Станину двигателей переменного тока серии МТ (рис. 2.5) отливают из чугуна с ребрами для лучшего охлаждения двигателя, с расположенной наверху клеммной коробкой и двумя отверстиями в нижней части станины (с двух сторон пакета статора) для слива конденсата.
В двигателях новых серий 4МТ112, 4МТ132 и 4МТ160 станины одинаковы и не зависят от длины пакета статора; глубокий подшипниковый щит отсутствует, коллекторный люк выполняют в станине. Таким образом, станина унифицирована для двигателей четырех исполнений каждого габарита: с фазовым и короткозамкнутым ротором, с коротким и длинным пакетами статора.
Сердечник статора набирают из покрытых лаком штампованных листов электротехнической горячекатаной стали 1213 (Э13) толщиной 0,5 мм, на двигателях малых габаритов с h ? 132 мм применяют листы стали толщиной 1,0 мм. В двигателях новой серии 4МТ и в модернизированных двигателях старых серий MTF и МТН применяют также листы холоднокатаной электротехнической стали 2011 или 2013 толщиной 0,5 мм, оксидированной или без дополнительного покрытия для двигателей малых габаритов.
Сердечник ротора имеет относительно небольшие потери в стали, поэтому листы фазовых роторов обычно не лакируют. Обязательно шпоночное соединение с валом ротора. Для предотвращения осевого смещения пакет закреплен стальной втулкой или втулкой из спеченных материалов. Применение холоднокатаной электротехнической стали уменьшает возможность изгиба вала после насадки ротора, увеличивает на 3—4 % коэффициент заполнения сталью пакета.
Обмотку статора для двигателей с h ? 250 мм возможно вести механизированным способом при использовании изоляции необходимой механической прочности типа пленкосинтокартон и эмалированного провода ПЭТ200М, способного выдерживать большое удлинение без повреждения эмали. Двигатели 4МТ355(седьмого габарита) имеют жесткие формованные катушки статора, закладываемые в открытые пазы. В остальных двигателях пазы полузакрытые.
Обмотка ротора двигателей малой мощности не требует особых мер по закреплению лобовых частей. У двигателей с h ? 160 мм под внутренней частью лобовых частей располагают изолированное стальное кольцо или кольцо из стеклопластика, к которому лобовые части прикреплены стеклобандажной лентой. При наличии обмоткодержателей применяют также стеклобандажи. В пазовой части обмотка закреплена клином из профильного стеклопластика. Стержневую обмотку ротора применяют на двигателях с h ? 250 мм.
Для закрепления лобовых частей стержневой обмотки ротора предпочтительна стеклобандажная лента, которую накладывают почти по всей ширине лобовых частей; лента исключает отгиб головок при высокой частоте вращения.
В двигателях с фазовым и короткозамкнутым ротором пакет статора с обмоткой унифицирован.
Контактные кольца выполняют из спеченных материалов или из меди. Пластмассовые изоляционные кольца, расположенные между медными, могут быть местом скопления щеточной пыли, поэтому в новых конструкциях дистанционных колец между контактными нет. Последние удерживаются в рабочем положении в результате мощного натяга на изоляционной втулке.
Щетки М1 расположены попарно на каждом кольце. Размеры щеток для двигателей различных габаритов составляют: габаритов 0,1 и 2 — 8?12,5?32 мм; 3 — 10?25?32 мм; 4 и 5 — 12,5?32?40 мм; 6 — 16?40?50 мм; 7 — 16?50?50 мм. Для двигателей МТН700 применены щетки МГ.
Подшипниковый щит литой чугунный, имеет отверстие для запрессовки изолированного пальца щеткодержателя. Для повышения водозащищенности двигателей серии 4МТ предусмотрены плоские люки щеткодержателей. Подшипниковые щиты со стороны привода имеют два отверстия для контроля воздушного зазора в собранном двигателе, к бобышкам щита прикреплен кожух вентилятора. От проворота вентилятор закрепляется шпонкой. При разжимной системе крепления вентилятора шпонка сохраняется.
Клеммная коробка имеет отверстия для подвода кабеля справа и слева. Клеммную рейку в крановых двигателях не делают по соображениям техники безопасности, так как даже при снятой крышке клеммной коробки не должно быть возможности касания оголенных участков силовой сети.
На двигателях М4Т112—4МТ160 крышка клеммной коробки объединена с крышкой коллекторного люка. Двигатели серии 4МТ для ввода кабелей имеют сальниковые уплотнения.
Роторы двигателей серий МТF и МТН балансируют только для условий с особо жесткими требованиями по вибрации, а в остальных случаях ротор не балансируют, так как он состоит из деталей и узлов, симметрично расположенных относительно оси вращения. Закрытые двигатели охлаждаются снаружи с помощью вентилятора, расположенного на валу. Двухскоростные электродвигатели выполняют только с короткозамкнутым ротором, имеющим клетку повышенного сопротивления.
Основные соотношения параметров для асинхронных двигателей можно получить из схемы замещения асинхронного двигателя, приведенной на рис. 2.6, а.
Построение круговой диаграммы упрощается, если цепь намагничивания условно отнести к первичным выводам. Из нескольких способов преобразования схемы замещения метод М. П. Костенко наиболее точно отражает первоначальную схему замещения. В преобразованной схеме замещения (рис. 2.6, б) приведенный к статору ток вторичной цепи I”2 является геометрической разностью тока статора I1 и тока намагничивания I0 (при скольжении s = 0) основной схемы замещения.
Выражение полного эквивалентного сопротивления главной цепи будет иметь вид
где 2? — угол поворота линии центра, tg 2 ? ? 2 tg ? =2r1/(х1 + х0); s— скольжение двигателя; ?1 — первичный коэффициент рассеяния, ?1 = 1 + Z1/Z0 (Z1 — полное сопротивление цепи статора; Z0 — полное сопротивление цепи намагничивания).
Диаметр круговой диаграммы
Обычно r12 весьма мало по сравнению с х0, поэтому для двигателей мощностью свыше 5 кВт отношением r12/x0 можно пренебречь. При повороте осей координат окружности круговой диаграммы главной цепи на угол 2? против часовой стрелки на этот же угол поворачиваются по отношению к вектору напряжения фазы Uф все линии и отрезки круговой диаграммы. Угол ?1 наклона линии моментов к линии центра определяют по формуле
Угол ?2 наклона линии полезной мощности к линии центра находят из выражения
Если пренебречь выражением r12/х0, то формулы (2.20) и (2.21) примут вид
Для построения круговой диаграммы определяют значения основных ее отрезков: силы тока холостого хода I0, активной составляющей тока холостого хода I0 а и диаметра круговой диаграммы Dа. Длину отрезка (в мм) определяют делением соответствующего параметра, выраженного в амперах, на масштаб токов mА (в А/мм). Активная составляющая тока холостого хода
где ?Pст — потери в стали статора, Вт; m1 — число фаз.
На рис. 2.7 показано построение диаграммы.
Треугольник холостого хода OO'm строят по ранее найденным значениям, причем OO' = I0/mA. Линию центра круговой диаграммы строят под углом 2?, который может быть найден из формулы
Радиус круговой диаграммы О'О" = Dа/2mА.
Линию электромагнитных моментов проводят под углом ?s=? к линии центра, а линию полезной мощности — из той же точки О' под углом ?s=1 к линии центра.
Согласно круговой диаграмме отрезок аb соответствует максимальному вращающему моменту, cd — пусковому моменту, еf — полезной мощности и механическим потерям, fg— потерям в роторе, отрезок еg, проводимый перпендикулярно к линии центра, — электромагнитному моменту, еh, проводимый перпендикулярно к оси абсцисс, — забираемой из сети активной мощности (для двигательного режима и режима торможения противовключением).
Масштаб мощности (в Вт/мм)
масштаб моментов (в Н?м/мм)
где nс — синхронная частота вращения, об/мин.
Определение основных данных двигателя и построение механических характеристик по круговым диаграммам осуществляют в такой последовательности. Точку на окружности круговой диаграммы, соответствующую мощности Р2 на валу, определяют следующим образом. На перпендикуляре к линии центра от линии мощности откладывают отрезок, равный с учетом добавочных потерь
Через точку k параллельно линии мощности проводят прямую до пересечения с окружностью круговой диаграммы. Точка пересечения е и будет искомой точкой. Затем графически определяют силу тока статора I1 (в А), приведенную силу тока ротора I”2 (в А) и cos ?: I1 = Ое?mА; I”2=O’e?mA; cos ? = eh/(Oe).
Далее аналитическим путем находят все остальные параметры: потребляемую из сети мощность Р1 электрические потери в обмотке статора ?Рэ1, электрические потери в обмотке ротора ?Рэ2 дополнительные потери ?Рдоп и ?:
Действительная сила тока ротора
где ?1, ?2, kоб1 и kоб2 — числа витков и коэффициенты обмоток статора и ротора.
Скольжение двигателя
где ?Рщ — переходные потери в щеточном контакте, Вт, ?Рщ =1,2I2, определяют по действительному значению силы тока фазового ротора, А.
Вращающий момент на валу двигателя (в Н?м)
где Р2 — мощность на валу, кВт; n— максимальная частота вращения, об/мин.
здесь f— частота, Гц; р — число пар полюсов.
Скольжение можно также определить графи чески по круговой диаграмме. Для этого на окружности круговой диаграммы (см. рис. 2.7) произвольно выбирают точку — полюс р, которую лучами соединяют с точкой О' холостого хода, точкой короткого замыкания с и точкой l, где скольжение равно бесконечности. Параллельно линии, соединяющей p c l, проводят линию, отрезок которой, заключенный между О'р и рс, делят на десять равных частей. Этот отрезок является шкалой скольжения в процентах. Для нахождения скольжения достаточно соединить линией искомую точку на круговой диаграмме и точку р: например, для точки а скольжение равно 40%.
Максимальный (критический) момент (в Н?м)
Мощность двигателя (в кВт), потребляемая из сети,
где Ф — магнитный поток двигателя, Вб; cos ? = Rэкв/Zэкв (Rэкв и Zэкв— соответственно активное и полное сопротивления схемы замещения); koб1= 0,8?0,88; ?1— число витков фазы статора.
Магнитный поток двигателя
Выражение расчетной (внутренней) мощности асинхронного двигателя в зависимости от геометрических размеров имеет вид
где D — внутренний диаметр статора, см; l — эффективная длина пакета, см; А — линейная плотность тока, А/см; B?— индукция в воздушном зазоре, Тл.
Расчетную (внутреннюю) мощность двигателя можно выразить так:
где ?1 — первичный коэффициент рассеяния, для односкоростных двигателей ?1= 1,03?1,07. Значения КПД приведены в каталогах на двигатели.
Коэффициент мощности крановых двигателей обычно лежит в пределах 0,68—0,78, для двигателей с фазовым ротором в среднем равен 0,72, с короткозамкнутым — 0,76.
Магнитная индукция в воздушном зазоре в крановых двигателях значительно выше, чем в двигателях общего применения, и находится в пределах 0,8—0,95 Тл.
Потери энергии в электродвигателе определяют расход энергии и КПД двигателя; от распределения потерь в двигателе зависит нагрев его различных частей.
Электрические потери (в Вт) в обмотке статора
где I2 — действительная сила тока фазы трехфазового ротора, А; r2 — действительное активное сопротивление фазы трехфазового ротора, Ом; I”2 — приведенная сила тока ротора, А; r”2—приведенное сопротивление фазы ротора, Ом.
Потери, определяемые по формуле (2.37), включают переходные потери в щеточном контакте для двигателей с фазовым ротором, которые можно подсчитать по отдельной формуле
Дополнительные потери (в Вт) принимают равными 0,5 % потребляемой из сети мощности: Рдоп = 0,005P1. Потери (в Вт) в стали статора на перемагничивание и вихревые токи практически не зависят от нагрузки двигателя.
Усредненные значения потерь в двигателях серий МТF и МТН при ПВ = 40 % приведены в табл. 2.8.
При ПВ = 40 % суммарные потери на единицу наружной поверхности закрытого обдуваемого двигателя с короткозамкнутым ротором составляют около 3000 Вт/м2, а двигателя с фазовым ротором — на 15 % меньше.
Постоянные времени нагрева Т обмоток статора и ротора закрытых двигателей близки между собой и сильно зависят от внешнего обдува двигателей (табл. 2.9). Без внешнего обдува значения Т уменьшаются в 2,5—3 раза.
Соотношения между основными габаритными размерами двигателей определяются главным образом режимом работы электроприводов и в меньшей степени методом регулирования, поэтому серию двигателей с частотным регулированием целесообразно строить, сохраняя основные соотношения, принятые для машин с повторно-кратковременным и кратковременным режимами работы и обычными методами регулирования. Снижение потерь в двигателях при частотном регулировании, особенно в переходных режимах, и возможность значительного увеличения максимального вращающего момента позволяют перейти на большие номинальные синхронные частоты вращения и получить наилучшие показатели по массе и габаритам. Так, в системах только с частотным регулированием (ЧР) удельная масса двигателя составляет около 10 кг/кВт, т. е. почти в 2 раза меньше, чем у полюсно-переключаемого двигателя. В системах комбинированного управления с частотным регулированием (КЧР) для двухскоростных двигателей этот показатель составляет около 14 кг/кВт.
Исходя из оптимизации по минимуму потерь для приводов при повторно-кратковременном режиме работы S3 и по обеспечению максимума вращающего момента (регулирование по постоянству потока) для приводов при кратковременном режиме работы S2, выделяем следующие особенности двигателей для систем с ЧР:
1) при режиме работы SЗ оптимальная синхронная частота вращения двигателей составляет 1900—1800 об/мин для режимов Е1—ЕЗ, снижаясь до 1000—600 об/мин для режима работы Е4 и больших приведенных моментов инерции;
2) при режиме работы SЗ четырехполюсного двигателя с преобразователями инверторного типа оптимальная частота составляет 50—60 Гц, двигатели должны работать при повышении частоты в 1,5—2 раза, номинальном напряжении и соответствующем снижении нагрузки; для приводов с преобразователями непосредственного типа выходная частота не должна превышать 25 Гц при частоте сети 50 Гц, поэтому в ряде случаев целесообразно применять двигатели с 2р = 2; для режимов работы S2 выбирают двигатели с 2р = 4 и 2р = 6;
3) для систем с ЧР обмотку ротора двигателя следует выполнять медной, чтобы получить минимальное скольжение и снизить потери;
4) можно выполнять двигатели на нестандартное напряжение, соответствующее выходному напряжению преобразователя частоты;
5) можно повысить использование активных частей двигателей, например, увеличением индукции в воздушном зазоре на 20—30 % путем повышения напряжения на стандартном двигателе; при этом эквивалентный КПД двигателя повышается, а для улучшения cos ? напряжение на двигателе должно обеспечиваться при минимальном угле открывания тиристоров преобразователя;
6) снижение индуктивности рассеяния ротора в результате открытия пазов, отказа от скоса пазов и др. увеличивает перегрузочную способность двигателей и приводит к снижению потерь в стали;
7) для режима работы S2 двигатели большой мощности в ряде случаев выполняют в шестифазном исполнении, что позволяем оптимально решить вопросы построения преобразователей.
Особенности двигателей для систем с КЧР:
1) оптимальное разграничение зон регулирования позволяет увеличить мощность асинхронных двигателей в 1,5—1,8 раза при сохранении размеров;
2) повышение мощности требует соответствующего увеличения объема обмоток машины;
3) при полюсно-переключаемом исполнении соотношения чисел полюсов обмоток статора выбирают, исходя из максимального использования меди обмоток с учетом режима работы привода; наличие зоны частотного регулирования позволяет исключить тихоходную обмотку (в многоскоростных двигателях), значительно снизить потери в зоне малых скоростей и увеличить полезную мощность P2.
Технические данные ряда разработанных двигателей для систем с ЧР и КЧР приведены в табл. 2.10.
Крановые двигатели с изоляцией класса F обозначают буквами MTF (с фазовым ротором) и MTKF (с короткозамкнутым ротором). Металлургические двигатели с изоляцией класса Н обозначают МТН или МТКН (соответственно с фазным или короткозамкнутым ротором).
Двигатели серий MTF, MTKF и МТН, МТКН изготовляют в соответствии с ГОСТ 185—70 с учетом изменений № 1 и 2, внесенных в 1972 и 1975 гг. Серии построены на восьми диаметрах, имеют семнадцать исполнений с фазовым ротором и одиннадцать с короткозамкнутым ротором. Двигатели характеризуются повышенной перегрузочной способностью, большими пусковыми моментами при сравнительно небольшой силе пускового тока, малым временем разгона.
Основное конструктивное исполнение — горизонтальное на лапах с одним концом вала (IM1000). По заказу двигатели выполняют с двумя одинаковыми концами вала. Двигатели нулевого, первого, второго и третьего габаритов имеют также исполнения IM3010, двигатели четвертого и пятого габаритов — исполнения IM2000 и IM2010.
Коробка выводов статорной обмотки расположена на верхней части станины и имеет с левой и правой стороны по одному отверстию для ввода питающих кабелей. Выводные концы обмотки статора имеют кабельные наконечники для присоединения кабелей питающей сети. Двигатели на одно напряжение (500, 440 и 400 В) имеют обмотку статора, соединенную в звезду, и три выводных конца, обозначенных Cl, С2, СЗ. Двигатели на два напряжения (380/220 и 415/240 В) имеют обмотку статора с шестью выводными концами, обозначенными по фазам начало—конец: первая фаза Cl—С4, вторая С2—С5, третья СЗ—С6; обмотка может соединяться в звезду или треугольник.
Двигатели присоединяют к механизму с помощью муфты или зубчатой передачи.
В соответствии с ГОСТ 15150—69 двигатели MTF и MTKF изготовляют климатического исполнения У, категории размещения 1; двигатели МТН и МТКН — климатического исполнения У, Т и XЛ, категории размещения 1.
Степень защиты двигателей всех габаритов в закрытом обдуваемом исполнении — IP44. Кроме того, двигатели с фазовым ротором пятого—седьмого габаритов имеют защищенное исполнение с независимой вентиляцией.
Двигатели изготовляют на частоту 50 Гц и напряжения 220/380 и 500 В. Для поставки на экспорт, двигатели МТН и МТКН выпускают также на частоту 50 Гц и напряжения 400 и 240/415 В и на 60 Гц, 220/380 и 440 В. Двигатели на частоту 50 Гц могут, как правило, включаться в сеть с частотой 60 Гц. Синхронная частота вращения при этом увеличивается на 20 %. Если напряжение в сети частотой 60 Гц на 20 % выше напряжения в сети частотой 50 Гц, то номинальная мощность двигателя может быть увеличена на 10—15 %. Кратности пусковых моментов и пусковых токов приближенно можно считать неизменными. Если номинальное напряжение сети частотой 60 Гц равно поминальному напряжению сети частотой 50 Гц, то повышать номинальную мощность нельзя, В этом случае номинальный вращающий момент и кратность максимального вращающего момента, пускового момента и пускового тока понижаются соответственно отношению частот 50/60, т. е. до 83 %.
При колебаниях напряжения сети в пределах от —5 до +10 % номинального значения двигатели должны сохранять номинальную мощность, однако вследствие значительных насыщений магнитной цепи двигателей их не рекомендуется применять для ПВ = 100 %.
Основным номинальным режимом является повторно-кратковременный с продолжительностью включения ПВ = 40 %. В табл, 2.11 и 2.12 приведены характеристики двигателей при ПВ = 40 % кранового и металлургического исполнения.
Для двигателей MTF применяют круглый провод ПЭТ 155, для двигателей МТН первого-четвертого габаритов — провод ПЭТ 180 или ПЭТ200, а для двигателей МТН пятого-шестого габаритов — провод ПСДК. Для обмотки статора двигателей МТН 700 с открытыми пазами применяют жесткие формованные катушки из прямоугольного провода ПСДК, а для стержневой обмотки роторов МТН 700 — профильную медь. Для обеспечения заданного среднего сечения провода допускается намотка катушек из параллельных проводов, различающихся на. одну-две ступени по диаметру; например, вместо двух параллельных проводов диаметром 1,25 мм берут один провод диаметром 1,20 мм и один диаметром 1,30 мм и наматывают их как параллельные.
Статорные обмотки двигателей на 220/380 В соединяют фазы в звезду или треугольник, обмотки электродвигателей на напряжение 500 В — в звезду. Роторные обмотки всех исполнений соединяют в звезду.
Основные размеры двигателей с фазовым ротором (рис. 2.8) приведены в табл. 2.13.
Основные принципы построения двигателей серии 4МТ:
1) соответствие установочно-присоединительных размеров требованиям ГОСТ, СЭВ и МЭК;
2) увеличение мощности двигателей при данной высоте оси Вращения, расширение шкалы мощностей до 200 кВт (табл. 2.14);
3) введение четырехполюсного исполнения;
4) вероятность безотказной работы в течение гарантийного срока должна быть для двигателей кранового исполнения не менее 0,96 и для двигателей металлургического исполнения 0,98;
5) средний срок службы двигателей — 20 лет;
6) применение новых материалов — холоднокатаной электротехнической стали, изоляционных материалов на базе синтетических пленок и фенилоновой бумаги, эмалированных проводов повышенной стойкости и др.;
7) снижение шума и вибрации двигателей;
8) расширение шкалы мощностей восьмиполюсных двигателей до 200 кВт (вместо 90 кВт на двигателях старой серии);
9) улучшение энергетических показателей двигателей;
10) технически возможная унификация двигателей с двигателями серии 4А;
11) повышение степени защиты двигателей до IР54 для клеммной коробки при IР44 для двигателя в целом, введение сальниковых уплотнений для ввода кабелей в клеммную коробку и к контактным кольцам; применение плоских крышек с болтовым креплением на люках контактных колец; введение резиновых уплотнений на съемных крышках;
12) увеличение прочности валов двигателей 4МТ112, 4МТ132 и фланцев двигателей 4МТ112, 4МТ132, 4МТ160;
13) автоматизация и механизация основных технологических процессов изготовления двигателей, в том числе намотки статоров двигателей 4МТ112—4МТ225;
14) введение постоянного по значению напряжения между контактными кольцами Uк = 240 ± 10 % В для двигателей 4МТ132—4МТ200; для двигателей 4МТ225 Uк ? 300 В по условиям самовозбуждения двигателя в режиме динамического торможения. Исключение составляют двигатели 4МТ112, у которых Uк = 200 В, и машины большой мощности, где эти условия не могут быть выполнены.
В обозначении двигателей введена высота оси вращения.
Многоскоростные крановые электродвигатели предназначены в основном для работы в повторно-кратковременном режиме с частыми пусками и торможениями. Шкала мощностей на меньшем числе полюсов, как правило, соответствует основной шкале односкоростных двигателей. Мощности на малой синхронной частоте вращения установлены, исходя из постоянства номинального вращающего момента. У трехскоростных двигателей на самой малой синхронной частоте вращения часто указывают не мощность, а только значения номинального вращающего момента. Таким образом, двигатели построены по принципу регулирования при постоянном моменте, т. е. с реализацией наибольшей мощности на максимальной синхронной частоте вращения.
В табл. 2.15 приведена техническая характеристика многоскоростных двигателей. Номинальные значения показателей двигателей определены из условия, что пуск происходит при наличии на валу статического момента, равного номинальному; время разгона при пусках входит в общую продолжительность включения. Двигатели выполняют с независимыми статорными обмотками, что позволяет относительно легко получать сочетание чисел полюсов.
В схемах электропривода двигатели могут иметь независимое и последовательное соединение обмоток. Последовательное соединение обмоток при большой и малых частотах вращения позволяет ограничить максимальный генераторный момент при переходе с большой синхронной частоты вращения на малую, а также непрерывно подавать напряжение на двигатель при переходе с одной синхронной частоты вращения на другую. При последовательном соединении двух обмоток необходимо, чтобы двигатель имел одно направление вращения при раздельной работе на каждой обмотк. При включении в сеть одной из обмоток вторая обмотка может быть замкнута накоротко.
|