Глава 5 электродвигатели, трансформаторы и аппараты управления
5.1. Общие сведения об электродвигателях
Электродвигатель – машина, преобразующая электрическую энергию в механическую. В зависимости от рода потребляемого тока электродвигатели подразделяются на электродвигатели переменного и постоянного тока . Электродвигатели переменного тока делятся на асинхронные , синхронные и коллекторные .
Асинхронный электродвигатель состоит из статора и ротора. Обмотки статора и ротора размещены в пазах их магнитопроводов. На роторе асинхронных электродвигателей располагается либо фазная, т.е. имеющая обычно столько же фаз, сколько и обмотка статора, либо короткозамкнутая. Короткозамкнутая обмотка ротора состоит из расположенных в его пазах замкнутых между собой по обеим сторонам ротора неизолированных стержней из проводникового материала. Она может быть также выполнена заливкой пазов алюминием. В зависимости от типа обмотки различают асинхронные двигатели с фазным и с короткозамкнутым ротором.
Синхронные электродвигатели применяются в электроприводах, где требуется постоянная частота вращения, однако они имеют плохие пусковые свойства и для питания обмотки возбуждения требуется постоянный ток. Применяются на мощности свыше 600 кВт, на напряжение 6 и 10 кВ и как микродвигатели мощностью до 1 кВт. Многие серии и типы синхронных двигателей применяются для привода: компрессоров, мельниц, вентиляторов, резиносмесителей и грануляторов и т.д.
Коллекторные электродвигатели переменного тока, в основном маломощные, используются для привода электрифицированного инструмента, бытовой техники, медицинского оборудования и т.п., т.е. в тех случаях, когда для их питания необходим однофазный и реже трехфазный переменный ток.
Коллекторные электродвигатели постоянного тока более распространены в промышленности, что объясняется всевозрастающим применением статических выпрямителей, а также простотой и надежностью способа регулирования частоты вращения, большими пусковыми моментами и перегрузочной способностью, чем у двигателей переменного тока.
Основными конструктивными элементами двигателей постоянного тока являются станина с закрепленными на ней главными и добавочными полюсами, вращающийся якорь с обмоткой и коллектором и щеточный аппарат.
В настоящее время основной серией двигателей постоянного тока общего назначения является серия 2П. Исходя из требований современного электропровода создано новое поколение электродвигателей постоянного тока серии 4П. В новой серии реализована идея унификации двигателей постоянного тока с асинхронными двигателями серии 4А.
Наиболее широко распространены в электроприводах асинхронные электродвигатели трехфазного переменного тока с короткозамкнутым ротором. Асинхронные электродвигатели потребляют около 60 % всей вырабатываемой электрической энергии. Асинхронные электродвигатели выпускаются в различном конструктивном исполнении в зависимости от назначения и условий применения. Обычной является конструкция электродвигателя для установки его в горизонтальном положении. Имеются конструктивные исполнения для расположения их вертикально. Такие двигатели, как правило, изготавливаются с фланцем для крепления к вертикальной стенке приводимого в движение механизма. Выпускаются электродвигатели во встраиваемом исполнении, которые монтируются внутри станка или другого приводимого в движение объекта и являются его неотъемлемой частью.
В промышленности наиболее широко применяются асинхронные электродвигатели единой серии 4А, обладающие небольшой металлоемкостью и высокими механическими характеристиками.
Серия 4А является массовой серией асинхронных двигателей, рассчитанных на применение в различных областях промышленности. Она охватывает диапазон номинальных мощностей от 0,06 до 400 кВт. Серия выпускается в основном модифицированном и специализированном исполнении.
Двигатели в основном исполнении - это трехфазные двигатели с короткозамкнутым ротором, имеющие степень защиты I Р 44 или I Р 23.
Модифицированные и специализированные исполнения асинхронных двигателей серии 4А выполнены на базе их основного исполнения, например: двигатели с повышенным пусковым моментом (4АР); повышенным номинальным скольжением (4АС), многоскоростные (со ступенчатым регулированием частоты вращения); с частотой питания 60 Гц; а также исполнений: тропического, химостойкого, сельскохозяйственного, влагоморозостойкого, пылезащищенного и рудничного.
В серии 4А принята следующая система обозначений:
4А х х х х х х х
1 2 3 4 5 6 7 8 ,
где 1 – наименование серии (4А); 2 – исполнение по способу защиты: буква Н – исполнение IР 23, отсутствие буквы означает исполнение IР 44; 3 – исполнение по материалу станины (статора) и щитов: А – станина и щиты алюминиевые, х – станина алюминиевая, щиты чугунные (или обратное сочетание материалов); отсутствие буквы – станина (статора) и щитов: А – станина и щиты алюминиевые, х – станина алюминиевая, щиты чугунные (или обратное сочетание материалов); отсутствие буквы – станина и щиты чугунные или стальные; 4 – высота оси вращения, мм (две или три цифры); 5 – установочный размер по длине станины: буквы S, M и L (меньший, средний или большой); 6 – длина сердечника: А – меньшая, В – большая при условии сохранения установочного размера; отсутствие буквы означает, что при данном установочном размере (S, M и L ) выполняется только одна длина сердечника; 7 – число полюсов (одна или две цифры); 8 – климатическое исполнение и категория размещения по ГОСТ 15150.
Необходимо также учитывать климатические факторы, так как не всякое электрооборудование может надежно работать в различных климатических районах. Поэтому на все виды электрооборудования установлены требования, определяющие климатическое исполнение икатегорию размещения по ГОСТ15150 – 69, а также определены условия транспортирования, хранения и эксплуатации в части воздействия климатических факторов в отдельных микроклиматических районах.
Оборудование и изделия, предназначенные для эксплуатации в одном или нескольких микроклиматических районах (например, на суше, реках, море), выпускают в следующих климатических исполнениях: У – умеренный, УХЛ – умеренный и холодный; ТВ – тропический влажный; ТС – тропический сухой; Т – тропический (сухой и влажный); О – общеклиматическое исполнение. Исполнения ТВ, ТС, Т могут быть обозначены общим термином – Т. Все эти исполнения могут обозначаться буквами латинского алфавита, принятыми в некоторых зарубежных странах: N , NF , TH , T , U соответственно вышеперечисленным исполнениям.
Категории размещения оборудования и изделий при эксплуатации в воздушной среде обозначаются цифрами и могут иметь укрупненные (1, 2, 3, 4, 5) или дополнительные (1.1, 2.1, 3.1, 4.1, 4.2, 5.1) характеристики. Например: 1 – для эксплуатации на открытом воздухе (воздействие совокупности климатических факторов); 4 – для эксплуатации в помещениях (объемах) с искусственно регулируемыми климатическими условиями; 1.1 – для хранения в помещениях категории 4 и т.д.
Буквы и цифры, обозначающие климатическое исполнение и категорию размещения, вводят в условное обозначение типа (марки) оборудования и изделие после всех обозначений, относящихся к их модификации, например взрывозащищенный электродвигатель серии В типа В200 – 4 в климатическом исполнении У с категорией размещения 2 – 5 обозначают: В200 – 4 У2 – 5.
Электродвигатели серии 4АМ являются модернизацией серии 4А. Модернизация позволила снизить уровень шума, повысить значение некоторых основных параметров, уменьшить массу. Обозначение типов двигателей серии 4АМ аналогично обозначению серии 4А со степенью защиты I Р 44 и дополнено буквой М (модернизированный).
Асинхронные двигатели общего назначения серии АИ являются новой унифицированной серией асинхронных двигателей, отвечающих перспективному уровню развития мирового электромашиностроения. Электродвигатели этой серии должны полностью заменить серию двигателей 4А, ее модификации и серию А4М.
Двигатели серии АИ в отличие от серии 4А имеют: улучшенные пусковые характеристики, повышенные показатели надежности, улучшенные виброакустические характеристики, сниженный расход активных материалов, сниженную массу двигателя. Степень защиты электродвигателей серии АИ – I Р 44 и I Р 23.
Структура обозначения типоразмеров асинхронных двигателей серии АИ аналогична серии 4А и отличается первыми тремя буквами: буквы АИ обозначают вид двигателя новой серии стран Интерэлектро.
Значительно реже применяется модификация асинхронных электродвигателей с фазным ротором с трехфазной обмоткой, выполняемой подобно статорной, с тем же числом полюсов. Обмотка соединяется звездой или треугольником; три конца обмотки выводятся на три изолированных контактных кольца, вращающихся вместе с валом машины. Через щетки, укрепленные на неподвижной части машины и скользящие по контактным кольцам, в ротор включается трехфазный пусковой или регулировочный реостат, т.е. в каждую фазу ротора вводится активное сопротивление. Асинхронные двигатели с фазным ротором применяются там, где требуется плавное регулирование скорости приводимого в движение механизма, а также при частых пусках двигателя под нагрузкой.
Электродвигатели (а также аппараты) классифицируются по степеням защиты их оболочек (табл. 5.1).
Для производств, имеющих специфическую среду, выпускаются электродвигатели в специальном конструктивном исполнении. Так, для привода производственных механизмов во взрывоопасных зонах обычно применяются взрывозащищенные электродвигатели. По виду и способу устройства взрывозащиты эти электродвигатели разделяются на взрывонепроницаемые, продуваемые под избыточным давлением и повышенной надежности против взрыва (защита вида «е»).
Таблица 5.1
|
Исполнение электродвигателя (аппарата) |
Обозначение степени защиты оболочек по ГОСТ 14254 –96 |
|
Открытое Защищенное Брызгозащищенное Каплезащищенное Закрытое Обдуваемое Продуваемое Пылезащищенное Водозащищенное |
I Р 00 I Р 10, I Р 20, I Р 30, I Р 40, I Р 11, I Р 21, I Р 31, I Р 41, I Р 12, I Р 22, I Р 32, I Р 42, I Р 13, I Р 23, I Р 33, I Р 43, I Р 34, I Р 44 I Р 34, I Р 44, I Р 54 I Р 01, I Р 11, I Р 21, I Р 31, I Р 41, I Р 51, I Р 12, I Р 22, I Р 32, I Р 42, I Р 13, I Р 23, I Р 33, I Р 43 I Р 54, I Р 55 и др. I Р 54 (с обдувом) I Р 34, I Р 44, I Р 54 (с устройством для охлаждения) I Р 50, I Р 51, I Р 54, I Р 55, I Р 56, I Р 65, I Р 66, I Р 67, I Р 68 I Р 55, I Р 65, I Р 56, I Р 66 |
Наибольшее распространение получили взрывонепроницаемые электродвигатели. Широко используются электродвигатели, продуваемые под избыточным давлением. Они выпускаются на большие мощности (свыше 100 кВт) и предназначены для привода крупных насосных, компрессорных и других специальных установок.
Взрывозащита и надежность в работе взрывозащищенных электродвигателей во многом зависят от свойств используемых в них материалов. Эти материалы делятся на конструкционные , активные и изоляционные .
К конструкционным относятся материалы, из которых изготовляются механические детали и части электродвигателя (корпус, вал, подшипниковые щиты и т.д). К некоторым конструкционным материалам предъявляются специфические требования по обеспечению взрывозащиты. Например, вентилятор принудительного воздушного охлаждения (центробежный, установлен на валу, имеет направляющий кожух) выполняется из неискрящего материала ЦАМ–4–1, что исключает искрообразование при ударах его о стальной кожух и воспламенение взрывоопасной среды.
К активным относятся токопроводящие материалы или те, в которых протекают электрические процессы (например, листовая электротехническая сталь для изготовления сердечников статора и ротора, алюминий и т.п).
К изоляционным относятся материалы, предназначенные для электрической изоляции токопроводящих частей двигателей. Изоляционные материалы прежде всего должны обеспечить надежную работу электродвигателя в различных условиях эксплуатации. От них зависят и технико-экономические показатели электродвигателя. Для взрывозащищенных электродвигателей изоляция обмоток должна быть не ниже класса В (по ГОСТ 8865–70), например, микалента, микафолий, слюдинит, стеклоткань, стеклотекстолит и т.д.
Взрывозащита взрывонепроницаемых электродвигателей обеспечивается тремя факторами: взрывонепроникновением, взрывоустойчивостью и температурным режимом оболочки. Взрывонепроникновение достигается созданием взрывонепроницаемых зазоров в местах сочленения отдельных частей оболочки. К таким местам относятся сочленения: подшипниковых щитов с корпусом и валом, корпуса присоединительной коробки вводов с корпусом двигателя, крышки коробки вводов с корпусом двигателя, крышки коробки вводов с корпусом коробки и др. Все сочленения выполняются с минимальными зазорами, указанными в ГОСТ 22782.6–81 . На рис. 5.1 показаны взрывонепроницаемые зазоры оболочки электродвигателя. На чертежах они обычно обозначаются словом «взрыв».
Рис. 5.1. Схематическое устройство взрывозащищенного электродвигателя:
1 ,4 – крышки подшипника;2 – корпус;3 – подшипниковый щит;5 – вводная коробка;6 – взрывонепроницаемые зазоры, обозначаемые словом «взрыв»
Особое внимание уделяется обеспечению взрывонепроникновения присоединительной коробки. Это достигается путем применения сальникового уплотнения или заливки затвердевающей изолирующей массой места ввода в нее кабеля. Для ввода кабеля или проводов в трубе применяют муфты с трубной резьбой.
Взрывоустойчивость обеспечивается высокой механической прочностью корпуса электродвигателя, подшипниковых щитов, коробки вводного устройства и ее крышки. Эти части, а также крепежные элементы должны выдерживать без повреждения и остаточной деформации гидравлические испытания избыточным давлением, равным полуторакратному давлению, которое возникает вследствие воспламенения взрывоопасной смеси при нормальных условиях, но не менее 310 5 Па.
Температурный режим оболочки электродвигателя обеспечивается тем, что температура наружных поверхностей в рабочем режиме не должна превышать значений, указанных в табл. 2.12.
Взрывонепроницаемые электродвигатели изготавливаются для работы в категориях взрывоопасной смесей от IIА до IIС (от 1 до 4) и группах взрывоопасных смесей от Т1 до Т5 (от А до Д). Взрывонепроницаемые электродвигатели являются преимущественно электродвигателями с короткозамкнутым ротором.
Отечественные серии и типы взрывонепроницаемых электродвигателей приведены в табл. 5.2.
Таблица 5.2
|
Мощность, кВт |
U н, В |
Маркировка взрывозащиты |
Состояние производства |
Примечание |
|
|
Серийное |
Привод насосов, вентиляторов, лебедок |
||||
|
центрифуг |
|||||
|
Привод насосов |
|||||
|
Привод вентиляторов |
|||||
|
Вертикальный |
|||||
|
(с фазным ротором) |
Привод механизмов, требующих плавного пуска |
||||
|
Привод вертикальных нефтяных насосов |
|||||
|
Привод насосов, компрессоров, нагнетателей и других быстроходных механизмов |
|||||
|
Частота оборотов 1500 – 3000 об/мин |
Окончание табл. 5.2
|
Серия или тип электродвигателя |
Мощность, кВт |
U н, В |
Маркировка взрывозащиты |
Состояние производства |
Примечание |
|
Серийное |
Привод подъемно-транспортных и других механизмов в химической, нефтяной и газовой промышленности и других случаях |
||||
|
1ExdIIBT4 | |||||
|
1ExdIIBT4* |
Привод механизмов в химической, газовой, нефтеперерабатывающей и других отраслях |
* Первые имеют вводное устройство с видом взрывозащиты «е», а корпус –с видом взрывозащиты d , т.е. для взрывоопасных зон B-Ia(2),B-Iг(2), B-Iб(2), B-IIa(22). Вторые (под чертой) – вводное устройство и корпус имеют защиту вида d , т.е. для взрывоопасных зон – В-I(1), B-II(21).
Электродвигатели серии ВАО всех маркировок по взрывозащите (от В1Г до В4Д включительно) имеют одинаковые установочные и монтажные размеры, стандартизированную шкалу мощностей, что обеспечивает их взаимозаменяемость, упрощает проектирование и монтаж во взрывоопасных зонах.
Серия электродвигателей ВАО включает основное исполнение и модификации. В полном обозначении электродвигателя основного исполнения, например ВАО 21–4, цифра 2 указывает на второй габарит (т.е. на условный наружный диаметр листов статора), 1 – на условную длину (первую или вторую) пакета статора, 4 – на число полюсов. Модификации серии ВАО имеют следующие обозначения: ВАОК (с фазным ротором), ВАОТ (конвейерные), ВАОЛ (лебедочные), ВАОМ (для местной вентиляции), ВАОА (для запорной арматуры) и т.д.
В настоящее время налажен серийный выпуск новых взрывонепроницаемых электродвигателей серии В, 2В, ВА, АИМ и др. Они предназначены для применения во взрывоопасных зонах классов В – I и В – II, а также В – Iа и В – Iг.
Взрывозащита электродвигателей, продуваемых под избыточным давлением, основана на непроникновении взрывоопасной среды во внутреннюю полость электродвигателя. Это достигается продувкой внутренней полости электродвигателя и воздуходувов (в пределах границ взрывоопасной зоны) чистым воздухом или инертным газом и созданием в них избыточного давления не менее 100 Па. Электродвигатели могут иметь замкнутую или разомкнутую системы вентиляции. В первом случае циркулирует один и тот же объем воздуха, охлаждаемого двумя водяными воздухоохладителями. Имеется трубопровод для отвода воздуха при продувке электродвигателя перед пуском. В разомкнутой системе воздух (см. рис. 2.4) забирается вне взрывоопасной зоны, проходит в фильтрах очистку от пыли, затем прогоняется по воздуховодам и полости электродвигателя и выбрасывается наружу (выбрасывать отработавший воздух во взрывоопасную зону не рекомендуется).
Дополнительными мерами по этому виду взрывозащиты являются: нормирование температуры оболочки (она такая же, как и у взрывонепроницаемых электродвигателей); автоматическое отключение или подача сигнала и блокировка.
При падении статического давления внутри оболочки ниже 100 Па в зонах В–I и В–II должно произойти автоматическое отключение электродвигателя, а в зонах В–Iа и В–IIа допускается автоматическая подача сигнала опасности. Для этого применяются мембранные сигнализаторы давления СПДМ, которые устанавливаются за пределами взрывоопасной зоны.
Блокировка предупреждает включение электродвигателя до того, как через его оболочку совместно со всеми элементами (трубопроводами, воздухоохладителями и т.д.) системы вентиляции не будут продуты чистый воздух или инертный газ. Объем газов должен быть не менее пятикратной емкости оболочки и всей системы вентиляции. Эта блокировка выполняется при помощи реле времени, включающего электродвигатель только тогда, когда вентилятор осуществит продувку. Время выдержки реле времени определяется по формуле
в /Q , (5.1)
где V 1 – объем воздуховодов, м 3 ; V 2 – объем электродвигателя (вычисляется по габаритным размерам), м 3 ; Q - производительность вентилятора подпитки или продувки, м 3 /с.
Электродвигатели в этом исполнении являются крупными машинами и применяются для привода насосов, вентиляторов, компрессоров и других общепромышленных механизмов во взрывоопасных зонах всех классов (за исключением зоны В-Iг), которые могут содержать взрывоопасные смеси всех категорий и групп. Некоторые данные отечественных типов и серий таких электродвигателей приводятся в табл. 5.3.
Таблица 5.3
Электродвигатели повышенной надежности против взрыва при нормальном режиме работы не могут быть причиной взрыва: у них отсутствует открытое искрение, дуги или опасные температуры. Дополнительными факторами, обеспечивающими этот вид взрывозащиты, являются: снижение допустимой температуры изолированных обмоток на 10 С (по сравнению с допустимыми), применение электроизоляционных материалов высокого качества (степень защиты оболочки не ниже IP 33 или IP 54). Выпуск таких электродвигателей ограничен серией А десятого и одиннадцатого габаритов мощностью 55-320 кВт, напряжением 380/660 В и 3000 В в исполнениях НОА, НОБ, НОГ.
Электродвигатели повышенной надежности против взрыва могут применяться во взрывоопасных зонах всех классов (за исключением зон класса В-I и В-II) и всех категорий взрывоопасных смесей при соответствии ее группы.
Электродвигатели обычно поставляются комплектно с технологическим оборудованием (насосами, компрессорами, вентиляторами и т.д.). Если же они поставлены некомплектно, их выбирают по роду тока, напряжению и номинальным данным, приводимым в заводских каталогах.
Выбор электродвигателей по роду тока и напряжению несложен: род тока и напряжение определены условиями электроснабжения, мощностью самих электродвигателей и необходимостью регулирования частоты вращения.
Важной задачей при выборе электродвигателя является определение условий, в которых он будет работать. Во многих случаях окружающая среда содержит большое количество влаги, пыли, газов, паров, химических веществ. Поэтому степень защиты оболочки электродвигателя должна соответствовать окружающей среде. При выборе электродвигателя для взрывоопасных зон, кроме того, учитывают класс зоны, уровень и вид взрывозащиты, категорию и группу взрывоопасной смеси. Для пожароопасных зон также учитывают ее класс.
Тип асинхронного электродвигателя во многом определяется условиями пуска рабочего механизма, а также режимом работы. Режим работы электродвигателя определяется характером его загрузки и временем, в течение которого он может работать, не нагреваясь выше установленной температуры.
При длительном режиме работы выбор электродвигателей достаточно прост. Если нагрузка механизма постоянна (насосы, вентиляторы, компрессоры, различного ряда транспортеры), исходят из условия
Р н = Р мех, (5.2)
где Р н – номинальная мощность (по каталогу) электродвигателя, кВт; Р мех – номинальная мощность рабочего механизма, кВт.
Мощность Р мех определяется по параметрам производственного механизма и эксплуатационным характеристикам в соответствии с технологическим процессом.
Мощность электродвигателя насоса
Р мех.н = [Q (H + H ) k з ]/ 102 н п , (5.3)
где Q – производительность насоса, м 3 /с; - плотность перекачиваемой жидкости, кг/м 3 ; Н – высота напора, равная сумме высот всасывания и нагнетания, м; Н – падение напора в магистралях, м; k 3 – коэффициент запаса (рекомендуется принимать при электродвигателях мощностью до 50 кВт равным 1,2; от 50 до 350 кВт – 1,15; свыше 350 кВт – 1,1); н – КПД насоса, равный 0,45 – 0,85 (большая цифра относится к большей мощности); н – КПД передачи: ременной 0,85 – 0,9; клиноременной 0,97 – 0,98; при непосредственном соединении с помощью муфты – 1.
Мощность электродвигателя вентилятора
Р мех.в = QH c k з / 1000 в п, (5.4)
где Q – производительность вентилятора, м 3 /с; Н с – давление, развиваемое вентилятором, Па; k 3 – коэффициент запаса, принимаемый для электродвигателя до 1 кВт равным 2; от 1 до 2 кВт – 1,5; от 2 до 5 кВт – 1,25; свыше 5 кВт – 1,1 (1,15); в – КПД вентилятора (0,5-0,8).
Мощность электродвигателя компрессора
Р мех.к = QA / 1000 к п, (5.5)
где Q – производительность компрессора, м 3 /с; А – работа, затрачиваемая на сжатие 1м 3 газа до определенного давления, Дж; к – КПД компрессора (0,5 – 0,7).
Приводя в движение производственный механизм, электродвигатель совершает полезную работу по преодолению сил сопротивления, обусловленных силами трения в передачах и движущихся частях механизма, а также полезной нагрузкой на его рабочем органе.
Количество полезной работы, совершаемое в единицу времени (в секунду), называется полезной мощностью. Потребляемая мощность Р i для асинхронного электродвигателя равна
P
i
= 10 –3 
U
л I
л cos
,
(5.6)
где U л – линейное напряжение, питающее обмотки статора, В; I л – линейный ток потребления, А; cos - коэффициент мощности электродвигателя.
Желательно, чтобы каждый электродвигатель работал с возможно большей нагрузкой, развивая возможно большую полезную мощность. Однако увеличение нагрузки электродвигателя сопровождается увеличением температуры его частей. Наиболее чувствительной к повышению температуры элементов является изоляция обмоток электродвигателя. Чем выше рабочая температура, тем быстрее стареет и разрушается изоляция.
Приведенные на щитке электродвигателя номинальные значения мощности Р ном, тока I ном и скорости вращения n ном соответствуют номинальной нагрузке на валу, при которой электродвигатель, работая в номинальном режиме, при температуре окружающей среды + 35 С имеет максимально допустимую температуру.
При разработке конструкции и изготовлении своих аппаратов,- рассказывает О. Лавров, - я использовал прежние публикации разных журналов. Начал с изготовления сварочного «малыша» из автотрансформатора «Латр» на 9А, используя его обмотку а качестве сетевой. Для вторичной обмотки специального обмоточного провода в хлопчатобумажной или стеклотканевой изоляции я не нашел, поэтому пришлось использовать гибкий многожильный провод в виниловой изоляции с суммарным сечением медных жил 6 мм 2 . Изготовленный мною «малыш» позволял получить сварочный ток до 140А, но очень сильно перегревался даже при использовании всего одного электрода ∅3 мм.
В связи с этим в опытах по дальнейшему усовершенствованию сварочного аппарата для изготовления магнитопроводов были использованы статоры асинхронных трехфазных электродвигателей. В результате удалось изготовить аппарат, который позволяет вести сварку электродами диаметром от 2 до 5 мм и даже до 6 мм, обеспечивая величину сварочного тока до 200 А при напряжении на холостом ходу 56 В, имеет небольшие размеры - 350x350x200 мм и весит не более 20...25 кг. Кроме того, он прост по конструкции, а предлагаемая технология изготовления позволяет выполнить все работы в условиях домашней мастерской.
Для изготовления магнитопровода удобно использовать статор асинхронного трехфазного электродвигателя мощностью от 4 до 6 кВт. Статор необходимо освободить от корпуса, отлитого из алюминиевого сплава, который легко раскалывается несколькими ударами тяжелого молотка. Далее необходимо удалить из внутренних пазов статорные обмотки. Для этого достаточно спилить выступающие части обмоток с одного из торцов ножовкой по металлу, а затем с противоположного торца оставшиеся части обмоток просто вытягиваются из пазов целиком или по частям.
Освободившиеся от обмоток Т-образные зубцы с внутренней стороны статора надо удалить с помощью зубила и зачистить неровности абразивным кругом. Применять для удаления зубцов газо- или электросварку недопустимо.
На рис. 1 указаны размеры заготовки сердечника, которые должны получиться после выполнения перечисленных операций. Эти размеры необходимо учитывать при выборе статора. Площадь поперечного сечения тороидального сердечника S AB =A·В (см 2), равная произведению высоты сердечника в сантиметрах на его толщину А (в сантиметрах), является величиной, определяющей все основные характеристики будущего сварочного аппарата. Оптимальное значение S AB =20...25 см 2 . При использовании статоров рекомендованных выше двигателей высота заготовки В обычно оказывается равной 150...200 мм, из такой заготовки удается получить магнитопроводы для двух аппаратов.
После удаления зубьев и скругления острых кромок абразивным кругом торообразный сердечник необходимо обмотать хлопчатобумажной изоляционной лентой. Чтобы исключить повреждение и замыкание сетевой обмотки, изоляционную ленту необходимо стремиться накладывать плотно и равномерно без пропусков так, чтобы соседние витки перекрывали друг друга.
Сварочный аппарат должен иметь две независимые и изолированные друг от друга обмотки. Принципиальная электрическая схема приведена на рис. 2. Первичная обмотка рассчитывается на подключение к сети 220 В. К вторичной обмотке подключаются держатель электрода и свариваемая деталь. Эта обмотка должна быть рассчитана на напряжение 56 В, а для того, чтобы иметь возможность регулировать силу сварочного тока, необходимо предусмотреть дополнительные отводы с напряжением 50, 44, 38 и 32 В.
Число витков первичной обмотки п , можно определить по формуле:
S AB (см. рис. 1) должна быть выражена в см 2 . Полученное значение n 1 , можно смело округлить до целого числа десятков витков. Из своего опыта постройки сварочных аппаратов по предлагаемой технологии могу добавить, что при необходимости расчетное число витков для сетевой обмотки может быть уменьшено, но не более чем на 6%. Длина провода L 1 в метрах, необходимого для выполнения первичной обмотки:
L витка - длина витка первого слоя в метрах (способ измерения показан на рис. 1).
Для выполнения первичной обмотки лучше всего использовать специальный медный обмоточный провод в стеклотканевой изоляции с площадью поперечного сечения 2...3 мм 2 . Такие провода можно найти, разобрав старые электродвигатели. Но можно использовать и алюминиевые провода с поперечным сечением в 1,65 раза больше, чем медных. Я, например, с успехом использовал для сетевой обмотки двужильный алюминиевый провод в виниловой изоляции сечением 2...2,5 мм 2 .
Необходимо усилить изоляцию на первом слое первичной обмотки, подложив под ребра тора магнитопровода полоски картона с надрезами.
Первичная обмотка с помощью челнока равномерно, виток к витку, укладывается по длине окружности тороидального магнитопровода и изолируется одним-двумя слоями хлопчатобумажной изоляционной ленты. Непосредственно на этот слой изоляции укладывается вторичная обмотка.
Число витков вторичной обмотки можно рассчитывать по формуле:
Для вторичной обмотки следует использовать медный обмоточный провод прямоугольного сечения в стеклотканевой изоляции, но можно намотать обмотку и гибким многожильным проводом с площадью поперечного сечения 10...30 мм 2 . Также, как и для первичной обмотки, допустимо использовать алюминиевые провода с сечением в 1,65 раза больше.
Корпус сварочного аппарата изготавливается из двух квадратных щитов 10-ти миллиметровой фанеры (рис. 3). Длина сторон квадрата должна на 20...30 мм превышать наибольший диаметр тороидального сердечника с обмотками. Щиты стягиваются шестью шпильками с резьбой М8. Эти же шпильки используются в качестве клемм для подключения выводов вторичной обмотки. Центральное отверстие диаметром 30 мм необходимо для вентиляции. Соединение между шпильками и выводами трансформатора следует выполнить гибким многожильным проводом с сечением не менее 10 мм2 Два отрезка такого же провода длиной по 10 м можно использовать для подключения держателя электрода и свариваемой детали к аппарату. Для сетевых выводов подойдут любые гибкие провода с сечением 1,5...4,0 мм 2 .
Наличие отводов вторичной обмотки с шагом 6 В позволяет подключить к аппарату любую нагрузку, рассчитанную на напряжение 6, 12, 18, 24, 32, 38, 44, 50 или 56 В и потребляющую при этом токдо 200 А. Так, например, подключив к выводам 44 и 56 выпрямитель, рассчитанный на ток 200 А, получим на выходе выпрямителя постоянный ток с напряжением 12 В для запуска от сети стартером двигателя легкового автомобиля.
От редакции. Описаний сварочных аппаратов, способов их изготовления и применяемых для этого материалов опубликовано уже немало. Но мы решили продолжить разговор на эту волнующую, по-видимому, многих наших читателей тему. Выбирая для этого материал, принесенный в редакцию москвичом О. Лавровым, надеемся, что заинтересованные читатели увидят в нем и интересные находки, и новые идеи.
Хотелось бы сделать лишь самые общие замечания, но... о самом главном: об электробезопасности!
Сварочный аппарат устроен просто, но, как и любой другой прибор с питанием от сети переменного тока, должен отвечать определенным требованиям. Одно из основных состоит в том, что все элементы конструкции прибора, которые при его включении оказываются под напряжением более 12 В, должны быть либо изолированы, либо закрыты изолирующим или металлическим (но заземленным) корпусом. Следуя этому требованию, выводы вторичной обмотки трансформатора следует подключить к простейшей клеммной сборке, например, из болтов М8 с гайками и закрыть крышкой, а все переключения можно выполнять только после отключения аппарата от сети.
Другое требование, которым не следует пренебрегать при изготовлении сварочного аппарата, является обязательное наличие предохранителя в цепи сетевой обмотки. Это может быть либо промышленный предохранитель любой конструкции на ток 25...50 А либо простейший самодельный.
И еще одно замечание, которое относится не только к описанной выше конструкции. Стремление наших авторов к созданию легких и компактных сварочных аппаратов приводит к высокой напряженности теплового режима работы обмоток трансформатора. В то же время, недоступность обмоточных проводов большого сечения со специальной термостойкой изоляцией вынуждает применять провода, предназначенные для прокладки электроосветительных сетей. Выбор здесь весьма ограничен. Удовлетворительной теплостойкостью обладают лишь провода в резиновой или резино-тканевой изоляции. И совершенно непригодны для работы при повышенной температуре в обмотках трансформатора провода в поливинилхлоридной (ПВХ) изоляции. Этот изоляционный материал при повышении температуры теряет механическую прочность, расплавляется и, в конце концов, вытекает из обмотки, оставляя плотно уложенными виток к витку голые провода. Последствия очевидны - короткое замыкание. Поэтому ПВХ изоляцию с проводов лучше снять и обмотать их по всей длине хлопчатобумажной изоляционной лентой.
Плененное электричество
Если паровые котлы и механические двигатели к ним сначала были придуманы инженерами и изобретателями, а физики после этого помогли их значительно усовершенствовать, то в области электрических машин все обстояло наоборот.
Здесь открытия ученых - ив первую очередь Фарадея - послужили толчком для изобретательской фантазии инженеров, которые теперь с полным правом могли называть себя электриками и энергетиками…
В технике основными устройствами, использующими явление электромагнитной индукции, являются генераторы электрического тока , электродвигатели и трансформаторы .
Генератор состоит из статора и ротора. Массивный неподвижный статор представляет собой полый стальной цилиндр, на внутренней стенке которого уложено большое число витков металлического провода, ведущего во внешнюю электрическую цепь - к потребителю электроэнергии. Ротор - цилиндр с пазами, большой подвижный электромагнит, установленный внутри статора.
Под действием пара, газа или падающей воды (на гидростанциях) ротор начинает быстро вращаться - ив проводах статора благодаря электромагнитной индукции возникает электрический ток.
В электродвигателях происходит другое превращение: переменный электрический ток, протекая через провода статора, заставляет ротор вращаться. С помощью механических приспособлений движение ротора можно передать ленте траспортера, эскалатору метро, зубчатым и ременным передачам любого станка на современном заводе.
Огромные генераторы и электродвигатели выпускаются сейчас промышленностью многих стран мира. На советских теплоэлектростанциях монтируются генераторы мощностью до 1 миллиона киловатт! Такие генераторы, как правило, вырабатывают низкое электрическое напряжение, которое обязательно повышают, прежде чем передать электроэнергию от расположенных вдалеке электростанций к городам, где ее нетерпеливо ждут промышленные предприятия и жилые дома.
Здесь уже незаменимыми оказываются такие электрические устройства, как трансформаторы , состоящие из сердечника и двух катушек, в которых разное число витков. Если к катушке с большим числом витков подвести переменный электрический ток большого напряжения, то со стороны катушки с малым числом витков можно «снять» больший ток, но значительно меньшее напряжение. Ведь в электрической сети жилой квартиры лучше иметь напряжение, безопасное для жизни… и спиралей электрических лампочек. Тоненькие вольфрамовые спирали легко перегорают при повышенном напряжении. А свет лампочки, как справедливо заметил Владимир Маяковский, для нас столь же важен, как «хороший стих и букварь».
Машинный зал современной электростанции. Электрогенераторы превращают механическое вращение турбин в электрический ток.
Современники Фарадея - английский физик Джоуль и русский ученый Ленц практически одновременно и независимо друг от друга вывели закон, определяющий тепловое действие электрического тока. Количество теплоты, выделяемой проводником с током, гласит закон Джоуля - Ленца , равно произведению квадрата силы тока, времени его протекания и сопротивления проводника. Но ведь переход в тепло означает, что электричество постепенно теряется и при очень длинных проводах может вообще не дойти до места назначения? Конечно, вероятность такого печального исхода тем выше, чем больше сила электрического тока, чем тоньше и протяженнее провода.
Здесь, как мы знаем, выручает трансформатор: повышая напряжение, он уменьшает силу тока, отправляемого в дальний путь…
Скульптор, создавший статую Фарадея, установленную в Королевском институте в Лондоне, изобразил его держащим в руке историческую катушку с навитыми проводами. Маленькая, но очень важная деталь - с этой катушки началась, как мы видим, вся современная электротехника.
Но не знаете, как проще всего это сделать, то можно присмотреться к этому проекту. Здесь сварочный трансформатор собирается из статора двигателя. Конструкция хороша тем, что в двигателе уже почти все имеется для создания сварки, нужно только произвести некоторые доработки магнитопровода и правильно намотать трансформатор.
Что касается технических характеристик, то для таких целей подходят асинхронные двигатели мощностью порядка 4 кВт, их часто используют на разных предприятиях.
Материалы и инструменты для самоделки :
- электродвигатель мощностью от 4 кВт;
- гаечные ключи, плоскогубцы, зубило, отвертки и другой инструмент, чтобы разобрать двигатель;
- киперная лента;
- кувалда.
Процесс изготовления электросварки:
Шаг первый. Разбираем электродвигатель
По словам автора, разбирается такой двигатель довольно легко. Нужно только запастись гаечными ключами. С помощью них нужно открутить пару гаек, который стягивают две крышки двигателя друг с другом и корпусом статора. Если двигатель уже ржавый, то порой эти гайки открутить не так просто, в таком случае можно воспользоваться болгаркой и просто перерезать шпильки. Ну а после этого нужно будет воспользоваться молотком или кувалдой, чтобы сбить крышки с двигателя.
После разборки из статора нужно будет вытащить ротор, он для самоделки не понадобится. Статор представляет собой набор стальных пластин, они образуют магнитопровод. На магнитопроводе находится обмотка. Размеры статора у двигателей, а также геометрия, может отличаться. Для создания электросварки лучше всего выбирать такие двигатели, у которых диаметр корпуса большой, а длина при этом маленькая.
Наибольшую ценность в статоре представляет кольцо магнитопровода, все остальное будет только мешать. Магнитопровод обычно запрессовывают в чугунный или алюминиевый корпус. В пазах магнитопровода проходят провода, их нужно удалить. Делать это лучше всего тогда, когда магнитопровод еще находится в корпусе. Чтобы извлечь провода, нужно взять зубило и обрубать их под торец при помощи острого зубила с одной стороны статора. Ну а далее их в виде петель можно будет вытащить с помощью плоскогубцев, предварительно поддев отверткой.
Чтобы извлекать провода было проще, их можно обжечь при помощи паяльной лампы. Только не следует слишком сильно греть металл магнитопровода, иначе он может потерять свои технические характеристики.
Чугунный корпус можно расколоть с помощью кувалды. Чтобы он раскололся как надо, по нему можно сделать продольные пропилы. Но в этом деле важно не перестараться, иначе можно согнуть магнитопровод.
Шаг второй. Подготовка магнитопровода
После того как будет удален корпус, нужно внимательно осмотреть магнитопровод, нужно определить, как он скреплен. Бывает, что пластины просто укладывают в корпус и скрепляют при помощи стопорной шайбы. Если это так, то такая конструкция при работе может рассыпаться, лучше всего ее стянуть шпильками или скрепить иным доступным способом. А бывает, конструкция выполнена в виде готового пакета. Если пакет магнитопровода слишком большой, то его можно уменьшить, так как сварочный аппарат будет слишком тяжелым. Если двигатель попался большой, то вполне возможно, что из него получится сделать даже две электросварки.
Что касается пазов магнитопровода, то здесь бытует несколько мнений. Некоторые забивают пазы трансформаторным железом, но наш автор делать этого не рекомендует, так как это сильно снижает КПД и увеличивает потребляемый ток. Что можно сделать - так это полностью срубить пазы с помощью зубила. Хорошо это тем, что трансформатор станет легче. Но так как процедура это довольно кропотливая, то большинство эти пазы вообще не трогают.
Шаг третий. Изолирование и намотка
Когда магнитопровод будет уже подготовлен, понадобится киперная лента, с помощью нее корпус нужно тщательно заизолировать, намотав несколько слоев. Особое внимание следует уделить острым краям на пазах, так как здесь может легко пробить изоляцию. Чтобы избежать таких проблем, то предварительно на острые края лучше всего положить какой-то диэлектрический материал, а затем обомотать магнитопровод лентой.
После этого можно приступать к наматыванию первичной обмотки. Поскольку диаметр кольца статора составляет порядка 150 мм, то в него можно уложить провод довольно большого размера, не переживая, что не хватит места. В связи с тем, что магнитопровод имеет пазы, то площадь поперечного сечения здесь будет постепенно меняться, внутри паза это значение самое маленькое. Рассчитывать количество витков нужно исходя из этого наименьшего эффективного значения.
Автор наматывает первичную обмотку непосредственно по всему кольцу магнитопровода. Потом все это дело снова изолируется сверху с помощью киперной ленты.
Ну а вторичная обмотка наматывается поверх первичной. Чтобы трансформатор можно было при необходимости настроить, вторичную обмотку нужно намотать так, чтобы она не перекрывала концы первичной. Тогда ее можно будет отмотать или домотать при необходимости.
При необходимости катушку трансформатора можно разнести на два плеча. Тогда к каждому плечу в любой момент можно будет получить доступ. Но при такой конструкции сварка будет терять мощность. Что касается технических характеристик такой самоделки, то сварка может варить без проблем электродом на 4 мм, если она сделана верно, а резать электродом на 3 мм. И все это от обычной розетки.
Потребляет сей агрегат при работе до 10А. Электродом в 3 мм можно варить сколько угодно времени, трансформатор не греется. А если сжечь штук десять на 4 мм, то трансформатор разогреется примерно до 50 градусов.
Расчет обмотки
Для первичной обмотки нужен будет провод диаметром примерно 2-2.5 мм. Вторичная обмотка делается из шины размером 8х4 мм, это касается меди, для алюминия сечение должно быть процентов на 15 больше.
Для расчета количества витков используется формула: 48 / (а х в), где (а х в) является площадью в квадратных миллиметрах.
Напряжение для первичной обмотки нужно выбирать 210В, так как оно садится при нагрузке. После того, как будет достигнуто значение 180В, через каждые 10В нужно будет делать отводы. Они понадобятся в том случае, если сваркой нужно будет пользоваться в месте с низким напряжением.
Что касается вторичной обмотки, то для стабильной дуги на холостом ходу она должна выдавать 55-65В.
Для изготовления сварочного трансформатора можно использовать статор от асинхронного двигателя. Размер сердечника определяется в данном случае площадью поперечного сечения статора, которая должна быть не меньше 20 см 2 . Если, это условие выполнено, то подойдет любой статор. Площадь поперечного сечения определяется так, как это показано на рисунке немного ниже.
Наиболее рациональная величина сечения статора-сердечника находится в диапазоне 20 см 2 - 50 см 2 . Можно использовать сердечник с площадью меньше 20 см 2 , но при этом необходимо уменьшать сечение провода в обмотках, а это повечет к заметному уменьшению мощность аппарата и сузит его параметры. Использовать сердечники с площадью сечения более 50 см 2 также нестоит, так как аппарат получится слишком тяжелым и громоздким.
Сварочный трансформатор принципиальная схема вклчения
Как видно из схемы, сварочный ток регулируется с помощью SА1. Для этого на панели аппарата закрепляются несколько обычных сетевых розеток по числу выводов дополнительной обмотки. Замыкателем же является сетевая вилка, у которой ножки разъема скручены между собой одножильным проводом, диаметр которого 1/4 диаметра провода первичной обмотки. Это дает возможность использовать проволку в роли предохранителя, который сгорит при возможных перегрузках.
Помните, что использование в выпрямителе мощных диодов с прямым от 200 А дает возможность сваривать детали дугой постоянного тока это обеспечивает лучшее зажигание дуги и более аккуратный шов.
Сварочный трансформатор если правильно собран, то не требует никакой настройки и сразу же готов к работе.
Помните, что сварочные работы следует проводить в специальной маске и в спецодежде, исключающей попадание брызг расплавленного металла и светового спектра на открытые участки тела человека.
Сварочный трансформатор на магнитопроводе от Латров |
Распространенным материалом для изготовления самодельных СТ являются сгоревшие ЛАТРы. Те, кто имел с ними дело, хорошо знают, что это такое. Как правило, все ЛАТРы имеют примерно одинаковый внешний вид: хорошо вентилируемый жестяной корпус круглой формы с жестяной или эбонитовой лицевой крышкой со шкалой от 0 до 250 В и вращающейся рукояткой.
Внутри корпуса размещен тороидальный автотра-тор, построенный на магнитопроводе большого сечения. Именно этот сердечник понадобится от ЛАТРа для изготовления нового СТ. Обычно используются 2 одинаковых кольца-магнитопровода от крупных ЛАТРов.
