Ремонт электрических машин

Классификация машин.

Электрические машины широко используются в разных отраслях промышленности, сельского хозяйства, энергетике, авиации, на транспорте, морском и речном флоте, в медицине, домашнем хозяйстве и т. д. На заводах электрические машины применяют для привода металлорежущих станков, прессов, молотов, конвейеров, насосов, компрессоров, вентиляторов, подъемно-транспортных машин и др. В металлургической промышленности — для привода прокатных станов, ножниц для резки металла, рольгангов и других механизмов и машин. Электрические машины вращают обжиговые печи при производстве цемента, дробилки при изготовлении строительных материалов, приводят в движение подъемные машины на шахтах и водооткачивающие насосы.
Широкое использование электрических машин обусловлено их высокими энергетическими показателями, удобством обслуживания и простотой управления.
По назначению электрические машины делятся на следующие виды:
• электромашинные генераторы, которые преобразуют механическую энергию в электрическую. Их устанавливают на электрических станциях и различных транспортных средствах — автомобилях, самолетах, тепловозах, кораблях, передвижных электростанциях и т.д. На электростанциях генераторы приводятся в движение паровыми и гидравлическими турбинами, а на транспортных средства — с помощью двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин;
• электрические двигатели, преобразующие электрическую энергию в механическую. Они приводят в движение различные ма-
шины и механизмы и являются главной частью электрического привода;
• электромашинные преобразователи, которые преобразуют переменный ток в постоянный и наоборот, изменяют напряжение переменного и постоянного тока, частоту, число фаз и др.;
• электромашинные компенсаторы, осуществляющие генерирование реактивной мощности в электрических установках для улучшения энергетических показателей источников и приемников электроэнергии;
• электромашинные усилители, использующиеся для управления объектами относительно большой мощности с помощью сигналов управления;
• электромеханические преобразователи сигналов (микромашины, информационные машины), которые генерируют, преобразуют и усиливают различные сигналы. Информационные электрические машины используются в системах автоматического управления, измерительных и счетно-решающих устройствах в качестве датчиков, дифференцирующих и интегрирующих элементов и регулирующих органов.
По роду тока электрические машины делятся на машины переменного и постоянного тока. Машины переменного тока в зависимости от принципа действия делят на асинхронные, синхронные и коллекторные. К ним относят также трансформаторы, хотя трансформатор — это не машина, а статический электромагнитный аппарат.
Трансформаторы применяют для преобразования напряжения, а также при электрических измерениях (измерительные трансформаторы) и функциональных преобразованиях (вращающиеся трансформаторы).
Асинхронные машины используют главным образом в качестве электрических двигателей трехфазного тока. Это основной тип электрических двигателей. В системах автоматического управления широко применяют одно- и двухфазные управляемые асинхронные двигатели, асинхронные двигатели, асинхронные тахогенераторы, а также сельсины.
Синхронные машины используют в качестве генераторов переменного тока промышленной частоты на электрических станциях и генераторов повышенной частоты в автономных источниках питания (на самолетах, кораблях, большегрузных автомобилях).

В электроприводах синхронные двигатели применяют для привода вентиляторов, насосов, компрессоров и других механизмов. В автоматике используют различные синхронные машины малой мощности (реактивные, с постоянными магнитами, гистерезисные, шаговые, индукторные и др.).
Коллекторные машины переменного тока в настоящее время применяются главным образом в электробытовых приборах (пылесосы, дрели, соковыжималки, смесители и т.д.).
Машины постоянного тока используют как генераторы и электродвигатели в электроприводе, где необходимо регулировать скорость в широких пределах: металлорежущие станки, прокатные станы, электрический транспорт и др.
По мощности электрические машины разделяют на микромашины (от долей ватта до 500 Вт), машины малой (0,5 - 10 кВт), средней (10 -200 кВт) и большой (свыше 200 кВт) мощности.
Самый маленький электродвигатель изготовлен для наручных часов. Его мощность 1 мкВт и питается он от батарейки напряжением 1,5 В. Самыми мощными электрическими машинами являются турбогенератор (500МВ-А) и гидрогенератор (800МВ-А).
Размеры электрических машин колеблются в широких пределах. Существуют машины, которые можно поместить в наперстке, а есть машины, диаметр которых превышает 16 м. Машины большой мощности иногда называют крупными электрическими машинами.
Электрические машины бывают тихоходные — с частотой вращения до 1000 об/мин, быстроходные — свыше 1000 об/мин, сверхбыстроходные - более 6000 об/мин.
Частота вращения микромашин достигает 100 000 об/мин, средней и большой мощности — 3000 об/мин.
По степени защиты персонала от соприкосновения с токоведущими или вращающимися частями, которые находятся внутри машины, а также от попадания внутрь нее твердых посторонних предметов и воды электрические машины классифицируют в соответствии с международными стандартами. Вид исполнения машин обозначают латинскими буквами IP (International Protection) и двумя цифрами. Первая цифра (от 0 до 6) показывает степень защиты от соприкосновения с токоведущими или вращающимися частями, которые находятся внутри машины. Вторая цифра (от 0 до 8) характеризует степень защиты машины от проникновения в нее влаги.
Различают следующие виды исполнения электрических машин: открытое, защищенное, каплезащищенное, брызгозащищенное, закрытое, герметичное, взрывозащищенное.
При открытом исполнении (IP00) машина не имеет специальных устройств, которые препятствуют попаданию внутрь посторонних предметов и случайному соприкосновению обслуживающего персонала с токоведущими и вращающимися частями.
В защищенном исполнении (IP21, IP22) у машины есть специальные устройства, например крышки, кожухи, сетки. При этом между крышками и щитами или станиной машины оставляют щели для циркуляции воздуха, который охлаждает машину. Такие машины могут устанавливаться только в закрытых помещениях, так как они не защищены от дождя.
В брызго- и каплезащищенном исполнении (IP23, IP24) машины имеют приспособления, которые предохраняют токоведущие и вращающиеся части от капель и брызг воды. Все отверстия в верхней части корпуса и подшипниковых щитах закрыты глухими крышками; отверстия, находящиеся сбоку, обычно защищают кожухами, крышками и жалюзи, а расположенные снизу — сетками. Такие машины можно устанавливать на открытом воздухе.
В водозащищенном исполнении (IP55, IP56) струи воды не могут попасть внутрь машины. Предусмотрены уплотнения, сделанные из резины, и сальники. Вода, случайно попавшая в машину, вытекает из нее или выводится с охлаждающим воздухом. Подобные машины применяют главным образом на судах.
В пылезащищенном исполнении (IP65, IP66) машины защищены от попадания внутрь пыли в опасных для нормальной работы количествах.
В закрытом исполнении (IP44, IP54) внутреннее пространство машины изолировано от внешней среды. Такие машины применяют в пыльных помещениях, на движущихся транспортных средствах (автомобилях, железнодорожных вагонах, локомотивах), в авиации и др.
Машины в герметичном исполнении (IP67, IP68) особенно надежно изолированы от внешней среды. Такие машины могут работать под водой (водонепроницаемые машины), в наполненных газом камерах (газонепроницаемые машины) и других средах.
Взрывозащищенные машины работают во взрыво- и пожароопасной среде, так как изоляция их токоведущих и вращающихся частей от внешней среды исключает взрыв и загорание газов в окружающей среде при искрении и других явлениях. При взрыве газов внутри машины пламя не может проникнуть во внешнюю среду.
Машины во влагоустойчивом исполнении работают в условиях большой влажности, а морозоустойчивом — при очень низких температурах и возможности появления инея.
Для работы в тропических условиях предусматривается тропико-устойчивое исполнение электрических машин.

Климатическое исполнение и условия размещения машин.

Эксплуатация электрических машин в нормальных климатических условиях предполагает: температуру внешней среды (25 ± 10) °С, относительную влажность воздуха 35 - 80 %, атмосферное давление 84 -106 кПа.
В зависимости от климатических условий предусматривается различное исполнение электрических машин. Электрические двигатели, предназначенные для эксплуатации на суше и в воде в умеренном климате, имеют обозначение У, в холодном — ХЛ, во влажных тропиках — ТВ, только в сухих тропиках — ТС, как в сухих, так и влажных тропиках — Т, во всех макроклиматических районах на суше (общеклиматическое исполнение) — 0.
Электродвигатели, предназначенные для морских судов в районах с умеренным морским климатом, имеют обозначение М, с тропическим морским — ТМ, неограниченного района плавания — ОМ, всех районов на суше и море — В.
В зависимости от условий размещения предусматривается различное исполнение электрических двигателей, которые также имеют определенное обозначение. Электродвигатели, которые могут устанавливаться на открытом воздухе, обозначаются цифрой 1; в закрытых помещениях, температура и влажность воздуха которых мало отличается от наружного, — 2; в закрытых помещениях, где колебания температуры и влажности воздуха значительно меньше наружного, — 3, в помещениях с искусственным климатом, например в отапливаемых, — 4; в помещениях с повышенной влажностью, например в подземных неотапливаемых и невентилируемых, — 5.
Так, электродвигатели, которые могут работать в районах с прохладным климатом на открытом воздухе, обозначаются ХЛ1; в районах с умеренным климатом в закрытых помещениях — УЗ или У4.
Способы охлаждения машин. Для отвода теплоты, которая выделяется при работе машины, используют различные способы. Способ охлаждения машины зависит от вида ее исполнения и мощности. При увеличении мощности необходимо увеличивать интенсивность ее охлаждения. Электрические микромашины обычно не имеют искусственного охлаждения. Отвод теплоты от нагретых частей осуществляется за счет естественной теплоотдачи внешней среде (машины с естественным охлаждением).
Вращающиеся электрические машины малой, средней и большой мощностей выполняют с искусственным охлаждением. В этом случае с помощью специальных устройств достигается увеличение скорости движения охлаждающей среды. Для большинства электрических машин охлаждающей средой является воздух, но иногда для этой цели используют водород. Такие машины называют вентилируемыми. Вентилируемые машины, в которых вентилируемый воздух или другой газ проходит через их внутреннее пространство, называют продуваемыми. Если воздух охлаждает только внешнюю поверхность, то машина называется обдуваемой.
Системы охлаждения электрических машин имеют международную классификацию, которая в обозначении содержит две латинские буквы 1С (International Cooling) и две цифры: первая (от 0 до 6) обозначает построение цепи для циркуляции охлаждающей среды, вторая (от 0 до 7) — способ ее перемещения.
Вращающиеся электрические машины малой и средней мощности обычно выполняют с самовентиляцией. В этом случае охлаждение нагретых частей осуществляется с помощью вентилятора, который насаживается на вал ротора. В некоторых машинах вентиляторами являются лопасти или другие приспособления, прикрепляющиеся к торцевой части сердечника ротора.
Машины закрытого исполнения обычно изготовляют обдуваемыми. Вентилятор обдувает внешнюю поверхность корпуса, способствуя более интенсивному отводу от него теплоты. Система охлаждения таких машин обозначается: IC01. Для увеличения поверхности охлаждения станины таких машин обычно изготавливают с внешними ребрами. Иногда на валу ротора ставят внутренний вентилятор, который обеспечивает дополнительную циркуляцию воздуха и лучший теплообмен между ее частями и станиной. В машинах большой мощности часто применяют независимую вентиляцию, когда охлаждающий воздух прогоняется вентилятором, имеющим свой электропривод (система охлаждения IC17). В машинах с широким диапазоном регулирования скорости (например, электродвигатели постоянного тока серии 4ПБ) применяют естественное охлаждение без вентилятора (система охлаждения IC00).
В машинах открытого, защищенного, брызго-, капле- и водозащищенного исполнений охлаждающий воздух обычно прогоняется вентилятором около обмоток и по вентиляционным каналам, которые имеются в статоре, роторе и коллекторе. В табл. 2.1 приведены примеры исполнения электродвигателей с учетом способов их охлаждения и защиты.
Система вентиляции может быть осевой и радиальной. При осевой вентиляции охлаждающий воздух проходит через машину в направлении оси вала, а при радиальной — в радиальном направлении.
В зависимости от места установки радиатора осевая система вентиляции может быть вытяжной или нагнетательной. При вытяжной вентиляции вентилятор устанавливается в месте выхода воздушного потока из машины, при нагнетательной — в месте входа его в машину. Применяют и комбинированную радиально-осевую систему вентиляции.

Табл. 2.1. Примеры исполнения электродвигателей

В машинах большой мощности в качестве охлаждающего агента иногда используют водород. Это позволяет уменьшить потери мощности в результате трения частей машины и потока охлаждающего газа и улучшить отведение теплоты, поскольку водород имеет меньшую плотность и большую теплопроводность, чем воздух.
В машинах с жидкостным охлаждением охлаждающая жидкость (трансформаторное масло, дистиллированная вода) пропускается через пустотелые проводники обмотки ротора и статора или специальные охладительные каналы. Если охлаждение осуществляется за счет испарения жидкости, система охлаждения называется испарительной.
Трансформаторы малой мощности изготавливают с естественным воздушным охлаждением. Это так называемые сухие трансформаторы. Трансформаторы средней и большой мощности обычно имеют жидкостное охлаждение, при котором сердечник и обмотки помещают в бак, заполненный трансформаторным маслом или негорючим жидким диэлектриком.
Установка и крепление машин. Для установки и крепления электрической машины в ее конструкции предусмотрены лапы на станине и фланцы на подшипниковом щите или на станине.
В зависимости от способа установки и крепления, направления оси вала и конструкции подшипниковых узлов электрические машины делят на 9 групп. Каждая группа состоит из видов, которые включают несколько форм исполнения. Все они имеют соответствующие обозначения, состоящие из латинских букв IM (International Mounting) и четырех цифр: первая определяет конструктивную группу, вторая и третья — способ монтажа, четвертая (от 0 до 8) — форму конца вала.
Существуют следующие группы электрических машин: IM1 — машина на лапах с подшипниковыми щитами; IM2 — с подшипниковыми щитами и фланцем на одном щите; IM3 — без лап, с подшипниковыми щитами и фланцем на одном щите; IM4 — без лап, с подшипниковыми щитами и фланцем на станине; IM5 — без подшипниковых щитов (встраиваемые или пристраиваемые); IM6 — на лапах, с подшипниковыми щитами и стояковыми подшипниками; IM7 — на лапах, со стояковыми подшипниками; IM8 — с вертикальным валом; IM9 — специального назначения.
Концы валов электрических машин могут иметь цилиндрическую, коническую или фланцевую форму. Установлены следующие обозначения машин в зависимости от исполнения концов вала: 0 — без конца вала; 1 — с одним цилиндрическим; 2 — с двумя цилиндрическими; 3 — с одним коническим; 4 — с двумя коническими; 5 — с одним фланцевым; 6 — с двумя фланцевыми; 7 — с фланцевым концом вала на приводной стороне двигателя и цилиндрическим концом вала на противоположной стороне машины; 8 — другие исполнения вала. Например, IM2101 означает машину на лапах с подшипниковыми щитами, с фланцем на подшипниковом щите, с горизонтальным размещением вала, конец которого имеет цилиндрическую форму.
Способы поставки электрических машин зависят от их мощности и габаритных размеров. Они могут поставляться в собранном виде (машины малой мощности, быстроходные средней мощности и отдельные виды крупных машин) или в разобранном.
Электрические машины малой и средней мощности, которые поставляются в собранном виде, в ряде случаев устанавливаются на общую фундаментную плиту вместе с приводимыми ими в движение машинами и механизмами (преобразовательные агрегаты, насосные установки и др.).
Шумы. В электрических машинах возникают механические, вентиляционные и магнитные шумы.
Механические шумы возникают из-за вибрации отдельных частей машины в результате неточной балансировки ротора, трения в подшипниках и т.д. Чтобы уменьшить такие шумы, необходимо выполнять точную динамическую балансировку ротора, применять высококачественные подшипники, тщательно притирать щетки и использовать коллектор с цилиндрической и гладкой поверхностью.

Вентиляционные шумы обусловлены колебаниями давления воздушного потока, который охлаждает машину, и вихрями на отдельных участках охлаждения. Этот шум можно снизить путем повышения жесткости вентилятора, тщательной его балансировки и если оставить достаточно большой зазор между вентилятором и подшипниковым щитом.
Магнитные шумы появляются в результате вибрации отдельных частей магнитной системы электрической машины под действием переменных элекромагнитных сил, которые возникают в результате изменения магнитной проводимости воздушного зазора при вращении зубчатого якоря (явление магнитострикщш) , а в машинах переменного тока и трансформаторах — из-за периодического перемагничивания магнитопровода.
Допустимые уровни шума электрических машин нормированы. Для оценки уровня шума используют средний (для нескольких точек) уровень звука А, измеренный на растоянии 1 м от контура машины.

По уровню шума электрические машины подразделяются на 5 классов: 0; 1; 2; 3; 4. Так, например, для машины класса 1 уровень шума в режиме холостого хода не должен превышать 64 - 109 дБ.
К классу 0 относят машины, которые работают в кратковременном и повторно-кратковременном режимах с принудительной вентиляцией от отдельного вентилятора, многополюсные с количеством полюсов более 12, некоторые типы однофазных и индукторных генераторов, сварочные генераторы и преобразователи, многоскоростные асинхронные двигатели, двигатели с повышенным пусковым моментом и повышенным скольжением и др.; к классу 1 — машины постоянного тока, асинхронные и синхронные, коллекторные машины нормального исполнения; к классу 2 — машины с малошумными подшипниками, со специальными малошумными вентиляторами и т. д.; к классу 3 — закрытые машины, с глушителями вентиляционного шума; к классу 4 — машины со звукорегулирующим кожухом или другими специальными узлами, снижающими шум.
Коллекторные машины постоянного и переменного тока являются источниками радиопомех. Искрение под щетками создает импульсные колебания тока и напряжения с непрерывным частотным спектром. В результате возникают помехи: резкий треск или непрерывный шум во всем диапазоне частот радиосвязи. Уровень помех определяют по максимальному напряжению (в микровольтах), которое измеряют с помощью антенны, установленной на определенном расстоянии от машины. Эту величину называют уровнем поля.

Уменьшения радиопомех достигают снижением искрения, экранированием машины и проводов и применением фильтров, препятствующих распространению высокочастотных колебаний по проводам электрической сети, к которой присоединена электрическая машина. Наиболее простыми являются емкостные фильтры.

Номинальные данные электрических машин. Каждая электрическая машина имеет паспортную табличку в виде металлической пластины, прикрепленной к корпусу. На ней указаны тип машины и ее номинальные данные, характеризующие основные электрические показатели и условия работы. К номинальным данным относятся: мощность, напряжение, ток, частота вращения, частота переменного тока, коэффициент полезного действия, число фаз, коэффициент мощности и режим работы. Кроме того, в паспортной табличке приведены: завод, который изготовил машину, год выпуска, класс изоляции, а также дополнительные данные, необходимые для монтажа и эксплуатации машины (масса, схема включения обмоток и др.).
Термин "номинальный" можно применять и к величинам, не указанным в паспортной табличке, но относящимся к номинальному режиму, например номинальный вращающий момент, номинальное скольжение и т. д.
Номинальной мощностью электрической машины называют мощность, на которую рассчитана данная машина по условиям нагрева и безаварийной работы на протяжении установленного срока службы. Для электрических двигателей под номинальной мощностью понимают полезную механическую мощность на валу, выраженную обычно в киловаттах; для генераторов постоянного тока — полезную электрическую мощность на зажимах машины (в киловаттах), для генераторов переменного тока — полную электрическую мощность на зажимах машины (в киловольт-амперах). Номинальные мощности всех видов машин и трансформаторов, а также номинальные частоты вращения электрических машин стандартизованы.
Производство и эксплуатация новых видов электрических машин нормируются техническими условиями, которые согласуются и утверждаются организациями, проектирующими, изготовляющими и эксплуатирующими эти машины.
Хотя электрические машины обратимы, т. е. они могут работать и в генераторном, и в двигательном режимах, обычно они предназначены для преимущественной работы в каком-то одном режиме. Это позволяет лучше приспособить машину к требованиям эксплуатации, не делая ее слишком тяжелой и дорогой.
Напряжения электрических машин согласованы со стандартными напряжениями электрических сетей. Стандартные напряжения генераторов примерно на 5 - 10% выше, чем электродвигателей (220 В для электродвигателя, 230 В для генератора). Разница в напряжениях генераторов и электродвигателей обусловлена потерями напряжения в электрических сетях, к которым присоединены генераторы и электродвигатели.
В трансформаторах стандартные напряжения на первичных обмотках принимаются равными "двигательным", а на вторичных обмотках — "генераторным".
Машины переменного тока предназначены, как правило, для работы с синусоидальным напряжением, которое симметрично по фазам. Отклонения регламентируются ГОСТом, например, напряжение может отклоняться от стандартного на +10 и -5%, коэффициент искажения синусоидальной кривой не должен превышать 5 % и т. д.
Режимы работы электрических машин с несинусоидальными напряжениями вентильных преобразователей регламентируются специальными техническими условиями.

1. Как классифицируются электрические машины?
2. Какие исполнения электрических машин существуют?
3. Какие буквы применяются для обозначения исполнения электрической машины:
а) по способу защиты, б) по способу охлаждения, в) по способу монтажа?
4. Как классифицируются машины по климатическим условиям и условиям размещения?
5. Назовите способы охлаждения электрических машин. Как они обозначаются?
6. Способы установки и крепления машин.
7. Чем обусловлены шумы в электрических машинах? Как разделяются электрические машины по уровню шума?
8. Что входит в номинальные данные электрических машин?
9. В каком диапазоне скоростей выполняются электрические машины?
10. На какие мощности изготавливаются электрические машины?
11. Где применяются электрические машины?