Курсовая работа: Техническая эксплуатация и ремонт двигателей постоянного тока

При вращении якоря между любыми двумя точками обмотки якоря действует переменная ЭДС. Однако между неподвижными контактными щетками действует постоянная по величине и направлению ЭДС E, равная сумме мгновенных значений ЭДС e₁ , e₂ , e₃ и т.д. (рисунок 1), индуктированных во всех последовательно соединенных витках якоря, расположенных между этими щетками. [5]

Рисунок 1.1 — векторная диаграмма, индуктируемых в якорной обмотке ЭДС (e₁ , e₂ , e₃ — мгновенные значения ЭДС, AB – сумма мгновенных значений ЭДС)

Зависимость ЭДС Е от магнитного потока машины и скорости вращения якоря имеет вид:

;

.

При подключении обмотки якоря к сети с напряжением U, ЭДС Е будет приблизительно равна напряжению U, и скорость вращения ротора:

Следовательно, благодаря наличию коллектора при работе машины постоянного тока в двигательном режиме скорость вращения ротора не связана жестко с частотой сети, как в асинхронных и синхронных машинах, а может изменяться в широких пределах путем изменения напряжения U и магнитного потока Ф. Ось симметрии, разделяющая полюса машины постоянного тока, называется ее геометрической нейтралью.

При разомкнутой внешней цепи ток в обмотке якоря не будет протекать, т. к. ЭДС, индуктированные в двух частях обмотки якоря, расположенных по обе стороны геометрической нейтрали, направлены встречно и взаимно компенсируются. Для того чтобы подать от обмотки якоря во внешнюю цепь максимальное напряжение, эту цепь нужно присоединить к двум точкам обмотки якоря, между которыми действует наибольшая разность потенциалов, где и следует устанавливать щетки. При вращении якоря точки смещаются с геометрической нейтрали, но к щеткам будут подходить все новые и новые точки обмотки, между которыми действует ЭДС Е, поэтому ЭДС во внешней цепи будет неизменна по величине и направлению. Для уменьшения пульсаций ЭДС при переходе щеток с одной коллекторной пластины на другую в каждую параллельную ветвь обмотки якоря обычно включается не менее 16 активных проводников.

На якорь, по обмотке которого протекает ток I, действует электромагнитный момент:

При работе машины в двигательном режиме электромагнитный момент является вращающим, а в генераторном режиме — тормозным.[1]

1.2 Реакция якоря машины постоянного тока

При холостом ходе магнитный поток в машине создается только НС F_в обмотки возбуждения. В этом случае магнитный поток Ф_в при неизменном воздушном зазоре между якорем и сердечником главного полюса (что характерно для многих машин постоянного тока) распределяется симметрично относительно продольной оси машин.

При работе машины под нагрузкой по обмотке якоря проходит ток, и НС якоря создает свое магнитное поле. Воздействие поля якоря на магнитное поле машины называют реакцией якоря. Магнитный поток Ф_aq , созданный НС якоря F_aq в двухполюсной машине при установке щеток на нейтрали направлен по поперечной оси машины, поэтому магнитное поле якоря называют поперечным. В результате действия потока Ф_aq симметричное распределение магнитного поля машины искажается, и результирующий поток Ф_рез оказывается сосредоточенным в основном у краев главных полюсов. При этом физическая нейтраль б-б (линия, соединяющая точки окружности якоря, в которых индукция равна нулю) смещается относительно геометрической нейтрали а-а на некоторый угол β (рисунок 2). В генераторах физическая нейтраль смещается по направлению вращения якоря; в двигателях — против направления вращения.

Рисунок 1.2 — Магнитное поле машины постоянного тока: а) от обмотки возбуждения; б) от обмотки якоря; в) результирующее (Ф_в — магнитный поток при х.х.; Ф_aq — магнитный поток, созданный НС якоря;Ф_рез — результирующий поток; а-а — геометрическая нейтраль; б-б — физическая нейтраль; β – угол смещения нейтрали б-б)

Вследствие сосредоточенного характера обмотки возбуждения, кривая распределения создаваемой ею НС имеет форму прямоугольника, а кривая индукции— форму криволинейной трапеции (рисунок 3).

Рисунок 1.3 — Распределение индукции в воздушном зазоре машины постоянного тока: а) от обмотки возбуждения; б) от обмотки якоря; в) результирующее (B_в — кривая индукции от обмотки возбуждения; F_в — кривая распределения НС; F_aq — НС якоря; B_aq – кривая магнитной индукции в воздушном зазоре; — величина воздушного зазора в точке x; B_рез — кривая результирующей индукции)

На основании закона полного тока НС якоря, действующая в воздушном зазоре на расстоянии x от оси главных полюсов определится выражением:

Следовательно, НС якоря F_aq изменяется линейно вдоль его окружности; под серединой главного полюса она равна нулю, а в точках, где установлены щетки, имеет максимальное значение. Магнитная индукция в воздушном зазоре при ненасыщенной магнитной системе:

где — величина воздушного зазора в точке x.

Из последнего выражения следует, что под полюсом при = const индукция B_aq изменяется линейно вдоль окружности якоря. В межполюсном пространстве резко возрастает длина магнитной силовой линии, т.е. величина и индукция B_aq резко уменьшается. В результате кривая распределения приобретает седлообразную форму. Кривая результирующей индукции получается алгебраическим сложением ординат кривых и .

Реакция якоря оказывает неблагоприятное влияние на работу машины постоянного тока:

а) физическая нейтраль смещается относительно геометрической нейтрали на некоторый угол, что ухудшает коммутацию коллекторной машины;

б) результирующий магнитный поток машины при насыщенной магнитной цепи уменьшается, а значит, уменьшается ЭДС Е, индуктированная в обмотке якоря при нагрузке, по сравнению с ЭДС Е при холостом ходе;

в) в кривой распределения индукции в воздушном зазоре под краями главных полюсов возникают пики, способствующие образованию в машине кругового огня.[3]

1.3 Момент двигателя постоянного тока

Если обмотку возбуждения и якорь двигателя подключить к сети постоянного тока напряжением U то, возникает электромагнитный вращающий момент М_эм . Полезный вращающий момент М на валу двигателя меньше электромагнитного на значение противодействующего момента, создаваемого в машине силами трения и равного моменту М_х в режиме х.х., т. е. М = М_эм —М_х .

Пусковой момент двигателя должен быть больше статического тормозного М_т в состоянии покоя ротора, иначе якорь двигателя не начнет вращаться. В установившемся режиме (при n = соnst) имеет место равновесие вращающего М и тормозного М_т моментов:

Из механики известно, что механическая мощность двигателя может быть выражена через вращающий момент и угловую скорость

Следовательно, полезный вращающий момент двигателя М (Н • м), выраженный через полезную мощность Р (кВт) и частоту вращения n (об/мин),

Обсудим некоторые важные вопросы пуска и работы двигателей постоянного тока. Из уравнения электрического состояния двигателя следует, что

В рабочем режиме ток якоря I_я ограничивается э. д. с. E, если n приблезительно равно n_ном . В момент пуска п = 0, э. д. с. Е = 0 и пусковой ток I_п = U/R_я в 10—30 раз больше номинального. Поэтому прямой пуск двигателя, т. е. непосредственное включение якоря на напряжение сети, недопустимо. Чтобы ограничить большой пусковой ток якоря, перед пуском последовательно с якорем включается пусковой реостат R_п с небольшим сопротивлением. В этом случае при Е = О

I_п =U/(R_я – R_п ) n’. Таким образом, двигатели постоянного тока обладают свойством саморегулирования — могут развивать вращающий момент, равный тормозному.

1.4 Регулирование частоты

Частота вращения якоря двигателя постоянного тока определяется на основании уравнения электрического состояния U = Е + R_я I_я после подстановки в него э. д. с. Е = сФn:

(13)

Падение напряжения в якоре R_я I_я небольшое: при номинальной нагрузке оно не превышает 0,03 — 0,07 U_ном .

Таким образом, частота вращения двигателя постоянного тока прямо пропорциональна приложенному напряжению сети и обратно пропорциональна магнитному потоку статора. Из уравнения (13) следует, что регулировать частоту вращения двигателя можно двумя способами: изменяя поток статора Ф или напряжение U подводимое к двигателю. Регулирование частоты вращения изменением магнитного поля машины осуществляется с помощью регулировочного реостата в цепи возбуждения двигателя. Изменение подводимого к двигателю напряжения производится регулированием напряжения источника.

Можно ввести дополнительный реостат в цепь якоря. В этом случае пусковой реостат заменяется пускорегулирующимR_пр Такой реостат выполняет функции как пускового реостата, так и регулировочного. Уравнение (13) при этом имеет вид

(14)

Отсюда следует, что регулирование частоты вращения двигателя можно осуществить, изменяя напряжение сети, сопротивление пускорегулирующего реостата или поток статора.

Реверсирование двигателей. Из уравнения вращающего момента двигателя М_эм = kФI_я вытекает, что реверсирование, т. е. изменение направления вращения якоря, может быть осуществлено изменением направления тока в обмотке возбуждения (потока Ф) или тока якоря.

Для реверсирования двигателя «на ходу» изменяют направление тока якоря (переключением якорных выводов), а обмотку возбуждения не переключают, так как она обладает большой индуктивностью и разрыв ее цепи с током недопустим. Реверсирование отключенного двигателя осуществляется и изменением направления тока в обмотке возбуждения (переключением ее выводов).[4]

2. Допустимые режимы работы двигателей

2.1 Допустимые режимы при изменении напряжения

Двигатели допускают длительную работу с номинальной нагрузкой при повышении напряжения до 10% и понижении до 5% от номинального. При понижении напряжения на 5% от номинального сила тока статора при номинальной нагрузке увеличивается на 5% от номинального. Как следствие, возрастут потери в меди, но одновременно за счёт снижения напряжения уменьшатся потери в активной стали. Поэтому суммарные потери в двигателе останутся примерно такими же, как и при номинальном напряжении.

При понижении номинального тока напряжения более чем на 5% нагрузка двигателя должна быть не ниже номинальной. Это объясняется тем, что повышение силы тока статора более чем на 5% вызовет такое увеличение потерь в меди обмотки статора, которое не компенсируется снижением потерь в активной стали, и температура обмотки статора превысит максимально допустимую. К тому же понижение напряжения более чем на 5% вызовет прямо пропорциональное увеличение токов статора и ротора, а увеличение в более высокой степени опасно. Чем ниже отношение максимального момента, развиваемого двигателем, к номинальному моменту, тем в большей степени будут расти токи статора и ротора при понижении напряжения. При больших снижениях напряжения вращающий момент двигателя, изменяющийся пропорционально квадрату напряжения, может стать меньше момента сопротивления механизма, и двигатель затормозится до полной остановки.

При повышении номинального напряжения на 10% сила тока статора должна быть, как правило, уменьшена на 10% от номинального значения. При этом нагрузка на вал будет соответствовать номинальной. Увеличение температуры активной стали из-за повышения напряжения на 10% опасности не представляет, а на обмотке оно отразится в меньшей степени, чем снижение ее нагрева в результате уменьшения тока статора. Повышение напряжения на двигателе более чем на 10% от номинального не допускается из-за возможности перегрева активной стали, а для двигателей напряжением 3 кВ и выше и по надежности работы изоляции обмотки.

2.2 Допустимые режимы при изменении температуры входящего воздуха

Номинальной температурой входящего воздуха для двигателей, изготовленных по ГОСТ 183-86, считается 40°С. Мощность двигателей при температуре охлаждающего воздуха выше номинальной должна быть уменьшена, а при температуре охлаждающего воздуха ниже номинальной может быть повышена согласно указаниям завода-изготовителя. Например, для двигателей АТД допустимая мощность изменяется в следующих пределах:

Температура входящего воздуха, °С,……..50 45 40 35 25 20 15 и ниже

Мощность двигателя АТД, % от номинальной… 87,5 95 100 102 105 107,5 107,5

Минимальная температура входящего воздуха не нормируется.

При изменении частоты в пределах ± 5% двигатель может быть нагружен до номинальной мощности.

Ток статора нагруженного двигателя при снижении частоты вначале из-за уменьшения нагрузки на вал снижается. Затем достигнув минимального значения, начинает резко возрастать, так как увеличение тока намагничивания при дальнейшем снижении частоты оказывается сильнее влияния от снижения нагрузки. Потребление двигателем реактивной мощности при снижении частоты возрастает примерно так же, как от повышения напряжения.

2.3 Допустимые температуры подшипников

Вкладыши подшипников скольжения не должны нагреваться выше 80°С, а разность между температурами вкладышами и окружающего воздуха не должна быть выше 45°С.

Температура масла в подшипнике без маслоохладителя ниже температуры вкладыша на 5…10°С, поэтому масло в таких подшипниках не должно нагреваться выше 70…75°С. Для подшипников с принудительной смазкой температура масла на сливе из подшипников не должна превышать 65°С. Температура подводимого масла при длительной работе не должна быть выше 40…45 и ниже 25°С.

Согласно ГОСТ 183-86 для подшипников качения предельно допустимое значение температуры составляет 100°С. Но в большинстве случаев фактическая температура подшипников качения значительно ниже этого значения. Если температура подшипника заметно повысилась, а температура двигателя и наружного воздуха остались на прежнем уровне, это свидетельствует о появлении дефекта в подшипнике. Двигатель при первой возможности следует остановить для ревизии.

Вибрация двигателя, измеренная на каждом подшипнике, не должна превышать следующих значений:

Вращения, об/мин…….3000 2500 2000 1500 1000 750 и ниже

Вибрации, мкм……… 50 60 70 100 130 160

Повышенная вибрация ослабляет крепления обмоток и увеличивает износ подшипников и других частей. При сильной вибрации могут произойти задевания ротора за статор, поломка вала ротора и нарушение контакта в обмотка.

Холодный двигатель с короткозамкнутым ротором допускается пускать 2…3 раза подряд, а горячий – не более одного раза. При большем числе пусков подряд обмотки двигателя перегреваются от пускового тока, что значительно сокращает их срок службы.

3. Обслуживание двигателей, надзор и уход за ними

3.1 Надзор за нагрузкой и подшипниками двигателей

Надзор за нагрузкой двигателей, температурой подшипников и охлаждающего воздуха, поддержанием уровня масла в подшипниках, а также пуск и остановка двигателей осуществляется персоналом, обслуживающим механизмы. Персонал электроцеха обязан периодически осматривать двигатели и контролировать режим их работы по всем показателям, а также производить ремонт и испытания.

Надзор и уход состоит в контроле за температурой и отсутствием ненормального шума. В подшипниках скольжения, кроме того, следят за уровнем и чистотой масла, нормальным вращением смазочных колец. При низком уровне масла его доливают. Обычно подливают масло в подшипники один раз в месяц и реже. Чаще доливают масло только при наличии его утечки из подшипников.

Любая утечка масла, особенно утечка внутрь двигателя, — это серьезный дефект. Попадая на обмотку, масло разрушает изоляцию, резко снижает её электрическую прочность, что может привести к КЗ в обмотке.

Смена масла в подшипниках скольжения и смазки в подшипниках качения производится, как правило, один раз в год.

3.2 Надзор и уход за охлаждением двигателей

В двигателях, забирающих воздух для охлаждения непосредственно из помещений, необходимо следить за тем, чтобы решетки на всасывающих приемах в торцевых крышках не были забиты пылью и грязью. Для этого решетки, как и весь двигатель, систематически очищают.

На отключенных двигателях типа ДАЗО, установленных вне помещения, в холодное время и сырую погоду должны включаться электронагреватели, вмонтированные в корпусе двигателя. На работающем двигателе должны работать оба вентилятора, обеспечивающих приток воздуха по трубкам воздухоохладителя. При остановке обоих вентиляторов двигатель ДАЗО может перегреться и выйти из строя. Поэтому ревизия подшипников двигателей вентиляторов должна производиться в такие сроки, чтобы между очередными видами ремонта было исключено их повреждение (желательно осенью и весной). Должна быть исправной сигнализация об остановке вентиляторов. На некоторых станциях для повышения надежности двигателей ДАЗО их воздухоохладители со стороны выхода наружного воздуха подсоединены к всасывающим коробам дымоходов и дутьевых вентиляторов, а вентиляторы двигателей ДАЗО демонтированы.

Мощные двигатели работают по замкнутой системе охлаждения и имеют водяные воздухоохладители. Для предотвращения конденсации влаги на стенках воздухоохладителя температура входящей в него воды не должна быть ниже 5…10°С.

Разность между температурами входящего воздуха и входящей воды обычно не превышает 7…10°С. Увеличение этой разницы, как и нагрев воды в газоохладителе более длительно наблюдаемого значения (2…8°С), указывает на малый приток воды через газоохладитель из-за его засорения, скопления воздуха в трубках или по другим причинам.

Вода в воздухоохладители должна подаваться только через фильтры. Для очистки воздухоохладителей без разборки от мелкой щепы, палок, листьев и другого мусора целесообразно на двигателях выполнить промывку обратным ходом воды, как и на генераторах.

На двигателях с расположением воздухоохладителей в верхней части корпуса при появлении течи в охладителе вода может попасть на обмотку. При появлении течи в воздухоохладителях двигатель должен быть отключен по возможности в наиболее короткий срок.

Тушение возгораний обмоток в двигателях наиболее эффективно производить водой.

Возгорание мелких двигателей можно тушить и углекислотными огнетушителями. Применение углекислотных огнетушителей для тушения возгорания крупных двигателей чаще всего результата не дает.

Коллектор чистят на холостом ходу сухой неволокнистой тряпкой. Если на коллекторе есть жир, тряпку смачивают спиртом.

Царапины и почернения на коллекторе во избежание усиления искрения должны устраняться по мере их возникновения. Это достигается полировкой коллектора мелкой стеклянной бумагой, закрепленной на деревянной колодке при нормальной частоте вращения двигателя.

Смазочные кольца подшипников скольжения должны вращаться с заданной частотой. При замедленном вращении колец происходит недостаточная подача масла и перегрев подшипника. Необходимый уровень масла в подшипниках отмечен чертой на маслоуказателе.

Плавкие вставки применяют ограничено.

В этом случае они должны быть калиброваны с указанием их номинального тока. Применять некалиброванные вставки запрещается.

4. Ремонт двигателей постоянного тока

4.1 Организация ремонта

Для проверки состояния двигателя, устранения неисправностей и повышения надежности периодически проводят текущий и капитальный ремонт.

Текущий ремонт предусматривает замену масла и измерение зазоров в подшипниках скольжения, замену или добавление смазки и осмотр сепараторов в подшипниках качения, чистку и обдувку статора и ротора при снятой задней крышке, осмотр обмоток в доступных местах.

Капитальный ремонт включает полную разборку двигателя с выемкой ротора, чистку, осмотр и проверку статора и ротора, устранение выявленных дефектов (например, перебандажировка схемной части обмотки статора, переклиновка ослабленных клиньев, покраска лобовых частей обмотки и расточки статора), промывку и проверку подшипников скольжения, замену подшипников качения, проведение профилактических испытаний.

Периодичность капитального и текущего ремонта электродвигателей устанавливается по местным условиям. Она должна быть не только обоснована для каждой группы двигателей по температуре и загрязненности окружающего воздуха, но и учитывать требования завода-изготовителя, выявившуюся недостаточную надежность отдельных узлов.

Капитальный ремонт электродвигателей, работающих нормально, целесообразно проводить во время капитального ремонта основных агрегатов (котлов, турбин), на которых электродвигатели установлены, т.е. один раз в 3. 5 лет, но не реже. При этом будут обеспечены одинаковые уровни надежности электродвигателей и основного агрегата. Текущий ремонт электродвигателей обычно проводят один-два раза в год. В целях сокращения трудозатрат на работы по центровке и подготовке рабочего места ремонт электродвигателя целесообразно совмещать с ремонтом механизма, на котором он установлен.

4.2 Текущий ремонт двигателя

При проведении частичной ревизии без разборки двигателя выполняют следующие работы: внешний осмотр общего состояния; осмотр выводов, щеточного механизма, коллекторов или контактных колец, подшипников и других частей; промывка подшипников скольжения и заполнение их маслом; вскрытие подшипников качения и проверка наличия и качества в них консистентной смазки; проверка состояния изоляции обмоток статора и ротора мегомметром; проверка свободного вращения ротора; устранение незначительных дефектов, выявленных при ревизии.

Ревизия двигателя с полной разборкой должна производиться в сухом отапливаемом помещении, оборудованном подъемными средствами.

Разборку электродвигателя начинают со снятия полумуфты, шкива или шестерни с конца вала. После этого подвешивают и удерживают на весу подшипниковые щиты, отворачивают болты торцевых крышек, щиты выводят из заточки статора, а ротор опускают на расточку статора.

При необходимости после снятия щитов производится выемка ротора. При осмотре обмотки статора необходимо обратить внимание на исправность крепления отдельных узлов и лобовых частей, а также на отсутствие трещин и повреждений изоляции и состояние расклиновки обмоток. При обнаружении ослабленных клиньев следует установить между клиньями и обмоткой дополнительные изоляционные прокладки При осмотре активной стали статора и ротора проверяют плотность опрессовки, надежность крепления и отсутствие коррозии. Выявленные дефекты устраняют, а расточку статора при необходимости покрывают изоляционным лаком.

После устранения дефектов двигатель собирают, проверяют щупом воздушные зазоры через отверстия в щитах с обоих торцов статора. У машин постоянного тока мощностью более 3 кВт проверяют качество паек в «петушках», измеряют падение напряжения между коллекторными пластинами, выясняя причины падения напряжения выше нормы. Для машин серийного производства расхождение значений падения напряжения допускается не более чем на 10% от нормальной, а у машин с уравнительными соединениями расхождение не должно превышать 20. 30%.

Рис. 7.1. Съемник для снятия полумуфт

4.3 Капитальный ремонт двигателей

Этот вид ремонта выполняют с полной их разборкой. Для разборки двигатель стропят на крюк подъемного устройства за рымы и перемещают на свободное место или разворачивают на фундаменте.

Для надежной работы полумуфты в большинстве случаев устанавливаются с напряженной посадкой. Для этого диаметр отверстия в полумуфте должен быть равен номинальному диаметру выступающего конца вала или превышать его не более чем на 0,03. 0,04 мм. Снятие полумуфт удобнее всего производить съемниками, показанными на рис. 7.1. Установка полумуфты на вал крупных двигателей, как правило, производится с подогревом ее до температуры 250’С, когда пруток из олова начинает плавиться.

Предельные зазоры в подшипниках скольжения электродвигателей