Основные виды электрических машин. Электроприводы. Использование их в системах сервиса

Подавляющее число машин постоянного  тока выполняется с коллектором  — механическим преобразователем частоты. Но существует несколько типов и  бесколлекторных машин, например униполярные  генераторы (рис. 1.5), которые используются для получения больших токов (до 100 кА) при низких напряжениях. 

Рис. 1.5. Униполярная электрическая  машина

В таких машинах коллектор отсутствует, но они могут работать только при наличии скользящего контакта, который состоит из щеток 1 и колец 2. Постоянный магнитный поток, созданный токами обмотки возбуждения 5, замыкается по станине 3, массивному ротору 4 и двум зазорам. Постоянные токи наводятся в массивном роторе и снимаются щетками. Чтобы уменьшить электрические потери в роторе, в нем делают пазы, в которые укладывают медные стержни 6. Стержни, приваренные к контактным кольцам, образуют на роторе короткозамкнутую обмотку.

В последние годы получили распространение  также бесколлекторные машины постоянного  тока с вентильным управлением, в  которых механический преобразователь  частоты заменен преобразователем частоты на полупроводниковых элементах.

Более детальное описание конструктивных видоизменений электрических машин дается в последующих разделах справочника.

Несмотря на большое число различных  типов электрических машин и  независимо от их конструктивного исполнения, рода и числа фаз питающего  тока и способов создания магнитных полей преобразование энергии в машинах происходит только при следующем условии: во всех электрических машинах в установившихся режимах поля статора и ротора неподвижны относительно друг друга. Поле ротора, которое создается токами, протекающими в обмотке ротора, вращается относительно ротора. При этом механическая частота вращения ротора и частота вращения поля относительно ротора в сумме равны частоте вращения поля статора, поэтому частоты токов в статоре и роторе жестко связаны соотношением /₂=М (1-1), где /j, /₂ — частоты тока и напряжения статора и ротора; s — относительная частота вращения ротора или скольжение, определяемое частотой вращения поля статора п^ и частотой вращения ротора машины п₂: s = (n_l±n₂)/n₁. (1.2)

В синхронных машинах обмотка возбуждения ротора питается постоянным током (/₂ = 0), и, следовательно, из (1.1) s = 0, откуда по (1.2) п = п_ъ т. е. ротор синхронной машины вращается синхронно с полем, созданным токами обмотки статора.

Жесткая связь  частоты тока и частоты вращения определила область применения синхронных машин. Синхронные генераторы являются практически единственными мощными генераторами электрической энергии на электростанциях. Синхронные двигатели с учетом трудностей их пуска применяются как приводы промышленных установок, длительно работающих при постоянной частоте вращения и не требующих частых пусков, например как приводные двигатели воздуходувок, компрессоров и т. п.

В асинхронных  машинах ток в обмотке ротора обусловлен ЭДС, наведенной в проводниках  обмотки магнитным полем статора.

Наведение ЭДС  происходит только при пересечении  проводниками магнитных силовых  линий поля, что возможно лишь при  неравенстве частот вращения ротора и поля статора (п₂ ф п^. Частота тока в роторе равна /₂ = /_ts, что обеспечивает взаимную неподвижность поля токов ротора и поля статора, а частота вращения ротора при этом равна п₂ = п₁ (1 — s). При скольжении s = 1 ротор неподвижен (/₂ = /j), преобразования механической энергии не происходит и имеет место трансформаторный режим работы машины.

При питании обмотки  ротора постоянным током машина переходит  в синхронный режим работы. При  питании ротора переменным током  асинхронный двигатель может  вращаться с частотой большей, чем  частота поля статора. Такие режимы используются редко из-за сложности пуска машины: необходим разгонный двигатель либо преобразователь частоты. Примером двигателя этого типа являются двигатели Шраге—Рихтера, в которых для преобразования частоты тока ротора используется коллектор, соединенный с добавочной обмоткой ротора. Регулирование частоты вращения двигателя производится изменением добавочной ЭДС, вводимой в обмотку ротора путем изменения положения щеток на коллекторе.

В машинах постоянного тока поле возбуждения создается постоянным током, а поле якоря — переменным. Преобразование постоянного тока сети в многофазный переменный ток  якоря происходит с помощью механического  преобразователя — коллектора. Частота  переменного тока якоря определяется частотой его вращения, и магнитное поле, создаваемое током якоря, неподвижно относительно поля возбуждения машины.

Бесколлекторные (вентильные) машины постоянного тока, как правило, обращенные, т. е. их обмотки возбуждения, питаемые постоянным током, расположены на вращающемся роторе, а якорные обмотки — на неподвижном статоре. Частота питания якорных обмоток задается статическим преобразователем частоты. Условие взаимной неподвижности полей статора и ротора приводит к возможности регулирования частоты вращения вала двигателя изменением частоты питания его якорных обмоток. С этой точки зрения вентильные машины постоянного тока могут рассматриваться как синхронные, обмотки переменного тока которых питаются от преобразователя частоты.

В однофазных коллекторных машинах обмотки возбуждения питаются переменным током и создают пульсирующее поле. Коллектор преобразует однофазный ток питания в многофазный переменный ток с частотой, зависящей от частоты вращения ротора, при которой магнитные поля статора и ротора неподвижны относительно друг друга. Из-за затрудненной коммутации коллекторные машины переменного тока выполняются лишь небольшой мощности.

 

2. Надежность электрических машин и систем

Проблема надежности электрических  систем относиться к задачам определения и оптимизации их показателей на этапах планирования, проектирования, сооружения и эксплуатации. Надежность - свойство объекта или технического устройства выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортировки.

В технике надежность имеет точное значение. Она может быть определена, рассчитана, оценена, измерена, испытана, распределена между отдельными частями системы, объекта, аппаратуры.

Первые систематические попытки  изучения надежности и создания ее теории связаны с техническим прогрессом в 40-50 годах, когда недостаточная надежность стала тормозом на пути реализации новых идей в авиации, кораблестроении, ракетостроении, радиотехники, ядерной и космической промышленности. Применительно к энергосистемам основные принципы расчета надежности были даны в 30- 40-х годах. Первые серьезные работы в области надежности энергосистем были посвящены расчетам резерва. Теория надежности применительно к энергосистемам имеет ряд особенностей и опирается на спецдисциплины («Электрические системы и сети», «Переходные процессы в энергосистемах», «Электрические машины», «Релейную защиту и автоматику»).

Теория надежности энергосистем основывается на вероятностно-статистической природе ее поведения. В последнее время с увеличением системных аварий, разрабатываются методы оценки вероятности и путем их каскадного развития, обусловленных отказами автоматики и коммутационной аппаратуры, возникновение недопустимых режимов работы элементов. Так как отказ элемента при обширной зоне действия на другие элементы вызывает необходимость работы автоматических коммутационных аппаратов, которые тоже могут отказать. Возникает задача составления расчетных схем по надежности.

Для применения при анализе надежности энергосистемы теории вероятности  энергосистема должна быть избыточной (избыточность - дополнительные средства и возможности для выполнения энергосистемой заданных функций). Избыточность энергосистемы выступает в следующих формах.

1. Резервирование (повышение надежности дублированием элементов и функций, предоставление дополнительного времени для выполнения задачи, использование избыточно информации при управлении);

2. Совершенствование конструкций и материалов из которых сделаны элементы энергосистемы, повышение их запасов прочности, долговечности, устойчивости неблагоприятным явлениям внешней и внутренней среды;

3. Совершенствование технического обслуживания, оптимизация периодичности и глубины капитальных и профилактических ремонтов, снижение продолжительности аварийных ремонтов;

4. Совершенствование систем контроля и управления процессами в электрических системах. Проблема надежности управления энергосистем (как и других технических систем) за последние 2-3 десятилетия резко обострилась.

Это вызвано следующими причинами:

1. Резким увеличением сложности  энергосистем, включающих миллионы потребителей, тысячи узлов и элементов;

2. Экстремальностью условий эксплуатации многих элементов энергосистем (высокие скорости, ускорения, температуры и давления, вибрация, повышенная радиация и т.д.);

3. Повышение требований к качеству  работы (эффективность, высокие параметры энергии);

4. Увеличение ответственности функций выполняемых энергосистемой, высокой экономической и технической ценой отказа);

5. Полной или частичной автоматизацией, широким использованием ПЭВМ для управления, и как следствие, исключением или уменьшением непосредственного контроля человеком работы энергосистемы и ее элементов.

 

3. Электроприводы, классификация, режим работы

Электрический привод представляет собой электромеханическое устройство, предназначенное для приведения в движение рабочего органа машины и управления ее технологическим процессом. Он состоит из трех частей: электрического двигателя, осуществляющего электромеханическое преобразование энергии, механической части, передающей механическую энергию рабочему органу машины, и системы управления, обеспечивающей оптимальное по тем или иным критериям управление технологическим процессом. Характеристики двигателя и возможности системы управления определяют производительность механизма, точность выполнения технологических операций, динамические нагрузки механического оборудования и ряд других факторов. С другой стороны, нагрузка механической части привода, условия движения ее связанных масс, точность передач и т. п. оказывают влияние на условия работы двигателя и системы управления, поэтому электрические и механические элементы электропривода образуют единую электромеханическую систему, составные части которой находятся в тесном взаимодействии.

Свойства электромеханической  системы оказывают решающее влияние  на важнейшие показатели рабочей  машины и в значительной мере определяют качество и экономическую эффективность технологических процессов. Развитие автоматизированного электропривода ведет к совершенствованию конструкций машин, к коренным изменениям технологических процессов, к дальнейшему прогрессу во всех отраслях народного хозяйства.

Рисунок 3.1 – Схема автоматизированного электропривода

Классификация электроприводов

Электроприводы по способам распределения механической энергии можно разделить на три основных типа: групповой электропривод; индивидуальный и взаимосвязанный.

Групповой электропривод обеспечивает движение исполнительных органов нескольких рабочих машин или нескольких исполнительных органов одной рабочей машины. Передача механической энергии от одного двигателя к нескольким рабочим машинам и ее распределение между ними производится с помощью одной или нескольких трансмиссий. Такой групповой привод называют также трансмиссионным (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 – Структурная схема группового трансмиссионного электропривода

Вследствие своего технического несовершенства трансмиссионный электропривод в настоящее время почти не применяется, он уступил место индивидуальному и взаимосвязанному, хотя в ряде случаев еще находит применение и групповой привод по схеме на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 – Структурная схема группового электропривода

Индивидуальный привод по сравнению с трансмиссионным и групповым обладает рядом преимуществ: производственные помещения не загромождаются тяжелыми трансмиссиями и передаточными устройствами; улучшаются условия работы и повышается производительность труда вследствие облегчения управления отдельными механизмами, уменьшения запыленности помещений, лучшего освещения рабочих мест; снижается травматизм обслуживающего персонала. Кроме того, индивидуальный электропривод отличается более высокими энергетическими показателями.

В трансмиссионном приводе при  выходе из строя или при ремонте  электродвигателя выбывает из работы группа машин, тогда как в случае индивидуального привода или  группового по схеме на рисунке  3.3 остановка одного электродвигателя вызывает остановку лишь одной рабочей машины.

 

Рисунок 3.4 – Индивидуальные электроприводы рабочих органов (шпинделей) продольно-фрезерного станка

Индивидуальный электропривод  широко применяется в различных  современных машинах, например в  сложных металлорежущих станках, в прокатных станах металлургического производства, в подъемно-транспортных машинах, экскаваторах, в роботах-манипуляторах и т. п.

Примером использования индивидуального  привода может служить продольно-фрезерный  станок (рисунок 3.4), имеющий отдельные электроприводы главных движений (приводы трех шпиндельных бабок).