Глава 1 Общие вопросы проектирования электрических машин (Копылов И.П., Клоков Б.К., Морозкин В.П., Токарев Б.Ф. Проектирование электрических машин), страница 6

Рис. 1.5. Асинхронный двигатель

с фазным ротором с квадратной станиной

Синхронные машины общего назначения распространены значительно меньше, чем асинхронные. Синхронные генераторы сравнительно небольшой мощности (до нескольких тысяч киловатт) применяются в автономных установках. Синхронные двигатели не получили широкого распространения из-за более сложной конструкции, большей стоимости и худших пусковых характеристик. Они находят применение в приводах компрессоров, воздуходувок и т. п. Синхронные машины могут быть использованы одновременно и как двигатели, и как генераторы реактивной энергии, что дает им большое преимущество перед асинхронными двигателями, являющимися потребителями реактивной энергии.

Синхронные машины в зависимости от конструкции ротора делятся на явно– и неявнополюсные.

В явнополюсной конструкции более удобно располагать обмотку возбуждения, чем в пазах ротора с неявновыраженными полюсами. Поэтому все синхронные машины с числом пар полюсов более двух выполняются с явнополюсным ротором. В двухполюсных машинах из-за большой частоты вращения центробежные силы, действующие на ротор, настолько велики, что не удается надежно закрепить на нем явно выраженные полюсы с обмоткой. Обмотку возбуждения приходится укладывать в отдельные пазы, рассредоточивая их по окружности ротора.

Синхронные машины общего назначения выполняют, в основном, с явнополюсными роторами. На рис. 1.6 показан синхронный двигатель мощностью 17500 кВт на частоту вращения 375 об/мин. Из-за большой массы вала и ротора его подшипниковые узлы установлены на подшипниковых стойках вне корпуса машины.

Рис. 1.6. Синхронный двигатель

Наряду с крупными синхронными машинами выпускают синхронные двигатели и генераторы мощностью менее 100 кВт на низкое напряжение. Для упрощения эксплуатации и повышения надежности они выполнятся с самовозбуждением (обмотка возбуждения питается постоянным током от выводов статора через выпрямитель). В настоящее время разработаны конструкции синхронных машин, в которых отсутствует скользящий контакт, при этом выпрямительные элементы установлены на роторе, а ток в обмотке возбуждения возникает за счет высших гармоник поля или с помощью бесконтактного возбудителя.

Двигатели постоянного тока допускают плавное регулирование частоты вращения в широком диапазоне, обладают высокими пусковыми и перегрузочными моментами. Это определило их распространение в приводах, требующих изменения частоты вращения или специальных скоростных характеристик: в станкостроении, электротранспорте, в металлургической, текстильной и полиграфической промышленностях, других отраслях народного хозяйства.

Генераторы постоянного тока применяют для питания обмоток возбуждения синхронных машин, в системах генератор—двигатель и в некоторых специальных производствах, как, например, в химической промышленности для целей электролиза и т. п.

В то же время машины постоянного тока не получили такого широкого распространения, как асинхронные, из-за меньшей надежности, сложности эксплуатации и большей стоимости, обусловленных наличием в их конструкции механического преобразователя частоты коллектора. Эти машины могут иметь различные конструкции коллектора, якоря, обмоток и полюсов. Машина постоянного тока общего назначения, проектирование которых рассмотрено в последующих главах, имеют вращающийся якоря, цилиндрический коллектор и неподвижные полюсы с обмотками возбуждения, расположенными на станине.

На рис. 1.7 показан двигатель постоянного тока мощностью 110 кВт и номинальной частотой вращения 1500 об/мин, исполнения по степени защиты IP22. Такое исполнение является типичным для двигателей постоянного тока общего назначения, так как они большей частью устанавливаются, в которых исключается попадание на машины капель, падающих под углом более 15⁰ к вертикали.

Рис. 1.7. Продольный и поперечный разрезы

двигателя постоянного тока серии 4ПО

1 — корпус; 2 — магнитопровод статора; 3 — щит подшипниковый передний;

4 — сердечник якоря; 5 — вентилятор; 6 — кожух; 7 — коробка выводов;

8 — коллектор; 9 — токосъемный аппарат

С каждым годом в конструкцию серий машин переменного и постоянного тока вводится все большая унификация, различные узлы и детали машин стремятся делать одинаковыми. В то же время применение гибких автоматизированных производств позволяет выполнять большее число модификаций на основе базовой модели.

В последние десятилетия проявляется тенденция к объединению электрических машин с управляющими силовыми полупроводниковыми элементами и микропроцессорами. При этом вентильные двигатели наряду с асинхронными двигателями и двигателями постоянного тока находят все большее применение. Создание серий электромеханических систем для широкого класса электроприводов внесет новые изменения в конструкцию электрических машин.

Унификация и стандартизация в электрической промышленности. Стандартизация является частью общегосударственной технической политики, средством внедрения в производство передовых достижений науки, обеспечения оптимального уровня качества продукции, экономии трудовых и материальных затрат. Унификация базируется на анализе требований различных министерств и ведомств к разработке единой серий электрооборудования. На базе единых серий машин и трансформаторов разрабатываются модификации, предназначенные для различных условий работы. Внутри серии проводится максимальная унификация узлов и деталей.

Стандартизация в электротехнической промышленности строится на базе государственной системы стандартизации. Стандарты являются обязательными в пределах установленной сферы их действия, области и условий их применения.

Кроме стандартов утверждаются технические условия (ТУ), представляющие собой распространенный вид нормативно-технической документации.

В основу стандартизации подотраслевой электротехнической промышленности положены базовые стандарты. Таким стандартом для электрических машин является ГОСТ 183, устанавливающий общие технические требования на все электрические машины. На основе единых стандартов устанавливаются стандарты на единые серии (например, на асинхронные, синхронные машины и др.).

При стандартизации электрооборудования применяются ряды предпочтительных чисел, построенные на геометрической прогрессии:

Оказалось достаточным иметь четыре десятичных ряда геометрической прогрессии:

Каждый ряд построен на знаменателе прогрессии , , , в интервале от 1 до 10. Числа свыше 10 получаются умножением на 10, 100, 1000 и т. д., а числа меньшие 1 — умножением на 0,1; 0,01; 0,0001 и т. д.

По предпочтительным числам и геометрическим рядам предпочтительных чисел построен ряд номинальных мощностей электрических машин и трансформаторов (ГОСТ 12139—84). Шкала регламентированных мощностей приведена в приложении 6. В стандартах на электрические машины устанавливаются размеры, технические требования, методы испытаний, номинальные напряжения в вольтах, частота вращения (синхронная) в оборотах в минуту и мощности в киловаттах или ваттах.

Размеры электрических машин, определяющие возможность их монтажа и сочленения с рабочими механизмами (высота оси вращения, диаметры концов валов), устанавливаются в соответствии с ГОСТ 6636 «Номинальные линейные размеры». Этот ГОСТ устанавливает ряды линейных размеров в интервале от 0,001 до 20000 мм, которые применяются в машиностроении.

Высоты оси вращения и установочные размеры электрических машин приведены в приложении 6.

Развитие международных связей и значительное увеличение объема электротехнической продукции, которой обмениваются разные страны, обуславливают необходимость международной стандартизации. Основные цели международной стандартизации определены Постоянным техническим комитетом Международной организации по стандартизации (СТАКО и ИСО). Международные стандарты ИСО и МЭК играют важную роль в создании новых серий электрических машин и ликвидации торговых барьеров между странами.

Основополагающие стандарты на электрические машины и стандарты, регулирующие общие для электротехники нормы и правила приведены в «Справочнике по электрическим машинам», том I [16].

1.5. НАДЕЖНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Повышение надежности электрических машин – важная задача электротехнической промышленности. Увеличение срока службы и повышение надежности дают относительно больший народнохозяйственный эффект, чем снижение удельного расхода материалов при изготовлении электрических машин [5].

Согласно ГОСТ 27.002 – 89 «Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения» надежность определяется, как свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования.

Для объектов в зависимости от назначения применяют различные показатели надежности. Различают восстанавливаемые и невосстанавливаемые объекты. Если нормативно-технической и конструкторской документацией предусмотрено проведение ремонта объекта, то он называется ремонтируемым. Неремонтируемые объекты работают до первого отказа, после чего их снимают с эксплуатации. Значительное число электрических машин малой мощности относятся к неремонтируемым объектам. Для различных видов электрических машин и условий эксплуатации основные понятия теории надежности – безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость – имеют различную относительную значимость. Для неремонтируемых электрических машин основным показателем является безотказность. Для остальных машин большое значение имеет ремонтопригодность.

Безотказность — это свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки. Долговечность — свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта. Ремонтопригодность — свойство объекта, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта. Сохраняемость — свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способности объекта выполнять требуемые функции в течение и после хранения и транспортирования.

Отказ — событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта. При оценке надежности электрических машин необходимо заранее оговорить, какое состояние считается неработоспособным. По характеру возникновения различают отказы внезапные, характеризующиеся скачкообразным изменением значений одного или нескольких параметров объекта, и отказы постепенные, характеризующиеся постепенным изменением значений одного или нескольких параметров объекта. Внезапные отказы обычно проявляются в виде повреждений элементов (обрывы, пробои изоляции, образование трещин, поломки). Постепенные отказы связаны с износом и старением элементов и материалов (износ щеток и коллектора, старение изоляции).