содержание   ..   80  81  82  83  84  85  86

РАЗДЕЛ 10 МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

10.1. Общие сведения

10.1.1.

Особенности коллекторных машин постоянного тока

Коллекторные машины — это в основном машины постоянного тока. Они выпускаются мощностью от долей ватта до десятков тысяч киловатт. Коллекторные машины переменного тока находят применение в качестве приводных двигателей лишь для узкого круга специальных механизмов небольшой мощности, например как приводы некоторых бытовых приборов, электрифицированного ручного инструмента, медицинского оборудования, т. е. в тех случаях, когда для питания двигателей используется однофазный и реже трехфазный переменный ток, а характеристики асинхронных машин не удовлетворяют требованиям приводного механизма.

Коллекторные машины постоянного тока используются как двигатели и как генераторы. В промышленности более распространены двигатели, что объясняется все возрастающим применением различных статических выпрямителей, обеспечивающих промышленные установки энергией постоянного тока.

Широкое распространение двигателей постоянного тока несмотря на их более высокую стоимость и сложность эксплуатации по сравнению с асинхронными объясняется в первую очередь простыми и надежными способами регулирования частоты вращения, большими пусковыми моментами и перегрузочной способностью, чем у двигателей переменного тока. Наибольшее распространение двигатели постоянного тока получили в приводах, требующих глубокого регулирования частоты вращения (металлургическая промышленность, транспорт и т. п.).

10.1.2. Основные элементы конструкции машин постоянного тока

Основными конструктивными элементами машин постоянного тока (рис. 10.1) являются станина с закрепленными на ней главными и добавочными полюсами, вращающийся якорь с обмоткой и коллектором и щеточный аппарат. В машинах малой и средней мощностей станина одновременно служит и корпусом, к которому крепятся лапы для установки машины, и частью маг-нитопровода. По ней замыкается магнитный поток. В большинстве машин станина выполнена массивной, из стальных труб, либо

Рис. 10.1. Двигатель постоянного тока серии 2П:

/ — тахогенератор; 2 — траверса; 3 — коллектор; 4 — станина; 5 — якорь; 6 — главный полюс; 7 — добавочный полюс;

Рис. 10.1. Продолжение

сварной из листов конструкционной стали. В ряде машин станину выполняют шихтованной.

К внутренней поверхности станины крепят главные и добавочные полюсы. Сердечники главных полюсов массивные либо набраны из листов стали толщиной 1 — 2 мм. Сердечники добавочных полюсов, как правило, массивные. На главных полюсах располагаются обмотки возбуждения (см. § 4.10); их МДС создают рабочий поток машины. Обмотки добавочных полюсов, расположенных по поперечным осям машины, служат для обеспечения нормальной коммутации.

Магнитопровод якоря шихтуется из листов электротехнической стали. В машинах малой мощности сердечник якоря насаживается непосредственно на вал со шпонкой и фиксируется в осевом направлении буртиком вала и кольцевой шпонкой. С торцов якоря для предотвращения распушения листов во время работы установлены нажимные шайбы, совмещенные с обмоткодержате-лями.

Обмотки якорей (см. § 4.7) двухслойные. В машинах мощностью до 15 — 20 кВт они выполнены из круглого провода и уложены в полузакрытые пазы. В пазовых частях обмотка крепится пазовыми клиньями, в лобовых — бандажами из стеклоленты или немагнитной стальной проволоки, которые прижимают их к обмоткодержателям. В машинах большой мощности катушки обмотки якоря наматывают из прямоугольного провода и укладывают в открытые пазы. Крепление обмотки либо такое же, как и в машинах малой мощности, т. е. клиньями в пазовой и бандажами в лобовой части, либо бандажами и в пазовой, и в лобовой части. Выводные концы каждой секции обмотки впаиваются в прорези коллекторных пластин.

Коллекторы в большинстве машин общего назначения цилиндрические. Торцевые коллекторы применяют лишь в некоторых машинах малой мощности специального назначения. Во всех цилиндрических коллекторах пластины имеют клиновидную форму с углом наклона, при котором пластины, собранные в кольцо, плотно прилегают друг к другу боковыми поверхностями и зажимают миканитовую изоляцию (рис. 10.2). Наибольшее распространение получили коллекторы, в которых пластины удерживаются в сжатом состоянии металлическими нажимными конусами (рис. 10.3) либо опрессовкой в пластмассу (рис. 10.4). В коллекторах с нажимными конусами пластины закрепляются передвижением переднего нажимного ко-

Рис. 10.2. Положение коллекторных пластин в цилиндрических коллекторах:

/ — пластины коллектора; 2 — изоляция между пластинами; Р — сила давления нажимных конусов; Р, — сила арочного распора

Рис. 10.3. Коллектор с нажимными конусами:

1 - передний нажимной конус; 2 — пластины коллектора ; 3 — втулка коллектора; 4 — изоляционная манжета; 5 —задний нажимной конус

нуса по втулке коллектора. При этом создается давление на нижнюю часть ласточкина хвоста пластин и возникает арочный распор (см. рис. 10.2). Такие коллекторы называют арочными. Пластины коллектора с расположенными между ними изоляционными прокладками образуют монолитное кольцо. Нажимные конусы изолируют от пластин миканитовыми фигурными прокладками — манжетами, имеющими большую механическую прочность.

Коллекторы на пластмассе более просты в изготовлении, но в силу меньшей механи-

Рис. 10.4. Коллектор на пластмассе:

а — общий вид; б — варианты пластин коллектора; 1 — пластины коллектора; 2 — пластмассовый корпус; J — втулка коллектора; 4 — армировочное кольцо

Рис. 10.5. Принципиальная конструкция коллектора с бандажными кольцами:

/ — изоляция под бандажными кольцами; 2 — бандажные кольца; 3 — пластины коллектора; 4 — втулка коллектора

ческой прочности и надежности не применяются в машинах большой мощности.

В некоторых быстроходных машинах, например в возбудителях турбогенераторов, из-за больших центробежных сил, действующих на пластины коллектора, прочность их крепления с помощью ласточкиных хвостов оказывается недостаточной и коллекторные пластины крепят на втулку с помощью внешних бандажных колец (рис. 10.5).

Щетки коллекторных машин устанавливают в щеткодержатели, закрепленные на щеточных пальцах, причем на каждом щеточном пальце может быть установлено по нескольку щеткодержателей и щеток, соединенных между собой параллельно. Число щеток и их размеры определяются номинальным током машины. Число щеточных пальцев должно быть равно числу полюсов машины. Двигатели с волновой обмоткой на

якоре при отсутствии места для установки полного комплекта щеточных пальцев допускают установку неполного числа щеточных пальцев, что используется в некоторых конструкциях тяговых двигателей. Щеточные пальцы укреплены на траверсе, которая допускает поворот на некоторый угол вокруг оси машины для регулирования положения щеток на коллекторе.

В последние годы получают распространение бесколлекторные двигатели постоянного тока, в которых механический преобразователь тока — коллектор со щеточным аппаратом — заменен вентильным коммутатором. Вентильные двигатели имеют широкий диапазон регулирования частоты вращения и • не имеют недостатков, связанных с работой скользящих контактов коллектор—щетки, характерных для коллекторных машин постоянного тока.

10.1.3. Характеристики машин постоянного тока

Характеристики машин постоянного тока определяются системой возбуждения: независимой, параллельной, последовательной или смешанной (рис. 10.6, а —г).

При независимой системе возбуждения обмотка возбуждения питается от постороннего источника постоянного тока и ток возбуждения не зависит от режима работы и нагрузки машины. Генераторы с независимой системой возбуждения допускают регулирование напряжения практически от нуля до номинального. Изменение напряжения при увеличении нагрузки определяется только размагничивающим действием реакции якоря и увеличением падения напряжения на сопротивлении якорной цепи.

Ток параллельной обмотки возбуждения генераторов с самовозбуждением меняется в зависимости от напряжения на выводах генератора и уменьшается с ростом нагрузки из-за размагничивающего действия реакции якоря, что в свою очередь приводит к добавочному увеличению падения напряжения. За счет этого номинальное падение напряжения генераторов с параллельным возбуждением больше, чем генераторов с независимым возбуждением.

В генераторах со смешанной системой возбуждения при согласном включении параллельной и последовательной обмоток поток стабилизируется, так как размагничивающее действие реакции якоря компенсируется изменением МДС последовательной обмотки, пропорциональным току нагрузки. Последовательную обмотку таких машин

Рис. 10.6. Системы возбуждения машин постоянного тока: а — независимая; б — параллельная; в — последовательная; г — смешанная

называют стабилизирующей. Номинальное падение напряжения генераторов со стабилизирующей обмоткой мало. Некоторые генераторы выполнены со стабилизирующей обмоткой, при которой обеспечивается равенство !7_НОМ = (7_Х|Х (где 1/_Х]Х — напряжение холостого хода).

При встречном включении параллельной и последовательной обмоток возбуждения напряжение на выводах генератора резко падает с увеличением тока нагрузки. Такие системы возбуждения находят применение в сварочных генераторах постоянного тока.

В двигателях параллельного возбуждения размагничивающее действие реакции якоря может вызвать неустойчивую работу, так как уменьшение потока с ростом нагрузки из-за действия реакции якоря при малом суммарном сопротивлении якорной цепи приводит к увеличению частоты вращения двигателя. Поэтому в большинстве двигателей средней и во всех двигателях большой мощности помимо параллельной устанавливается последовательная обмотка возбуждения, стабилизирующая магнитный поток и придающая устойчивость механической характеристике (рис. 10.7, а).

Механические характеристики двигателей с последовательным возбуждением (рис. 10.7,6) имеют специфический «падающий» характер. Двигатели с последовательным возбуждением используются в приводах, требующих больших пусковых моментов и устойчивой работы при -малых частотах вращения.

Рис. 10.7. Механические характеристики двигателей постоянного тока:

а — смешанного возбуждения; б — последовательного возбуждения

10.1.4. Регулирование частоты вращения машин постоянного тока

В общем случае частота вращения двигателей постоянного тока определяется выражением

где U — напряжение, подводимое к якорю двигателя; 1_а — ток якоря; £Д_а — сумма сопротивлений якоря и всех последовательно

включенных обмоток; С_Е - коэффициент, зависящий от обмоточных данных двигателя; Ф — магнитный поток машины.

Из приведенного выражения следует, что частота вращения двигателя при неизменной нагрузке может быть изменена регулированием питающего напряжения U, включением последовательно с якорем дополнительного регулировочного резистора (изменение £.R_a) и изменением магнитного потока машины (изменением тока возбуждения). В практике применяются все три способа регулирования.

Регулирование частоты вращения изменением подводимого напряжения встречает трудности, связанные со сложностью пре-обра'зования напряжения постоянного тока. Для этой цели либо применяют статические преобразователи напряжения, либо питают двигатель от отдельного генератора постоянного тока, допускающего плавное регулирование напряжения (система генератор — двигатель). Такие системы применяют лишь для отдельных специальных приводов, требующих регулирования частоты вращения по сложной программе, например для главных двигателей прокатных станов.

Регулирование частоты вращения потоком является наиболее экономичным способом, так как потери в регулировочных резисторах, включаемых для этой цели последовательно с обмоткой возбуждения, невелики из-за малого тока возбуждения.

Однако этот способ позволяет лишь увеличивать частоту вращения двигателей по сравнению с номинальной. Такой способ регулирования предусмотрен для всех серийных двигателей постоянного тока.

Включение добавочного резистора в цепь якоря дает возможность плавно регулировать частоту вращения, но сопряжено с большими потерями в регулировочном реостате, по которому проходит полный ток нагрузки. Этот способ используется, например, для регулирования частоты вращения тяговых двигателей.

В современных системах регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока применяются тиристорные схемы, позволяющие осуществить регулирование частоты вращения в широких пределах по заданной программе. Датчиками частоты вращения для осуществления обратной связи при регулировании могут быть тахогенера-торы, размещенные на валу якоря двигателя (см. рис. 10.1).

10.1.5. Коммутация машин постоянного тока

Коммутация машин постоянного тока, т. е. изменение направления тока в секциях обмотки якоря при переходе секций от одного полюсного деления к другому, происходит при кратковременном замыкании их щетками на пластинах коллектора. При коммутации в короткозамкнутых секциях возни-

Таблица 10.1. Оценка степени искрения под сбегающим краем щеток по ГОСТ 183-74

кают реактивная ЭДС и ЭДС вращения, наводимая потоком реакции якоря, магнитные силовые линии которого пронизывают замкнутые при коммутации секции. При движении коллектора в момент отхода пластины коллектора от замыкающей данную секцию щетки происходит разрыв цепи (замкнутой секции), имеющей индуктивное сопротивление, и возникает искрение между сбегающим краем щетки и коллекторной пластиной. При неудовлетворительной коммутации искрение может быть значительным и может привести к местному повреждению коллектора, что в свою очередь ухудшает переходный контакт щетка—коллектор и усиливает искрение. Качество коммутации машины постоянного тока оценивается по интенсивности искрения на коллекторе (табл. 10.1).

Для улучшения коммутации во всех машинах постоянного тока, кроме машин малой мощности, устанавливают добавочные полюсы, МДС которых компенсирует МДС реакции якоря по поперечной оси машины, т. е. в зоне расположения коммутируемых секций. Кроме того, поток, создаваемый обмоткой добавочных полюсов, наводит в замкнутых при коммутации секциях ЭДС, несколько превышающую реактивную ЭДС секций и направленную ей навстречу. Коммутация машины при этих условиях становится прямолинейной или даже ускоренной. Напряжение под сбегающим краем щеток уменьшается до весьма малых значений и искрение под щетками становится не опасным для работы машины.

В крупных машинах постоянного тока кроме добавочных полюсов в пазах на наконечниках главных полюсов располагают компенсационную обмотку (см. § 4.8). Компенсационная обмотка предназначена для компенсации воздействия реакции якоря на поток возбуждения по продольной оси. Уменьшение влияния реакции якоря позволяет выполнять машины с уменьшенным воздушным зазором и улучшить их коммутацию.

10.2. Двигатели постоянного тока серии 4П

10.2.1. Общие сведения

Широкая автоматизация производства, повышение скоростей технологических процессов при непрерывно возрастающих требованиях к качеству промышленной продукции обусловили к началу 80-х годов необходимость резкого наращивания в СССР выпуска

широкорегулируемых тиристорных электроприводов с двигателями постоянного тока. Стремительное развитие автоматизированных станков с ЧПУ предопределило одновременно с этим весьма высокие требования к двигателям постоянного тока, используемым в приводах главного движения: увеличения мощности при заданной высоте оси вращения в 3—4 раза, расширения диапазона регулирования частоты вращения в 2 — 2,5 раза, а также существенного улучшения динамических и виброакустических свойств двигателей. Кроме того, стала актуальной проблема замены традиционно ручной технологии, применяемой для производства машин постоянного тока, на современную машинную технологию путем оснащения заводов высокопроизводительным технологическим оборудованием.

Исходя из требований современного электропривода в основу создания нового поколения машин серии 4П положены следующие принципы дифференциации двигателей постоянного тока:

1)                   по регулировочным свойствам: двигатели с нормальным регулированием — до 1: 5 и широкорегулируемые двигатели — до 1 :1000;

2)                    по типу конструкции:

закрытые, соответствующие степени защиты IP44 с полностью шихтованным магнитопроводом статора, заключенным в круглый чугунный или алюминиевый корпус, со способом охлаждения ICO041 (без вентиляции) или ICO141, с поверхностным охлаждением посредством вентилятора, жестко закрепленного на валу двигателя;

защищенные, со степенью защиты IP23, с шихтованным статором прямоугольного сечения без корпуса, с охлаждением от автономного электровентилятора, устанавливаемого сверху (сбоку), — ICO6, или по оси двигателя — ICO5;

3)                    по условиям эксплуатации: нормальные, соответствующие значениям климатических факторов при эксплуатации УХЛ4 по ГОСТ 15543-70 и ГОСТ 15150-69 и в части воздействия механических факторов внешней среды — группе Ml по ГОСТ 17516-72;

с тяжелыми условиями эксплуатации (УХЛЗ) и (М8), соответствующие работе во вспомогательных механизмах металлургического производства, на экскаваторах, буровых установках и т. п.

Структура серии 4П представлена в табл. 10.2.

Таблица 10.2. Структура двигателей серии 4П

Продолжение табл. 10.2

10.2.2. Закрытые и обдуваемые двигатели

унифицированной конструкции

типа 4ПО и 4ПБ

Двигатели мощностью до 10 кВт (50 Нм) с нормальными регулировочными свойствами составляют почти ²/₃ общей потребности отраслей народного хозяйства в машинах постоянного тока. Наибольшее применение они получили в комплектном тиристорном электроприводе типа ЭПУ2 в станкостроении, железнодорожном и морском транспорте.

В целях значительного снижения (в 2 — 3 раза) трудоемкости изготовления таких двигателей в новой серии реализована идея унификации конструкции машин постоянного тока с асинхронными двигателями серии 4А. Это предопределило возможность применения для производства статора, обработки корпусных деталей, сборки и испытаний машин постоянного тока технологического оборудования, созданного для серии 4А.

В унифицированной конструкции типа 4ПО и 4ПБ магнитопровод статора неявно-полюсный с распределенными обмотками в пазах, равномерно распределенных вдоль его окружности. Обмотка возбуждения укладывается в два паза в пределах полюсной дуги основного потока, компенсационная обмотка располагается равномерно во всех пазах остальной расточки статора.

В унифицированной конструкции 4ПО (рис. 10.8) и 4ПБ одинакового габарита с двигателями серии 4А могут быть применены одинаковые станины, задние подшипниковые щиты, детали вентиляционного узла, коробки выводов, подшипники и их крышки.

Достоинствами унифицированной кон-

Рис. 10.8. Двигатель постоянного тока унифицированной конструкции типа 4ПО:

/ — корпус; 2 — магнитопровод статора; 3 — щит подшипниковый передний; 4 — сердечник якоря; 5-вентилятор; 6 — кожух; 7 — коробка выводов; 8 — коллектор; 9 — траверса

струкции двигателей постоянного тока по сравнению с явнополюсными традиционной конструкции являются:

1)                   распределение статорных обмоток двигателей в сравнительно большом числе пазов, что приносит положительный эффект, состоящий в улучшении теплоотдачи, и позволяет существенно увеличить плотности тока в них по сравнению с принятыми в сосредоточенных обмотках возбуждения и добавочных полюсов вплоть до значений, соответствующих плотностям тока статорных обмоток асинхронных двигателей;

2)                   полная и совершенная компенсация поля реакции якоря по всей его окружности, позволяющая сохранить неизменным поле возбуждения и его форму на холостом.ходу и под нагрузкой и снизить соответственно ток возбуждения в нагрузочном режиме по сравнению с требующимся в некомпенсированном двигателе постоянного тока;

3)                   применение полностью шихтованного магнитопровода, что уменьшает его магнитную несимметрию и практически устраняет отставание во времени изменений магнитного потока добавочных полюсов от изменения тока в их обмотках и, следовательно, повышает коммутационную способность двигателей в стационарных и динамических режимах работы;

4)                   переход к степени защиты IP44 в унифицированных двигателях от обычно применяемой в двигателях традиционной явнопо-люсной конструкции степени защиты IP23, что повышает надежность этих двигателей в эксплуатации.

Замена двигателей серии 2П как закрытого, так и защищенного исполнения на двигатели унифицированной конструкции серии 4П обеспечивает: увеличение номинальной мощности в заданном габарите на одну шкалу МЭК; снижение материалоемкости на 15 — 20%; уменьшение расхода обмоточной меди на 25 — 35% и снижение трудоемкости изготовления в 2,5 — 3 раза.

Переход на полностью шихтованный магнитопровод в двигателях постоянного тока с номинальной мощностью от 0,25 до 5,5 кВт позволяет существенно повысить динамические качества тиристорного электропривода.

При тиристорном питании надежная работа двигателей серии 4П обеспечивается без необходимости применения сглаживающего реактора в якорной цепи без снижения номинальной мощности, если коэффициент пульсации тока не превышает 15% (при коэффициенте пульсации от 15 до 45% номинальная мощность двигателя снижается не более чем на 10%).

Двигатели рассчитаны на эксплуатацию при высоте над уровнем моря до 1000 м, температуре окружающей среды от 1 до 40 °С, относительной влажности окружающего воздуха 80% при температуре 20 °С. Двигатели типа 4ПО должны соответствовать группе условий эксплуатации Ml по ГОСТ 17516-72; типа 4ПБ - группе Ml или М8.

Технические данные двигателей, соответствующие режиму S1, приведены в табл. 10.3. Двигатели допускают также эксплуатацию в режимах S3 — S8. Уровень шума при но-

Таблица 10.3. Технические данные двигателей типов 4ПО и 4ПБ

Продолжение табл. 10.3

Продолжение табл. 10.3

минальной частоте вращения соответствует классу 2 по ГОСТ 16372-84; допустимое значение вибрации при номинальной частоте вращения — классу 1,1 по ГОСТ 16921-83. Двигатели изготовляются с параллельным или независимым возбуждением 220 В.

Частота вращения при номинальном напряжении на якоре и обмотке возбуждения, номинальном токе якоря и установившемся тепловом состоянии не должна отличаться от номинальной более чем на +15 и —10%.

Двигатели допускают регулирование частоты вращения вниз от номинальной снижением напряжения на выводах якоря в диапазоне 1:1000 со снижением тока якоря до 50% и вверх от номинальной до максималь-

ной, указанной в табл. 10.3, ослаблением поля (уменьшением тока возбуждения) при номинальном напряжении на якоре. Устойчивость работы обеспечивается системой регулирования привода.

Класс нагревостойкости изоляции обмоток F.

Двигатели типа 4ПО в нагретом состоянии при номинальном токе возбуждения выдерживают перегрузку по току якоря в течение 10 с за цикл не менее 1 мин до 2/_ном, типа 4ПБ — до 2/_ном.

Формы исполнения двигателей по способу монтажа - IM081, IM2181, IM3O81.

Габаритные, установочные, присоедини-

Продолжение табл. 10.3

Таблица 10.4. Габаритные, установочные и присоединительные размеры двигателей типа 4ПО конструктивного исполнения IM1081

Таблица 10.5. Габаритные, установочные и присоединительные размеры двигателей типа 4ПО конструктивного исполнения IM2181 и IM3081

тельные размеры и масса ДПТ типа 4ПО приведены в табл. 10.4 и 10.5.

Предельное отклонение установочных и присоединительных размеров соответствует нормальной точности по ГОСТ 8592-79.

Для двигателей типа 4П устанавливаются следующие показатели надежности и долговечности (при работе в номинальном режиме): средний срок службы при наработке 30000 ч — не менее 12 лет; наработка обмоток — 20000 ч; вероятность безотказной работы за период 10000 ч — не менее 0,8 при доверительной вероятности 0,7; наработка щеток — 2000 ч; коэффициент готовности — 0,9.

содержание   ..   80  81  82  83  84  85  86