Вопросы для самопроверки

1 Как выбрать электродвигатель при постоянной по величине длительной нагрузке?

2 На какой ток и на какое напряжение выбирают электродвигатели для сельскохозяйственного производства?

3 На какие скорости вращения выбирают электродвигатели для сельскохозяйственных машин?

4 Как выбирают электродвигатели по конструктивным особенностям и по условиям окружающей среды?

Глава XLII

КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ И СПОСОБЫ ЕГО УЛУЧШЕНИЯ

§ 1. Причины низкого коэффициента мощности в электроустановках

Асинхронные электродвигатели и трансформаторы потребляют реактивную мощность из сети. Коэффициент мощности незагруженного электродвигателя составляет величину порядка 0,1-0,2.

Коэффициент мощности силового трансформатора при холостом ходе снижается примерно до такой же величины. Наиболее резкое снижение коэффициента мощности трансформаторов наблюдается в том случае, когда нагрузка трансформаторов снижается больше чем на 40% номинальной.

Сварочные трансформаторы при работе имеют низкие значения коэффициента мощности, порядка 0,3-0,4, вследствие того, что большое количество времени они находятся в режиме холостого хода.

Как известно из электротехники, линейный ток в трехфазной сети равен

где: Р - мощность (кет);

17л - линейное напряжение (в).

Как видно из этой формулы, величина тока, забираемого из сети, обратно пропорциональна величине коэффициента мощности (cos ф).

Низкие значения коэффициента мощности в электроустановках приводят к увеличению потерь электроэнергии на нагрев проводов электрических линий, а также

обмоток статоров синхронных генераторов и трансформаторов. Вследствие загрузки реактивными токами линий, трансформаторов и генераторов снижается величина коэффициента использования установленной мощности электроустановки и их к. п. д. При этом увеличиваются колебания напряжения у потребителей.

Коэффициент мощности в сельских электроустановках изменяется от 0,6 до 0,9 в зависимости от сезона года и времени суток. Наименьшие значения приходятся на летнее время в дневное время суток, когда величина активной - осветительной нагрузки наименьшая.

§ 2. Способы улучшения коэффициента мощности

Коэффициент мощности повышают естественным способом и искусственной компенсацией. К естественным способам относятся следующие.

1. Правильный выбор асинхронных электродвигателей в соответствии с потребностью рабочих машин и их режимов, не допуская излишних запасов мощности. Асинхронные двигатели работают с наилучшим к. п. д. и коэффициентом мощности при их загрузке на 75-100% их номинальной мощности.

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором имеют более высокий коэффициент мощности, чем двигатели с фазным ротором. Электродвигатели на шариковых подшипниках имеют более высокие значения коэффициента мощности, чем двигатели на подшипниках скольжения, так как у них зазор между сталью статора и ротора меньше, чем у двигателей с подшипниками скольжения.

При выборе электродвигателей следует отдавать предпочтение высокооборотным двигателям, так как у них коэффициент мощности выше, чем у двигателей с малым числом оборотов, в связи с тем, что при увеличении числа пар полюсов возрастают магнитные потоки рассеяния.

2. Замена не полностью загруженных асинхронных двигателей двигателями меньшей мощности. Если нагрузка на электродвигатель составляет около 70% его номинальной мощности, то заменять его двигателем меньшей мощности нецелесообразно.

3. Ограничение холостого хода асинхронных электродвигателей и сварочных трансформаторов. С этой целью предусматривают устройство для автоматического отклю-

чения электродвигателей и сварочных трансформаторов на период, когда не ведется сварка.

Установка ограничителей холостого хода на станках экономически целесообразна в тех случаях, когда длительность межоперационного периода больше 10 сек.

4. Переключение обмотки статора незагруженного асинхронного электродвигателя с треугольника на звезду, если обмотки нормально соединены в треугольник. Применяют этот способ в том случае, когда нагрузка на электродвигатель меньше 35% его номинальной мощности.

5. Замена незагруженных трансформаторов трансформаторами меньшей мощности. Такая замена вполне целесообразна в том случае, когда нагрузка на трансформатор составляет меньше 30% его номинальной мощности.

К искусственным способам улучшения коэффициента мощности относятся следующие.

1. Установка статических конденсаторов. Конденсаторы могут быть установлены у электродвигателей или возле щитов в цехах и на подстанциях.

При индивидуальной компенсации, когда конденсаторы устанавливают непосредственно у двигателей, от реактивных токов разгружают всю питающую распределительную сеть и трансформаторы электроустановки. Это самый совершенный способ, но он требует значительных затрат.

В большинстве случаев применяют групповую компенсацию, когда батареи конденсаторов присоединяют к групповому распределительному щиту.

2. Использование синхронных генераторов и синхронных двигателей в качестве компенсаторов. В сельском хозяйстве синхронные компенсаторы непосредственно не применяют, так как они выпускаются на большие мощности (15-30 тыс. квар). Для этих целей используют синхронные генераторы, работающие вхолостую с перевозбуждением, или синхронные двигатели, работающие с перевозбуждением и не несущие нагрузки или нагруженные не на полную мощность.

3. Синхронизация асинхронных двигателей. Для этой цели применяют асинхронные двигатели с фазным ротором. Двигатель пускают в ход, как обычно, пусковым реостатом, а затем переключателем П включают постоянный ток в обмотку фазного ротора (рис. 309), при этом двигатель втягивается в синхронизм и работает как синхронный. Перевозбуждая его, можно добиваться улучшения

коэффициента мощности в сети. В качестве источника постоянного тока в большинстве случаев используют твердые выпрямители или машинные возбудители.

Сопротивление обмотки ротора постоянному току равно

где Е - сопротивление одной фазы обмотки ротора (ом).

Рис. 309. Схема включения синхронизированного асинхронного двигателя.

Величину допустимого постоянного тока определяют из условия равенства нагрева обмотки ротора переменным и постоянным током

Р - Я

1 ПОСТ о I

ЧР Я- пер-41 -

1пост == V 2 -пер- (296)

Величину напряжения постоянного тока определяют из формулы гг з

-Я (в).

(297)

- ±пост 2

Синхронизацию асинхронных двигателей экономично применять при их мощности 100 кет и выше и при активной нагрузке не менее 50% номинальной мощности двигателя.

Применять синхронизированные асинхронные двигатели, работающие вхолостую, экономически невыгодно, так как при этом возрастают потери активной мощности.

При больших перегрузках синхронизированный асинхронный двигатель выпадает из синхронизма и продолжает работать как асинхронный, а при уменьшении нагрузки снова втягивается в синхронизм. Это объясняется тем, что максимальный момент асинхронного двигателя больше, чем у синхронизированного.

Необходимую для электроустановки мощность компенсирующего устройства определяют из формулы

g {квар), (298)

где Wa - потребление электроэнергии за, месяц на электроустановке (квт.ч); tg фх - тангенс угла сдвига фаз, соответствующий среднему значению cos ф1; до установки компенсирующего устройства; tg Ф2 - тангенс угла сдвига фаз, соответствующий расчетному значению cos ф2 после установки компенсирующего устройства; t - продолжительность работы электроустановки в часах в течение месяца. Величину коэффициента мощности определяют по показаниям счетчиков активной и реактивной энергии.

Согласно правилам пользования электроэнергией, средневзвешенный коэффициент мощности за месяц должен быть равен 0,90-0,92.

За повышение средневзвешенного коэффициента мощности электроустановок сверх величины 0,92 снижается тариф на электроэнергию в размере 0,25-0,5% за каждую 0,01 повышения коэффициента мощности.

При снижении коэффициента мощности на электроустановке ниже 0,9 предприятию начисляют надбавку к тарифу на электроэнергию по шкале.

Вопросы для самопроверки

1. Назовите основные причины снижения коэффициента мощности электроустановки.

2. Какие существуют способы улучшения коэффициента мощности?

3. Нарисуйте схему и объясните принцип действия синхронизированного асинхронного двигателя.

Раздел седьмой

ОСНОВНЫЕ НЕПОЛАДКИ В РАБОТЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Глава XLIII

НЕПОЛАДКИ, ОБЩИЕ ДЛЯ ВСЕХ ВИДОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

§ 1.. Основные причины перегрева электрических машин и трансформаторов

При общем перегреве машины или трансформатора основной и чаще всего встречающейся причиной может быть перегрузка, при этом машпна перегревается током нагрузки, который превышает номинальный.

Общими причинами перегрева электрических машин могут быть следующие:

1) засорение машины и покрытие слоем пыли обмоток и активной стали машины, что ухудшает теплоотдачу; 2) неправильное направление вращения вентилятора с наклонными крыльями, вследствие чего вентилятор подает в машину очень мало воздуха, и охлаждение машины ухудшается; 3) высокая температура окружающего воздуха (больше +35°), при которой температура нагрева машины больше допустимой, согласно формуле (281).

4) снижение оборотов якоря или ротора ниже номинального, вследствие чего циркуляция воздуха уменьшается и ухудшается охлаждение машины; 5) витковые замыкания в обмотках электрических машин, при этом в коротко-замкнутом контуре индуктируется э. д. с, а так как сопротивление этого контура очень маленькое, то по нему протекают большие токи короткого замыкания, вызывающие перегрев машины; 6) снижение оборотов якоря, вследствие чего для получения номинального напряжения в обмотку возбуждения подают ток возбуждения больше номинального, чтобы создать больший магнитный поток Ф,

так как Е=СепФ (18), что и приводит к перегреву обмотки возбуждения.

Причиной перегрева машины может быть также перегрев подшипников, который бывает в основном из-за плохой смазки или при слишком сильно натянутом ремне.

У машин постоянного тока наблюдается перегрев коллектора при сильном искрении под щетками вследствие неудовлетворительной коммутации, а также при применении слишком твердых щеток или сильном нажатии щеток на коллектор.

У синхронных генераторов при низком значении коэффициента мощности перегревается обмотка возбуждения ротора, так как для преодоления размагничивающего действия реакции якоря ток в обмотке возбуждения должен быть больше номинального при номинальной нагрузке генератора.

У асинхронных двигателей, кроме общих для всех машин причин перегрева, перегрев может наблюдаться вследствие следующих причин: 1) повышенного напряжения сети сверх номинального, что вызывает увеличение потерь в стали; 2) при работе двигателя на двух фазах с номинальной нагрузкой на двигатель, так как при этом ток в этих фазах превышает номинальное значение примерно в у^З раза; 3) при снижении напряжения на зажимах двигателя, что приводит к перегрузке двигателя током, если нагрузка его номинальная, так как по формуле (184) Рг = 3?71ф/1фсоз фг; 4) при соединении обмотки статора в треугольник вместо соединения в звезду, при котором ток в обмотках статора значительно выше номинального.

Для трансформатора причиной перегрева, кроме общих причин для всех машин > (перегрузок, витковых замыканий и др.), может служить замыкание в стали магнитопровода, которое вызывается ухудшением изоляции между листами стали или плохой изоляцией стяжного болта от листов стали. При этом вихревые токи достигают такой большой величины, что могут расплавить даже стяжной болт, это явление называют пожаром стали .

Перегрев трансформатора может наблюдаться при понижении уровня масла в баке, вследствие чего часть сердечника не находится в масле, что ухудшает условия его охлаждения.

§ 2. Основные причины вибрации электрических машин

При работе электрической машины наблюдается дрожание ее частей, которое называют вибрацией.

Вибрация электрических машин возникает по самым разнообразным причинам механического и электрического характера.

Допустимой считают вибрацию, если удвоенная амплитуда колебаний не выходит за следующие пределы:

Вибрация нарушает соединения в машине, повышает износ и перегрев подшипников.

Основные механические причины вибрации электрических машин следующие: 1) неуравновешенность вращающихся частей; 2) неправильная центровка валов агрегата при соединении машин на одном валу; 3) искривление или овальность шеек вала; 4) слишком малый или большой зазор между шейками вала и вкладышами; 5) недостаточная жесткость фундамента или плохое закрепление машины на фундаменте.

Основной причиной вибрации электрического характера являются витковые замыкания в обмотках. При этом создается магнитная асимметрия в машине, в результате чего взаимное притяжение статора и ротора становится неравномерным, что и вызывает вибрацию частей машины. Магнитная асимметрия вызывается также эксцентричным расположением ротора относительно статора, вследствие выработки подшипников и неравномерности воздушного зазора между ротором и статором.

В машинах постоянного тока магнитная асимметрия редко является причиной вибрации, но в машинах переменного тока даже незначительная магнитная асимметрия может вызвать сильную вибрацию.

Для того чтобы определить, что является причиной вибрации - магнитная асимметрия или механическая неисправность, с генератора при его работе снимают воз-

число оборотов машины в минуту

допустимая вибрация (мм)

750 1000 1500 3000

0,12 0,10 0,08 0,05

буждение, а электродвигатель отключают от сети и наблюдают вибрацию машины, пока машина продолжает вращаться по инерции. Если после снятия напряжения вибрация машины прекратится, то причиной вибрации является магнитная асимметрия, если не прекратится, то причина - механическая неисправность.

Глава XLIV

ОСНОВНЫЕ НЕПОЛАДКИ В РАБОТЕ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА

§ 1. Основные причины неполадок в работе генераторов постоянного тока

Генератор постоянного тока не возбуждается по следующим причинам: 1) полюса генератора потеряли остаточный магнетизм, хотя это бывает очень редко; 2) щетки стоят не на геометрической нейтрали, вследствие чего напряжение машины недостаточно для самовозбуящения; 3) неправильное направление вращения якоря или неправильное подключение обмотки параллельного возбуждения к якорю, вследствие чего магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, направлен против магнитного потока остаточного магнетизма; в этом случае для возбуждения генератора необходимо переключить на доске зажимов концы обмотки возбуждения или изменить направление вращения якоря, вследствие чего изменится направление тока в обмотке возбуждения и машина возбудится; 4) плохой контакт в цепи возбуждения, который бывает при слабом нажатии щеток, вследствие чего между щетками и коллектором возникает большое переходное сопротивление, или при загрязнении коллектора, в этом случае при нажатии на щетки машина легко возбуждается; 5) обрыв в цепи возбуждения, вследствие чего ток возбуждения равен нулю, а в полюсах будет только магнитный поток остаточного магнетизма и генератор возбудиться не может, так как Е - С^пФ; 6) неправильное включение регулировочного реостата (рис. 310, б), когда ток в обмотку возбуждения не проходит и генератор не возбуждается; 7) витковые замыкания или обрывы в обмотках якоря; 8) реостат в цепи возбуждения не выведен.

Иногда бывают такие случаи, что генератор возбуждается, но не развивает номинального напряжения. Основные причины этого следующие: 1) число оборотов якоря генератора ниже нормального, а так как Е = С^пФ, то при малых оборотах п э. д. с. генератора будет недостаточна; 2) щетки не стоят на нейтрали, вследствие чего в части секций параллельных ветвей обмотки якоря э. д. с. будет направлена встречно основной э. д. с, что и приводит к уменьшению напряжения генератора; 3) большое сопротивление в цепи возбуждения, вследствие чего ток возбуждения не может достигнуть нужной величины; 4) витковые замыкания в обмотке якоря или в обмотке возбуждения; 5) у генератора смешанного возбуждения обмотки включены встречно, вследствие чего магнитный поток полюсов при увеличении нагрузки уменьшается.

Основные причины искрения под щетками следующие: 1) щетки установлены не на нейтрали; 2) машина перегружена, и плотность тока под щетками превышает нормальную; 3) щетки слабо прижаты к коллектору; 4) щетки заседают в обоймах щеткодержателей; 5) сорт щеток выбран неправильно; 6) витковое замыкание в обмотке якоря; 7) загрязнен коллектор; 8) большая выработка коллектора и другие причины механического характера.

Рис 310. Схема включения регулировочного реостата:

а - правильно, б - неправильно

§ 2. Основные причины неполадок в работе двигателей постоянного тока

Если двигатель постоянного тока не идет в ход или плохо разворачивается, то возможны следующие причины: 1) перегорели предохранители; 2) произошел обрыв в проводах, пусковом реостате или в машине; 3) обмотка возбуждения включена неправильно, после пускового