной ЭДС (см. 27.4 [1]). Недостаток рассмотренного малоинерционного двигателя с полым якорем - наличие большого немагнитного промежутка между полюсами статора и неподвижным ферромагнитным сердечником – внутренним статором. Этот промежуток складывается из двух воздушных зазоров и толщины стакана якоря (толщина слоя обмотки якоря). Наличие большого немагнитного промежутка на пути магнитного потока требует значительного увеличения МДС возбуждения, что приводит, во-первых, к увеличению габаритов двигателя из-за увеличения объема обмотки возбуждения, а во-вторых, к росту потерь на нагрев обмотки возбуждения. Однако КПД двигателя с полым якорем вследствие отсутствия потерь в стали сердечника якоря практически находится на том же уровне, что и в обычных двигателях, а в случае применения для возбуждения постоянных магнитов значительно превосходит КПД последних. 45
