книги из ГПНТБ / Вершинин П.П. Применение синхронных электроприводов в металлургии

ловин. Контактную поверхность колец шлифуют после

посадки на вал.

Траверса для крепления щеткодержателей состоит из двух медных или стальных оцинкованных шин, при­ крепленных изолированными шпильками к стальному сварному шинодержателю, который в свою очередь при­ креплен к крышке стоякового подшипника или к ра­ ме электродвигателя. К шинам траверсы при помощи стальных винтов прикрепляют алюминиевые щеткодер­ жатели с пружинами, обеспечивающими надежность прилегания щеток к поверхности контактных колец. Щетки — электрографитовые марки ЭГ4 или ЭГЗ.

Подшипники в синхронных двигателях применяют стояковые скользящего трения с принудительной или комбинированной (принудительной и кольцевой) смаз­ кой. Стояки, крышки, а также вкладыши подшипников изготавливают чугунными, литыми. Вкладыши делают разъемными, рабочую поверхность их заливают бабби­ том. Верхнюю половину вкладыша заливают баббитом только по краям. Подшипники снабжены уплотнениями во избежание попадания масла внутрь машины. Одно­ сторонний зазор между вкладышем и шейкой вала допу­ скается в пределах 0,1—0,15 мм, величина разбега рото­ ра в подшипниках устанавливается 3— 6 мм (больший размер для машин от 20-го габарита и выше).

Для предохранения от паразитных токов в валу под­ шипник со стороны, противоположной приводимому ме­ ханизму, а также основание под возбудитель, присоеди­ ненный к двигателю, устанавливают на изоляционные листы из гетинакса. Болты, крепящие эти подшипники к фундаментной плите, надежно изолируют от подшип­ ников изоляционными втулками и шайбами.

Системы охлаждения синхронных двигателей

Все современные синхронные двигатели имеют воз­ душное охлаждение1. По способу охлаждения синхрон­ ные двигатели делятся на: •

а) двигатели с естественным охлаждением, не имею щие специальных вентиляторов. Циркуляция охлажда­ ющего воздуха в таких двигателях обеспечивается венти­

1 В зарубежной практике известны опытные образцы синхрон­ ных двигателей большой мощности с водяным охлаждением,

50

Отметим, однако, что рекомендуемые нормы перепада температур воздуха на входе и выходе из машины т== = 18-^27°С практически осуществить трудно вследствие отсутствия в летнее время холодной воды и загрязнения воздухоохладителей. Многократные тепловые испытания

Рис. 17. Синхронный двигатель с самовёнтиляцией

52

Мощных синхронных двигателей показали, что этот пере­ пад находится в пределах 12—18° С.

Заслуживает внимания схема встречной вентиля­ ции тихоходных синхрон­ ных двигателей (рис. 19).

Вотличие от обычной ради­ альной вентиляции в новой схеме воздух подводится не

вмежполюсные каналы ро­ тора, а в камеру станины статора между сердечником

ивнешней обшивкой. За­ тем воздух под давлением проходит через вентиляци­ онные каналы между паке­ тами сердечника в направ­ лении от спинки статора к расточке, омывает обмотку возбуждения двигателя и выбрасывается из машины.

Всхемах встречной венти­ ляции улучшается использо­ вание теплоотдающей по­ верхности спинки и каналов

всердечнике статора и до­

верхностью и воздухом. В результате этого повышается перегрев воздуха в машине, а нагревание пазовой части обмотки статора удается существенно уменьшить.

Глава II

РАБОТА СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

ВАНОРМАЛЬНЫХ РЕЖИМАХ

1.АСИНХРОННЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Наряду с нормальным синхронным режимом при эксплу­ атации синхронных двигателей возможны кратковре­ менные асинхронные режимы, отличающиеся от нор­ мального тем, что двигатель в течение некоторого про­

53

межутка времени работает со скольжением, отличным от нуля.

Кратковременный асинхронный режим может быть либо эксплуатационным, необходимым для последующей нормальной работы машины, например, асинхронный пуск синхронного двигателя, либо аварийным, возникаю­ щим в результате выпадания двигателя из синхронизма под действием различных возмущений, источниками ко­ торых являются или питающая сеть (посадка напряже­ ния при коротком замыкании), или механизм, приводи­ мый синхронным двигателем (наброс нагрузки, превы­ шающей максимально допустимую), или возбудитель («потеря» возбуждения) *.

На рис. 10 построены зависимости M =f(0) при раз­ личных значениях напряжения питания (для неявнопо­ люсной машины). Если момент нагрузки равен. Мсь то двигатель работает в точке 1 характеристики Mi = f(0).

Этой точке соответствует угол 0i<9O°. При некотором снижении напряжения (U2< iU B) вращающий момент двигателя согласно выражению (1-34) в первый момент времени уменьшается до значения М'2, определяемого

точкой 2' характеристики M2 = f(Q). Под действием тор­ мозного момента (М^ —М2) угол 0 увеличивается до

значения 02(01< 02< 9О°), а вращающий момент двига­

теля растет до значения М2 = Мси следовательно, устой­ чивая работа теперь будет в точке 2.

При глубокой посадке напряжения (U3< .U 2) враща­ ющий момент уменьшается в первый момент до M'3j

определяемого точкой 3' характеристики M3=f(Q). В этом случае момент нагрузки Мсi больше максималь­ ного вращающего момента двигателя М3м и под действи­ ем тормозного момента (Мс1— М 3) угол 0 растет до тех

пор, пока двигатель не выпадет из синхронизма.

Если момент нагрузки меньше максимального асин­ хронного момента двигателя, то последний переходит в асинхронный режим и работает со скоростью, опреде­ ляемой точкой А пересечения характеристики момента нагрузки M = f(s) и асинхронного вращающего момента двигателя Ma= /(s) (рис. 20).

1 Кратковременные, порядка 0,5—-0,6 с, асинхронные режимы, возникающие при переходных процессах, например в момент наброса и сброса нагрузки, в данном случае не рассматриваются.

54

В противном 'случае, если Мс> М ам, двигатель затор­ маживается до полной остановки.

Аналогичная картина наблюдается и в случае чрез­ мерного роста момента нагрузки, если Мг становится

больше Mim (см. рис. 10 ).

В асинхронном режиме двигатель потребляет значи­ тельную реактивную мощность, что может неблагоприят­ но отразиться на режиме напряжений сети. Резко увели­ чивается сила тока статора, особенно при сохранении

Рис. 20. Определение среднего асинхронного момента и момента сопротивления

питания обмотки возбуждения; возрастают потери в пу­ сковой обмотке (или в массивной бочке ротора неявно­ полюсных машин). Вследствие неравномерного распре­ деления токов в стержнях пусковой обмотки (так как она занимает лишь часть полюсного деления) возникают локальные нагревы и значительные механические напря­ жения в местах соединения стержней с короткозамыкающими кольцами. Локальные нагревы неявнополюсных машин возникают по торцам бочки ротора, особенно

вместах соприкосновения стальных поверхностей бочки

ипазовых клиньев.

Врезультате действия всех указанных факторов ра­ бота синхронного двигателя в асинхронном режиме мо­ жет вызвать нагрев статора и ротора до температуры,

значительно превышающей допустимую, и, соответст­ венно, преждевременный выход двигателя из строя.

Допустимая продолжительность асинхронного режи­

55

ма определяется прежде всего нагревом статора и рото­ ра. Исследования, проведенные в этой области [21], по­ казали, что при выпадании двигателя из синхронизма и кратковременной его работе в асинхронном режиме, лимитирующей по условиям нагрева, является обмотка статора.

Величина тока, потребляемого двигателем в асин­ хронном режиме при отсутствии питания обмотки воз­ буждения, не остается постоянной, а колеблется относи­ тельно некоторого среднего значения с двойной частотой

где U — напряжение на зажимах двигателя в асинхрон­ ном режиме, относительные единицы;

М — момент нагрузки, относительные единицы; ki — кратность пускового тока.

Выражением (II-1) можно также пользоваться для определения кратности тока в том случае, если обмотка возбуждения замкнута на разрядное сопротивление.

Если работающий в асинхронном режиме двигатель возбужден, то на ток статора, пульсирующий с двойной частотой, дополнительно накладывается ток с частотой скольжения, обусловленной наличием возбуждения. В этом случае максимальная сила тока статора может намного превышать номинальную силу тока двигателя и в зависимости от возбуждения при малых скольжени­ ях (в пределах устойчивой части характеристики асин­ хронного момента, т. е. при 0, l > s > 0) может превысить

начальную силу пускового тока двигателя.

По условиям нагрева статора ограничение времени работы в асинхронном режиме можно определить по уп­ рощенному выражению [22], предполагая, что процесс

нагрева статора является адиабатическим, т. е. теплоот­ дача в окружающую среду отсутствует

175 де[

(Н-2)

где 4 — продолжительность работы в асинхронном режиме, с;

56

АО] — допустимое превышение температуры обмоток,

зависящее от класса изоляции по теплостойко­ сти, °С;

kia — среднее значение кратности тока в асинхрон­ ном режиме;

/ — номинальная плотность тока, А/мм2. Плотность тока /н для синхронных двигателей при

напряжении 6 кВ принимается 4,5—5 А/мм2. На практи­

ке продолжительность работы в асинхронном режиме допускается несколько больше, чем полученная по фор­ муле (И-2).

При асинхронном пуске синхронного двигателя огра­ ничивающим по условиям нагрева элементом двигателя является ротор. В зависимости от исполнения ротора его отдельные узлы при пуске испытывают различные тепло­ вые нагрузки. При пуске явнополюсных двигателей боль­ ше всего нагреваются стержни пусковой клетки (или массивные башмаки полюсов при отсутствии стержней), гораздо в меньшей степени — короткозамыкающие коль­ ца; практически почти не оказывает влияние на нагрев ротора обмотка возбуждения.

Наиболее напряженным элементом неявнополюсных быстроходных машин, с точки зрения нагрева, при асин­ хронном пуске являются верхние слои (зубцовая зона) массивной бочки ротора. Токи, наводимые в бочке рото­ ра при пуске, распространяются в поверхностном слое, а глубина их проникновения в этот слой зависит от ча­ стоты наводимого тока, т. е. от скольжения. Выделяемая в массивном роторе тепловая энергия по отношению к полному объему ротора сравнительно невелика и недо­ статочна для его значительного нагрева. Но если учесть, что эта энергия выделяется в тонком поверхностном слое и за время пуска не успевает распространиться по всему объему ротора, то окажется, что температура верхних слоев может быть весьма высокой и в зависимости от условий пуска значительно превышать максимально до­ пустимую (200° С).

Расчет нагрева ротора за время асинхронного пуска более сложен, чем расчет нагрева обмотки статора. Это объясняется тем, что обычно неизвестно распределение выделенной при пуске тепловой энергии между конструк­ тивными элементами ротора. Поэтому при расчете на­ грева принимают ряд допущений. Например, для явно­ полюсного двигателя с пусковой обмоткой и замы­

57

кающими кольцами считают, что процесс идет без теплоотдачи, вся тепловая энергия выделяется только в стержнях и полностью расходуется на их нагрев.

При этих условиях на практике для приближенного расчета нагрева медных (или латунных) стержней полу­ чила распространение следующая формула [22]:

где 0°— температура нагрева стержней пусковой об­

мотки, °С;

■Р н — номинальная мощность двигателя, кВт;

Тм— электромеханическая постоянная времени агрегата, с;

GDIА

CD\Гр— маховой момент агрегата, кгс-м2;

пн— номинальная скорость вращения, об/мин; Gc— суммарная масса стержней пусковой обмот­

ки, кг; Ма.ср— средний асинхронный момент двигателя за

время пуска, отн. ед.;

Afc.'cp— средний момент сопротивления механизма за время пуска, отн. ед. .

Максимально допустимая температура стержней об­ мотки при расчете по уравнению (П-3) с учетом приня­ тых допущений берется равной 300°С*.

Средний асинхронный момент двигателя Ма.Ср и сред­ ний момент механизма определяется графоаналитически по характеристикам Ma= f(s) и Mc= f (s) (рис. 20). Для этого характеристики в исследуемом интервале от Si до s2 (например, Si = l; s2= 0,05) разбивают вертикальными

отрезками на п равных участков

As = % *2

П

На каждом участке находят среднее значение мо­ ментов

! + >ПК

ГП: =

* Действительная допустимая температура гораздо ниже

(150—200° С).

58

Средний момент в исследуемом интервале от Si до s2 будет равен

Характеристику M&= f(s) в относительных единицах можно построить по каталожным данным, используя из­ вестное выражение

Ма,м— кратность максимального асинхронного мо­ мента;

kM— кратность пускового момента;

U — напряжение на зажимах двигателя.

Если значение Ма.м в каталогах отсутствует, то его можно найти по приближенной формуле [19]

59