Устройство и принцип действия синхронного электрического двигателя

Устройство и принцип  действия синхронного эл.двигателя.

Синхронные машины –  это машина переменного тока, у  которой ротор вращается со скоростью, равной скорости вращения магнитного поля статора.

  Синхронные машины, как и другие типы электрических  машин, обладают свойством обратимости,  т.е. они могут работать как  в режиме генератора так и в режиме двигателя.

  Конструкция синхронного  двигателя мало отличается от  конструкции синхронного генератора. На статоре синхронного двигателя  расположена трёхфазная обмотка,  питаемая трёхфазным током. Ротор  синхронного двигателя, обычно  явнополюсной, имеет обмотку возбуждения, которая получает постоянный ток от специального генератора постоянного тока возбудителя.  

Если обмотку статора  включить в сеть трехфазного тока, то внутри статора возникает вращающееся  магнитное поле. При подаче постоянного  тока в обмотку возбуждения, ротор  будет оставаться неподвижным, т.к. силы взаимодействия между полюсами вращающегося поля и полюсами ротора будут направлены поочередно то в одну, то в другую сторону. Поэтому ротор, обладающий определенной массой и инерцией, не может тронуться с места и развить необходимую скорость.

Отсутствие начального пускового момента является большим  недостатком синхронных двигателей.

 Для того, чтобы двигатель пришел во вращение нужно осуществить разгон ротора, до скорости, близкой к синхронной. Только в этом случае начнут взаимодействовать поля статора и ротора, в результате чего ротор будет вращаться со скоростью ,равной скорости поля статора, т.е. синхронно.  Для этого применяют вспомогательный разгонный асинхронный двигатель. Однако этот способ ввиду его сложности и высокой стоимости используют очень редко. Обычно применяют асинхронный пуск двигателя - снабжают ротор синхронного двигателя пусковой короткозамкнутой обмоткой типа «беличьей клетки». Т.к. во время пуска в обмотке возбуждения 1 двигателя наводится большая э.д.с. и напряжение на зажимах оказывается весьма значительным, то по соображениям безопасности она замыкается рубильником 2 на сопротивление 3.

При подаче напряжения трехфазной сети к  обмотке статора 4 возникает  вращающееся магнитное поле, которое, пересекая короткозамкнутую (пусковую) обмотку 5, заложенную в полюсных наконечниках ротора, индуктирует в ней токи. Эти токи, взаимодействуя с вращающимся  полем статора, приведут ротор во вращение. При достижении ротором  наибольшей скорости рубильник 2 переключают  так, чтобы обмотку ротора включить в сеть постоянного напряжения.

Недостатком асинхронного пуска является большой пусковой ток (в 5 – 7 раз больше номинального тока). Для уменьшения пускового  тока применяют пуск при пониженном напряжении с помощью автотрансформатора.

Рис.1 Схема асинхронного пуска синхронного двигателя.

Рис.2 Принцип действия реактивного синхронного двигателя.

Схема подключения реверсивного магнитного пускателя.

В том случае, когда необходимо использовать два направления вращения электродвигателя, применяют реверсивный  магнитный пускатель, принципиальная схема которого изображена на рис. 2, а.

Рис. 2,а. Схемы включения реверсивного магнитного пускателя

Принцип действия схем включения  реверсивного магнитного пускателя.

Для изменения направления  вращения асинхронного электродвигателя необходимо изменить порядок чередования  фаз статорной обмотки.

В реверсивном магнитном  пускателе используют два контактора: КМ1 и КМ2. Из схемы видно, что при случайном одновременном включении обоих контакторов в цепи главного тока произойдет короткое замыкание. Для исключения этого схема снабжена блокировкой.

Если после нажатия  кнопки SB3 «Вперед» к включения контактора КМ1 нажать кнопку SB2 «Назад», то размыкающий контакт этой кнопки отключит катушку контактора КМ1, а замыкающий контакт подаст питание в катушку контактора КМ2. Произойдет реверсирование электродвигателя.

Электрическая схема цепи управления реверсивного пускателя  с блокировкой на вспомогательных  размыкающих контактах изображена на рис. 2, б.

В этой схеме включение одного из контакторов, например КМ1, приводит к размыканию цепи питания катушки другого контактора КМ2. Для реверса необходимо предварительно нажать кнопку SB1 «Стоп» и отключить контактор КМ1. Для надежной работы схемы необходимо, чтобы главные контакты контактора КМ1 разомкнулись раньше, чем произойдет замыкание размыкающих вспомогательных контактов в цепи контактора КМ2. Это достигается соответствующей регулировкой положения вспомогательных контактов по ходу якоря. В серийных магнитных пускателях часто применяют двойную блокировку по приведенным выше принципам. Кроме того, реверсивные магнитные пускатели могут иметь механическую блокировку с перекидным рычагом, препятствующим одновременному срабатыванию электромагнитов контакторов. В этом случае оба контактора должны быть установлены на общем основании.

Схема реверсивного пускателя.

Трансформатор тока и трансформатор напряжения.

Измерительные трансформаторы. Они служат для расширения пределов измерения приборов в цепях переменного тока, а также для электрического разделения измерительных цепей от цепей высокого напряжения. Различают трансформаторы тока и напряжения.

 Трансформаторы напряжения. Это обычные трансформаторы небольшой мощности, в которых на первичную обмотку подают измеряемое напряжение, а во вторичную - - включают вольтметр и катушки напряжения ваттметров, счетчиков и др. Сопротивление этих приборов высокое, поэтому трансформаторы напряжения работают в режиме, близком к холостому ходу.

Рис.3 Схемы включения измерительных трансформаторов

Номинальное напряжение первичной  обмотки соответствует одному из напряжений стандартного ряда (6, 10 кВ и  т.д.); номинальное вторичное напряжение — 100 В.

Трансформаторы  тока. Первичная обмотка этих трансформаторов, состоящая из одного или нескольких витков, включается в цепь измеряемого тока, а во вторичную обмотку включают соединенные последовательно амперметр и токовые катушки ваттметра, счетчика и другие, имеющие весьма малое сопротивление. Поэтому трансформатор тока работает в режиме, близком к режиму к.з.Запрещается размыкать вторичную обмотку работающего трансформатора тока, а также устанавливать в ней предохранители! При разрыве ее цепи магнитная индукция в магнитопроводе резко возрастает, что приводит к чрезмерному нагреву его, а также к значительному повышению напряжения на вторичной обмотке, представляющему опасность для обслуживающего персонала и изоляции.

Трансформаторы тока выпускаются  на номинальные первичные токи от 5 до 15000 А. Номинальный вторичный ток 5 А.Один из выводов вторичной обмотки, а также магнитопровод и кожух трансформаторов тока и напряжения заземляются для безопасности обслуживающего персонала на случай пробоя изоляции первичной обмотки.

Коэффициент абсорбции.

Сопротивление изоляции (Rиз)- это параллельное подключение внутреннего сопротивления, зависящего от материала изоляции, и поверхностного сопротивления, зависящего от чистоты поверхности. Наличие внутренних и внешних дефектов (повреждения электрические, механические и термические, химическая агрессия, увлажнение, поверхностное загрязнение) снижает сопротивление. Измерения выполняются постоянным током для того, чтобы минимизировать влияние емкости на результат измерения. Сопротивление изоляции (Rиз ) определяется по формуле:  Rиз = Uпр/Iут .

Где Iут — ток утечки, проходящий через изоляцию, при приложении к ней выпрямленного напряжения Uпр. Определяемое сопротивление изоляции зависит от времени с момента приложения напряжения. Важным показателем состояния изоляции является коэффициент абсорбции (Кабс), который определяет увлажнение изоляции.

 Коэффициент абсорбции — это отношение Rиз, измеренного мегомметром через 60 секунд с момента приложения напряжения, к Rиз, измеренного через 15 секунд после начала приложения испытательного напряжения от мегомметра:    Кабс = R60/R15

Если изоляция сухая, то коэффициент  абсорбции значительно превышает  единицу, в то время как у влажной  изоляции коэффициент абсорбции  близок к единице. Основным показателем  состояния изоляции является коэффициент  поляризации (Кпол), который определяет степень старения изоляции. Коэффициент поляризации — это отношение Rиз, измеренного мегомметром через некоторый отрезок времени, к Rиз, измеренного через 60 секунд после начала приложения испытательного напряжения от мегомметра. Кпол = R61…600/R60

Защитное заземление.

  Защитное заземление  – преднамеренное электрическое  соединение с землей или ее  эквивалентом металлических нетоковедущих  частей, которые могут оказаться  под напряжением вследствие замыкания  на корпус и по другим причинам (индуктивное влияние соседних  токоведущих частей, вынос потенциала, разряд молнии и т. п.).

 Назначение защитного заземления — устранение опасности поражения током в случае прикосновения к корпусу электроустановки и другим нетоковедущим металлическим частям, оказавшимся под напряжением вследствие замыкания на корпус и по другим причинам. Защитное заземление применяют в трехфазных сетях с изолированной нейтралью.

Зануление.

Зануление - это преднамеренное электрическое соединение открытых проводящих частей электроустановок с глухозаземленной нейтральной точкой генератора или трансформатора в сетях трехфазного тока, с глухозаземленным выводом источника однофазного тока, с заземленной точкой источника в сетях постоянного тока, выполняемое в целях электробезопасности. Зануление применяют в трехфазных четырехпроводных сетях с глухозаземленной нейтралью.

Сушка электродвигателя.

Все    новые    электродвигателя,    а    также    электродвигатели,    у    которых сопротивление изоляции не удовлетворяет требованиям, перед пуском должны быть подвергнуты сушке. Это необходимо производить в том случае, если сопротивление изоляции обмоток по отношению к корпусу, а также и между изолированными друг от    друга    обмотками    окажется    удовлетворительным,    так    как    измерением сопротивления корпусной изоляции нельзя определить сопротивление изоляции. Может оказаться,  что обмотки,  имеющие большое  сопротивление изоляции по отношению к корпусу и друг к другу, между отдельными элементами внутри (между витками)      будут   сырыми.   Включение   этих   двигателей   без   предварительной просушки в ряде случаев ведет к аварии. Электродвигатели, обмотки которых имеют сопротивление изоляции ниже 0,1 Мом, не рекомендуется сушить током ввиду возможности пробоя изоляции на корпус. По усмотрению заказчика новые двигатели после просушки изоляции обмотки статора могут быть подвергнуты поверочному испытанию на электрическую прочность изоляции от корпуса напряжением 0,75 (2U_HOM+1000) в течение одной минуты (обычно такое испытание проводится, если возникают сомнения, что при перевозке двигателя  или хранении двигателя  произошло  повреждение  обмотки статора).  

1.Подготовка электродвигателя к сушке.

До начала сушки  машинное помещение должно быть очищено  от мусора, пыли и грязи. Электродвигатель следует тщательно осмотреть, вычистить и продуть сухим, незагрязненным сжатым воздухом (давлением не более 2 кгс/см). Загрязненные доступные поверхности электродвигателя очистить.

2. Заземление  электродвигателя.

При сушке током корпус электродвигателя должен быть надёжно  заземлен.

3. Вентиляция  во время сушки.

Вентиляция ускоряет процесс сушки, поэтому электродвигатель во время сушки должен по возможности вращаться. При этом следует иметь в виду, что при сильной вентиляции электродвигатель не может нагреваться до необходимой температуры. В     целях     ускорения     сушки     рекомендуется     понижать     число     оборотов электродвигателя,    а   у    электродвигателя    с    принудительной    вентиляцией регулировать количество охлаждающего воздуха.

4. Измерение температуры.

Во время сушки  в нескольких местах на обмотке и  железе, а также в струе выходящего горячего воздуха должны быть поставлены термометры. Шарики термометров, которые устанавливаются на обмотке и железе, нужно обернуть

станиолю, а сверху покрыть  ватой или войлоком. Необходимо следить  за тем, чтобы вата не попадала между шариками термометра и местом  замера.  Термометры должны  быть  надёжно  укреплены,  положение  их  во  время  сушки  не должно меняться.

5.Максимальная допустимая температура.

Во время сушки  железа или обмотки температура  не должна превышать 80 °С по термометру и 100 °С при измерении по методу сопротивления. Метод сопротивления     состоит     в     определении     температуры     обмоток электродвигателя по увеличению их омического сопротивления и даёт среднее значение температуры меди обмоток. При измерении температуры по методу сопротивления превышение температуры медных обмоток в °С над температурой охлаждающей среды вычисляется по следующей формуле:

                                     Rгор - Rхол

                            Т =                             (235+Тхол)+Тхол - Тср

                                         Rхол 

где R_гop- сопротивление нагретой обмотки;

Rхол.- сопротивление холодной обмотки;

Т_хол- температура холодной обмотки;

Т_ср- температура окружающей среды;

Т- превышение температуры над окружающей.

Температура нагрева  обмоток получается как сумма  температур Т и Т_ср_ Сопротивление можно определить методом амперметра и вольтметра, питая обмотки    постоянным    током    низкого    напряжения,     или     соответствующим измерительным мостиком, или омметром.

6. Нагревание.

Нагревание должно происходить постепенно, иначе температура  внутренних частей электродвигателя быстро может достигнуть опасной величины в то время, как нагрев наружных частей и выходящего воздуха будет ещё не значительным. Кроме того, при слишком быстром нагревании электродвигателя может произойти повреждение изоляции обмотки, так как постоянные времени нагрева железа, меди и изоляции обмотки не одинаковы, и при возрастании температур удлинение железа, меди и изоляции происходит неравномерно.

При сушке током  следует повышать ток постепенно, ступенями, чтобы на каждой ступени достигалась вполне установившаяся температура обмоток. Только после этого можно производить дальнейшее увеличение тока.

Совершенно недоступно форсировать  сушку быстрым повышением температуры в начале сушки или превышением максимальной допустимой температуры, так как перегрев (общий или местный) может настолько повредить изоляцию, что значительно сохранится срок службы электродвигателя. Правильной же сушкой можно привести в исправное состояние сильно отсыревшие электродвигатели, которые продолжительное время были залиты водою.

При сушке электродвигателя, работающего при плюсовой температуре охлаждающего воздуха, следует в течение первых 2-3 часов поднимать температуру не выше 50° С.

При сушке двигателя, работающего  при минусовой температуре охлаждающего воздуха, следует в течение 1,5-2 часов  поддерживать температуру не выше 10-20° С, затем постепенно повышать её в течение 2-3 часов до температуры 50° С.

При достижении температуры 50°С следует в дальнейшем повышать температуру постепенно с тем, чтобы температура 80" С, 100 С была достигнута не ранее чем через 7-10 часов.

7. Запись измерений  во время сушки.

Во время сушки  нужно периодически производить  измерение температуры, силы тока, напряжения, числа оборотов и сопротивления изоляции. В начале сушки запись температур следует производить не реже чем через 15 минут, а по достижении установившейся температуры каждый час, но наблюдение за температурой должно быть постоянное, чтобы не было превышена максимально допустимая температура. Необходимо вести протокол сушки и все измерения наносить в виде кривых, так как эти кривые помогают судить об её эффективности.

8. Сопротивление  изоляции.

Сопротивление изоляции можно  правильно измерить только постоянным током. При измерении переменным током возникающие заряды искажают измерение, так как медь обмотки и железо испытуемого электродвигателя, разделенные изоляцией, образуют конденсатор. Для измерения сопротивления изоляции пользуются измерителем изоляции мегомметром, в котором постоянный ток вырабатывается небольшим индуктором, приводимым в движение рукояткой. Необходимо иметь в виду, что у неисправных

аппаратов этого  типа, дающих очень неравномерное  напряжение, пиковое напряжение иногда достигает четырёхкратной величины, вследствие чего измерение становится неточным и, кроме того, изоляция электродвигателя напрасно подвергается действию высокого напряжения. Поэтому для измерения сопротивления изоляции следует применять только проверенные аппараты.

При измерении  сопротивления изоляции электродвигатель должен быть совершенно отключен от сети и распределительного устройства.

Так как обмотки крупных  электродвигателей обладают значительной ёмкостью, требуется некоторое время, пока отклонение стрелки прибора  станет стабильным. Отсчёт значения сопротивления должен производиться только после этого. Измеренное сопротивление может быть различным в зависимости от величины измерительного напряжения, поэтому для правильного суждения о состоянии изоляции всегда следует производить измерения при одинаковом напряжении.

Останавливать отключенный  от сети электродвигатель во время  измерения изоляции не нужно. Измерения следует производить быстрее, чтобы не происходило охлаждения электродвигателя.

9. Минимальная продолжительность сушки.

Основанием для суждения об эффективности сушки является сопротивлением изоляции. Во время сушки сопротивление вследствие испарения влаги из обмоток по мере нагревания электродвигателя сначала понижается, но после достижения минимума оно начинает возрастать и, наконец, становится постоянным или

незначительно   изменяется   в   сторону   повышения.   После   этого   рекомендуется продолжать сушку  ещё 5-10 часов.

Только в случае крайней необходимости сушка  может быть прекращена раньше, чем будет достигнуто установившееся сопротивление изоляции, но при непременном условии, что сопротивление изоляции после достижения минимума начинает повышаться и в нагретом состоянии электродвигателя будет не меньше минимально допустимого сопротивления.

Нельзя прекращать сушку, если сопротивление изоляции продолжает понижаться.

10. Повторная сушка.

Если электродвигатель не поддаётся сушке, т.е. если не будет  достигнуто наименьшее допустимое сопротивление изоляции, следует сушку прекратить, дать электродвигателю охладиться до температуры на 5-10°С выше окружающей среды и повторить сушку.

Нельзя считать сушку  законченной, если после некоторого времени сушку и её перерыва сопротивление изоляции в холодном состоянии окажется удовлетворительным, так как в горячем состоянии сопротивление изоляции может оказаться ниже допустимого.

11. Критерии сухости  изоляции.

Критерием сухости изоляции обмотки статора является сопротивление  изоляции коэффициент абсорбции.

Минимальное сопротивление  изоляции всей обмотки статора при  температуре 75° С, проверенное мегомметром с рабочим напряжением не менее 1000 В, должно быть не менее 1 Мом/кВ напряжения двигателя.

Вторым необходимым  критерием сухости изоляции является коэффициент абсорбции отношение значений сопротивления изоляции при длительности приложения напряжения. Для этого измеряют сопротивление изоляции мегомметром спустя 15 сек и 60 сек с момента приложения напряжения при одной и той же скорости вращения рукоятки и берут отношение показаний мегомметра:

                                                     R60

      = K

                                                                R15

где К - коэффициент абсорбции при температуре 15-30° С. Изоляция считается сухой, если коэффициент абсорбции не менее 1,3.

12. Осмотр электродвигателя  после сушки.

По окончании сушки  электродвигатель следует остановить для удаления шин, термометров, фольги, всех временных приборов, соединении и т.д.

13. Сушка электродвигателя  внешним нагреванием.

Этот способ сушки может  быть применён для всех электродвигателей. Для нагревания применяются лампы накаливания, нагревательные сопротивления, закрытые печи (открытые печи или жаровни применять не рекомендуется, так как они опасны в пожарном отношении) или батареи парового отопления, которые нигде не должны пропускать пар. Источники нагревания должны помещаться возможно ближе к электродвигателю или внутри его.

При этом нужно следить за тем, чтобы ближайшие к источнику нагревания части нагревались не выше 100° С (в случае необходимости следует проложить асбестовые щиты).

Хорошие результаты сушки получаются при обдувании  электродвигателя нагретым воздухом. Воздуходувка должна быть установлена так, чтобы нагретый воздух обдувал всю обмотку, а не только часть электродвигателя. Для достижения равномерного обдувания обмотки нужно переставлять воздуходувку.

Температура нагретого  воздуха не должна превышать 90° С, и повышать её следует постепенно.

При сушке внешним  нагреванием так же, как и при  всех других способах сушки, температуру  следует повышать постепенно.

При сушке внешним  нагреванием допускается несколько  большая температура, чем при других способах сушки, так как нагревание обмоток происходит извне и внутри электродвигателя не могут получаться местные перегревы, как при сушке электродвигателя током.

14. Сушка током  короткого замыкания.

Статор присоединить к сети напряжением, равным V₈ '/ю номинального напряжения электродвигателя, а ротор затормозить (если ротор фазовый, затормозить и соединить с пусковым реостатом).

Необходимо следить  за тем, чтобы ток не превышал 40 -- 60 % номинального. Лучше всего для сушки иметь генератор, напряжение которого можно регулировать.

В случае слишком быстрого превышения температуры, а также  при достижении наивысшей допустимой температуры напряжение на зажимах статора должно быть соответственно понижено. Если нельзя понизить напряжение, то следует периодически выключать ток или на короткое время пускать двигатель в ход для охлаждения.

Во время сушки  током короткого замыкания необходимо внимательно следить за нагреванием бандажей фазового ротора, так как они легко могут перегреться и распаяться, а это может вызвать аварию электродвигателя при пуске.

В случае нагревания бандажей выше 95° С нужно производить включение и выключение тока, как указано выше.

В зависимости  от величины напряжения ток может  быть подведён к ротору, а статор замкнут накоротко. Амперметр и в этом случае должен быть включён в цепь статора. Напряжение ротора обычно указано на щитке мощности.

Можно также вынуть ротор из статора и сушить отдельно, например, после ремонта или перемотки статора или ротора.

15.Сушка постоянным током.

Ротор вращать нельзя. Нулевая  точка или общие точки соединений многофазной системы вскрываются, обмотки всех фаз включаются последовательно, соответственно понижено. Если нельзя понизить напряжение, то следует периодически выключать ток или на короткое время пускать двигатель в ход для охлаждения.

Во время сушки  током короткого замыкания необходимо внимательно следить за нагреванием бандажей фазового ротора, так как они легко могут перегреться и распаяться, а это может вызвать аварию электродвигателя при пуске. В случае нагревания бандажей выше 95° С нужно производить включение и выключение тока, как указано выше. В зависимости от величины напряжения ток может быть подведён к ротору, а статор замкнут накоротко. Амперметр и в этом случае должен быть включён в цепь статора. Напряжение ротора обычно указано на щитке мощности. Можно также вынуть ротор из статора и сушить отдельно, например, после ремонта или перемотки статора или ротора.

Действие электрического тока на организм человека.

Электрический ток, проходя  через живые ткани, оказывает  термическое, химическое, биологическое  воздействия и вторичные травмы. Это приводит к различным нарушениям в организме , вызывая как местные повреждения тканей и органов, так и общее повреждение организма .

Биологическое воздействие Жизнь человека зависит от нормального функционирования центральной нервной системы (ЦНС) и сердечно-сосудистой системы (ССС). Установлено, что работа как ЦНС, так и ССС основана на электрических процессах. Поэтому ток, пришедший извне, разрушает работу этих систем - он физиологически несовместим с ними.

Термическое воздействие. Источниками термического действия тока могут быть токи высокой частоты, нагретые током металлические предметы и резисторы, электрическая дуга, оголенные токоведущие части.

Химическое действие. Организм человека состоит из неполярных и полярных молекул, катионов и анионов. Все эти элементарные частицы находятся в непрерывном хаотическом тепловом движении, обеспечивающем жизнедеятельность организма. При контакте с токоведущими частями в организме человека взамен хаотического формируется направленное, строго ориентированное перемещение ионов и молекул, нарушающее нормальное функционирование организма.

Вторичные травмы. Реакция человека на действие тока обычно проявляется в виде резкого непроизвольного движения типа отдергивания руки от места контакта с горячим предметом. При таком перемещении возможны механические повреждения органов вследствие падения, удара о рядом расположенные предметы и т. п.

Рассмотрим различные виды электропоражений. Поражение электрическим током  подразделяют на две группы: электрический  удар и электрические травмы. Электрический  удар связывают с поражением внутренних органов, электрические травмы - с  поражением внешних органов. В большинстве  случаев электротравмы излечиваются, но иногда, при тяжелых ожогах , травмы могут привести к гибели человека.

Различают следующие электрические  травмы: электрические ожоги, электрические  знаки, металлизация кожи, электроофтальмия и механические повреждения.

Защита от поражения электрическим током.

Для обеспечения электробезопасности  в соответствии с Правилами устройства электроустановок применяются следующие  методы:

Применение  малых напряжений (<= 42 В). Малое напряжение (не более 42В) применяется для ручного инструмента, переносного и местного освещения в любых помещениях и вне их. Оно применяется также в помещениях с повышенной опасностью опасную зону или прикосновения человека к токоведещим частям электроустановок.

Обеспечение недоступности, ограждение и блокировка токоведущих частей. Эти средства применяют для защиты от случайного попадания в опасную зону или прикосновения человека к токоведещим частям электроустановок.