Неисправности электрооборудования и способы их устранения

Неисправности электрооборудования и способы их устранения. Москва, «Колос», 1974.

В книге приведены основные характерные неисправности электрооборудования в сельском хозяйстве, причины их возникновения, способы обнаружения и меры по устранению. Описано также устройство и принцип действия электрооборудования и меры по технике безопасности при испытаниях и ремонте электрооборудования.
Рассчитана на сельских электриков.

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
Устройство асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором

Асинхронный двигатель состоит из следующих основных частей: станины, активной стали статора, обмотки статора, активной стали ротора, короткозамкнутой обмотки ротора, вала ротора, подшипниковых щитов, подшипников, вентилятора, фланцев и деталей крепежа. На рисунке 1 показан асинхронный двигатель с коротко замкнутым ротором.
Станину изготовляют литой из чугуна или алюминия. В ней сделаны вентиляционные окна для охлаждения двигателя, а в двигателях с наружным вентилятором станина снабжается ребрами, увеличивающими поверхность ее охлаждения.
Активную сталь статора набирают из штампованных листов специальной электротехнической стали толщиной 0,5 мм (рис. 2). После штамповки листы собирают в пакет, плотно сжимают при помощи специальных приспособлений, запрессовывают в станину и закрепляют там при помощи пружинных колец. В крупных машинах листы активной стали изолируют один от другого лаком, а в малых машинах изоляцией между листами служит пленка окисла. Активная сталь статора является частью магнитной цепи машины. В пазы активной стали укладывают обмотку статора.
Обмотку статора выполняют из круглого или прямоугольного изолированного провода (медного или алюминиевого). Обмотка статора является наиболее сложной и ответственной частью асинхронного двигателя, именно она чаще всего выходит из строя.

Рис. 1. Разрез асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором серии А02:
1 — корпус; 2 — статор; 3 — ротор: 4 — крышка; 5 — внутренняя крышка; 6 — роликовый подшипник; 7 — крышка подшипника; 8 — вал; 9 — прокладка; 10 — вентиляционные лопатки ротора; 11 — паз обмотки статора; 12— обмотка статора; 13 — вентилятор; 14 — кожух.

Рис. 3. Развертка активной стали статора:
1 — зубчатая рейка; 2 — вид активной стали на развернутых схемах обмотки.
Простейшим элементом обмотки является виток — часть обмотки, состоящая из двух последовательно соединенных проводников, уложенных в двух пазах активной стали статора, находящихся на расстоянии, равном шагу обмотки по пазам. Несколько последовательно соединенных витков, расположенных в двух пазах на расстоянии шага обмотки один от другого, образуют катушку. Несколько соединенных последовательно катушек, находящихся в соседних пазах, образуют катушечную группу. Из катушечных групп образуются фазы обмотки.

Рис. 2. Активная сталь статора.
Существует очень много различных обмоток. Мы рассмотрим лишь некоторые из них. Обмотки будем изображать развернутыми на плоскость. Для этого мысленно разрежем полый цилиндр активной стали статора по образующей и развернем его на плоскость, развертка будет представлять зубчатую рейку, состоящую из зубцов и пазов (рис. 3). На рисунке 4 показаны: виток 1, катушка 2, состоящая из двух витков, и катушечная группа 3, состоящая из трех одновитковых катушек. В дальнейшем будем изображать на схемах только одновитковые катушки. Все обмотки машин переменного тока можно разделить на два больших класса: двухслойные и однослойные. В двухслойных обмотках пазовая часть одной катушки занимает нижнюю половину одного паза и верхнюю половину другого паза (всего один паз). В однослойных обмотках пазовая часть одной катушки занимает два паза. Во всех фазах обмотки должно быть одинаковое число витков, а следовательно, одинаковое число катушек и катушечных групп.
Число полюсов машины связано с синхронной частотой вращения машины (частота вращения магнитного поля) следующей зависимостью:
 
где 2р — число полюсов машины; f — частота сети, Гц; п1— синхронная частота вращения машины.

Рис. 4. Элементы обмоток:
1 — виток; 2 — двухвитковая катушка; 3 — катушечная группа, состоящая из трех одновитковых катушек.
Число полюсов машины может быть только четным. В СССР частота сети равна 50 Гц, и, следовательно, формулу можно переписать так:

(2)

Зная частоту вращения ротора (указывается в паспорте) и округлив ее до ближайшей большей синхронной частоты, можно определить по формуле 2 число полюсов машины. Далее приведены синхронные частоты вращения машин, подсчитанные по формуле 2.

Полюсное деление машины представляет собой расстояние между центрами двух соседних полюсов машины:

где — полюсное деление машины, выраженное числом пазов;
Z— число пазов машины.
Число пазов на полюс и фазу определяют по формуле

где т — число фаз машины.
Число пазов на полюс и фазу численно равно числу катушек в катушечной группе, исключением являются однослойные обмотки «вразвалку», у которых число катушек в катушечной группе является частью q. Шаг обмотки по пазам указывает на то, что если левая сторона каждой катушки находится в первом пазу, то правая сторона этой катушки находится в пазу, номер которого равен единице плюс шаг обмотки. Для двухслойных обмоток шаг обмотки по пазам определяют по формуле

В данной формуле меньшие цифры берут для обмоток с меньшим числом полюсов.
Шаг обмотки по пазам для однослойных обмоток равен полюсному делению, то есть
(6)
Однако следует отметить, что шаг для большинства однослойных обмоток выбирают таким, чтобы внутри малой катушки оставалось 2q пустых пазов. Одна пара полюсов машин соответствует 360 электрическим градусам, и, следовательно, электрический градус меньше геометрического в р раз. Начала фаз обмотки трехфазной машины смещены на 120 электрических градусов друг от друга. Шаг между началами соседних фаз, измеренный числом пазов, находят по формуле
(7)
где р — число пар полюсов машины.
Шаг между началами катушечных групп, принадлежащих к одной фазе, измеренный числом пазов, определяют по следующим формулам:
для двухслойных обмоток и однослойных «вразвалку»
(8)
для однослойных обмоток
(9)
Число катушечных групп в фазе двухслойной обмотки и однослойной «вразвалку»
(10)
Число катушечных групп в фазе однослойной обмотки
(11)
Рассмотрим несколько обмоток на конкретных примерах.
Двухслойная петлевая обмотка с целым числом пазов на полюс и фазу. Пусть Z = 36; т = 3; п1=1500 об/мин; f= 50 Гц. Проведем необходимые расчеты.
Число полюсов машины

Число пазов на полюс и фазу

В каждой катушечной группе будет три катушки.
Шаг обмотки по пазам

Шаг между началами соседних фаз

Шаг между началами катушечных групп, принадлежащих к одной фазе,

Число катушечных групп в фазе Кф = 2р = 4.
Полученная обмотка изображена на рисунке 5. Первая фаза показана жирными линиями, вторая — менее жирными линиями, а третья — тонкими. Начало и конец первой фазы обозначены Сi—С4, второй С2—С5, третьей Сз—С6. Сплошными линиями показана верхняя (видимая) часть обмотки всех фаз, а пунктирными линиями — нижняя (невидимая) часть обмотки всех фаз. На рисунке сверху поставлены порядковые номера катушечных групп обмотки, а снизу размечена принадлежность катушечных групп к соответствующим фазам. На схеме стрелками показано направление тока в третьей фазе. Ток, протекая по фазе, образует четыре полюса, что отчетливо видно с помощью стрелок. Центр каждого паза на рисунке обозначен числами от 1 до 36. Можно заметить, что в некоторых пазах лежат катушки разных фаз. Это бывает в том случае, когда y<Tz.

Рис. 5. Развернутая схема двухслойной обмотки .
Чтобы предотвратить пробой изоляции между фазами, в пазы между катушками укладывают усиленную изоляцию. Из рисунка видно, что катушечные группы, принадлежащие к одной фазе, соединяются последовательно по принципу конец с концом и начало с началом. От обмотки выводится шесть концов, которые могут быть соединены в звезду (рис. 6, а) или треугольник (рис. 6, б).

Рис. 6. Соединение выводных концов обмотки статора: а — звездой; б — треугольником.

Упрощенная схема обмотки дает достаточное представление об обмотке и может быть быстро  составлена. При составлении упрощенной схемы катушечная группа изображается в виде одновитковой катушки (рис. 7). На рисунке 8 показана упрощенная схема двухслойной обмотки.
В крупных машинах катушечные группы в фазе могут быть соединены в несколько параллельных ветвей, при этом число витков в каждой ветви должно быть одинаковым. Число катушечных групп фазы должно делиться на число параллельных ветвей без остатка.
Обмотки, показанные на рисунках 5 и 8, можно соединить в две и четыре параллельные ветви. Для составления схемы фазы, имеющей параллельные ветви, мысленно соединяют катушечные группы последовательно и ставят направление тока в них. Далее катушечные группы соединяют так, чтобы ток одновременно подавался во столько групп, сколько нужно создать параллельных ветвей, направление тока в группах при этом должно быть таким же, как и при последовательной схеме.
На рисунке 9, а показана упрощенная схема фазы, соединенная в две параллельные ветви, а на рисунке 9,6— в четыре. На рисунках по направлению тока в группах отчетливо просматриваются четыре полюса. Остальные фазы обмотки соединяют аналогично.
Однослойная шаблонная обмотка «вразвалку». Обмотка характерна тем, что ее катушечную группу получают путем «разваливания» а на две части.
Пусть Z—24; 2р = 2; т = 3.
Проведем необходимые расчеты.
Число пазов на полюс и фазу
а — катушечная группа развернутой схемы; б — катушечная группа упрощенной схемы.

Рис. 7. Замена катушечной группы одновитковой катушкой для упрощенной схемы:

«Разваливая» q на две равные части, получим две катушки в катушечной группе.

Рис. 8. Упрощенная схема двухслойной обмотки.

Рис. 9. Соединение катушечных групп фазы двухслойной
обмотки:
а — в две параллельные ветви; б — в четыре параллельные ветви.

Рис. 10. Развернутая схема шаблонной обмотки «вразвалку».
Шаг обмотки по пазам определим, оставляя внутри малой катушки 2q=8 пустых пазов, тогда у1=9; у2=11. Шаг между началом соседних фаз

Шаг между началами катушечных групп, принадлежащих к одной фазе,

Число катушечных групп Кф = 2р = 2.
Обмотка соединяется, как двухслойная. Развернутая схема обмотки показана на рисунке 10.
Активную сталь ротора набирают из штампованных листов специальной электротехнической стали толщиной 0,5 мм. После штамповки листы собирают в пакет, плотно сжимают, насаживают на вал машины и закрепляют.
В пазах ротора размещается короткозамкнутая обмотка.
Изоляцией  между листами ротора обычно служит пленка окисла.
Активная сталь ротора является частью магнитной цепи машины.

Короткозамкнутая обмотка ротора (рис. 11). Если в пазы ротора уложены голые медные или алюминиевые стержни, концы которых замкнуты накоротко кольцами, то такая обмотка называется короткозамкнутой (рис. 12). Короткозамкнутую обмотку ротора делают в трех модификациях: с нормальной клеткой, с двойной клеткой и с глубоким пазом (рис. 11,а, б, в).

Рис. 11. Роторы короткозамкнутые:
а — с обычной клеткой; б — с двойной клеткой; в — с глубоким пазом.

Рис. 13. Короткозамкнутый ротор с алюминиевой литой обмоткой.

Рис. 12. Беличья клетка ротора.
Чаще всего клетку  получают путем отливки из алюминия, одновременно отливают коротко замыкающие кольца с вентиляционными лопастями (рис. 13). Выполняют роторные обмотки также из меди и ее сплавов. В пазы прямоугольной или трапецеидальной формы забивают стержни, к стержням с обеих сторон припаивают твердым припоем замыкающие кольца.
Вал ротора, подшипниковые щиты, подшипники, вентилятор, фланцы, детали крепежа. Вал ротора является ответственной деталью. От жесткости вала и точности его обработки зависит равномерность воздушного зазора между статором и ротором. Валы диаметром до 100 мм обычно изготавливают из стального проката.
Подшипниковые щиты, служащие для конструктивного соединения вала ротора со станиной, отливают из чугуна или алюминия, иногда делают сварными из стали.
В электрических машинах применяют подшипники качения шариковые и роликовые, а также подшипники скольжения. Встроенный вентилятор, сидящий на валу ротора, должен создать определенное давление для прогонки достаточного количества воздуха через машину. В электрических машинах используют вентиляторы трех типов: центробежные, осевые, смешанные. У машин закрытого типа вентилятор ставится на выступающий конец вала.
Для защиты обмоток от попадания влаги и для направления движения воздуха в двигателях применяют металлические диффузоры. Фланцы и детали крепежа используют обычные, как и в других устройствах.

Рис. 14. Фазный ротор асинхронного двигателя:
1 — сердечник ротора; 2 — обмотка ротора; 3 — контактное кольцо.

Рис. 15. Продольный разрез асинхронного двигателя с фазным
ротором: 1 —вал; 2 — активная сталь ротора; 3— обмотка статора; 4 — станина; 5— активная сталь статора; 6 — подшипниковый щит; 7 — контактные кольца; 8 — щитки; 9 — коробка выводов.


Рис. 16. Модель асинхронного двигателя: 1 — постоянный магнит; 2 — медный диск; 3 — рукоятка; 4—подшипники.

Величина воздушного зазора между статором и ротором (порядка 0,2-1,2 мм) оказывает большое влияние на работу двигателя. С увеличением зазора энергетические показатели двигателя резко ухудшаются.

Асинхронный двигатель с фазным ротором

Асинхронный двигатель с фазным ротором отличается от двигателя с короткозамкнутым ротором только устройством ротора и наличием щеточного аппарата. В пазы ротора этого двигателя укладывают трехфазную обмотку, аналогичную обмотке статора. Роторную обмотку соединяют звездой, редко треугольником. Три конца роторной обмотки присоединяют к трем контактным кольцам, изолированным один от другого и от вала ротора. Контактные кольца изготавливают из меди, бронзы, редко из стали. Фазный ротор показан на рисунке 14.
Продольный разрез двигателя с фазным ротором показан на рисунке 15.

Принцип действия асинхронного двигателя

Рассмотрим устройство, показанное на рисунке 16. Оно состоит из постоянного магнита 1, медного диска 2, рукоятки 3 и подшипников 4. Если вращать магнит при помощи рукоятки, то медный диск начинает вращаться в ту же сторону, но с меньшей частотой вращения. Медный диск можно рассматривать, как бесчисленное множество замкнутых витков; при вращении магнита 1 его магнитные силовые линии (м. с. л.) пересекают витки диска, и в витках индуктируется электродвижущая сила (э. д. с.). В замкнутых витках диска появится ток, а вокруг проводников с током — магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем магнита и приводит диск во вращение обозначим:
пх—частота вращения магнита (синхронная частота), об/мин;
п2—частота вращения диска, об/мин; п— разность частот вращения магнита и диска, об/мин. Частота вращения диска меньше частоты вращения магнита, и, следовательно, диск вращается с несинхронной (асинхронной) частотой. Разница частот магнита и диска представляет собой частоту, с которой м. с. л. пересекают витки диска. Отношение разницы частот к синхронной частоте называется скольжением. Скольжение может быть выражено в долях единицы и в процентах:

В двигателях вращающееся магнитное поле создается трехфазным током, протекающим по обмотке статора, а роль диска выполняет обмотка ротора. Активная сталь статора и ротора служит магнитопроводом, уменьшающим в сотни раз сопротивление магнитному потоку. Ротор двигателя вращается с асинхронной частотой п2, поэтому и двигатель называется асинхронным. Частоту вращения магнитного потока называют синхронной частотой и определяют по формуле 1. Частота вращения ротора

При номинальной нагрузке асинхронного двигателя частота вращения ротора м2 мало отличается от частоты вращения поля п1, так как номинальное скольжение s лежит в пределах 0,01 -f-0,07. Скольжение изменяется от нуля до единицы, причем оно может быть равно единице, но всегда несколько больше нуля.

Номинальные данные асинхронного двигателя

Полезная мощность, на которую рассчитан двигатель по условиям нагрева и длительной безаварийной работы, называется номинальной. Все величины, характеризующие работу двигателя при номинальной мощности, называются номинальными. Номинальные данные двигателя указываются в паспортной табличке, прикрепленной к корпусу двигателя.

Электрические величины, перечисленные в паспортной табличке двигателя, связаны следующей формулой, кВт:
(15)