Электродвигатели

В предыдущей главе среди конструктивных элементов многих приборов назывались электродвигатели, однако о неполадках двигателей не было написано ни слова. Вопрос этот достаточно емкий и заслуживает выделения в отдельную главу. Настоящая глава целиком посвящена электродвигателям: их классификации, устройству, рабочим параметрам, правилам эксплуатации.

Классификация электродвигателей

В зависимости от вида тока, используемого в электрической машине, все двигатели подразделяются на двигатели постоянного и переменного тока, а также универсальные (коллекторные). Каждый тип двигателей имеет как достоинства, так и недостатки.

Устройство двигателей переменного тока более простое, следовательно, и работать с ними значительно легче. Однако регулировать частоту вращения таких двигателей практически невозможно. Это ограничивает область их применения приборами, в которых нет необходимости регулировать частоту вращения, например в электропилах и подобных механизмах.

Конструктивно в самом общем виде электрические двигатели переменного тока состоят из двух главных частей: неподвижной части – статора и вращающейся части – ротора (рис. 97).

Рис. 97. Устройство трехфазного двигателя серии 4А: 1 – вал; 2 – фиксирующая шпонка; 3 – подшипник; 4 – статор; 5 – обмотка статора; 6 – ротор; 7 – вентилятор; 8 – коробка выводов; 9 – лапа.

Выпускают их однофазными и многофазными, а потребляемая мощность находится в диапазоне от 0,2 до 200 кВт и более.

Конструкция двигателей постоянного тока также включает в себя подвижную часть – якорь и неподвижную – статор. Обмотки статора и якоря в этих двигателях могут быть соединены последовательно, параллельно и комбинированно. Их неоспоримое преимущество перед двигателями переменного тока – возможность регулирования частоты вращения. Используются они в основном в промышленных установках, где существует точное ограничение частоты вращения.

В бытовых электроприборах – холодильниках, пылесосах, соковыжималках и т. п. – используются универсальные коллекторные двигатели, рассчитанные на работу как от переменного тока частотой 50 Гц (напряжением 127 и 220 В), так и от постоянного тока (напряжением 110 и 220 В).

Коллекторные двигатели обладают невысокой мощностью – до 600 Вт; максимальная частота вращения – до 8000 оборотов в минуту. Частота вращения в них регулируется изменением величины подводимого к их обмоткам напряжения: если двигатель маломощный, то изменение напряжения производят подключением реостата; для двигателей более мощных используется трансформатор.

Преимуществом коллекторных двигателей является прежде всего их универсальность. К недостаткам же следует отнести невозможность работы на малых нагрузках, то есть вхолостую (двигатель в таком режиме перегревается); низкий КПД при работе на переменном токе; возникновение радиопомех при работе двигателя. Правда, последний недостаток можно уменьшить, если обмотку возбуждения симметрировать, то есть включить с обеих сторон якоря.

Технический паспорт электродвигателя

Поскольку существует большое количество типов и марок электродвигателей, привести в этой книге все их технические параметры не представляется возможным. Да этого и не требуется, так как каждый двигатель заводского производства имеет технический паспорт, выполненый в виде металлической таблички, которая закрепляется непосредственно на корпусе двигателя. А вот правильно прочесть этот паспорт нужно уметь.

В паспорте двигателя указываются все его технические характеристики, необходимые для его подключения, а именно: тип двигателя; его заводской номер; вид тока, от которого работает двигатель; номинальная частота переменного тока (в Гц); номинальная полезная мощность на валу двигателя; коэффициент мощности; вид соединения обмотки статора и необходимое в каждом из этих случаев напряжение сети (в В); потребляемый ток при номинальной нагрузке (в А); режим работы по длительности; частота вращения при номинальной нагрузке; номинальный коэффициент полезного действия; степень защиты; а также ГОСТ, класс изоляции обмотки, масса и год выпуска.

Доскональное описание устройства всех типов электродвигателей целью этой книги не является. Поскольку ремонт электродвигателей – дело сложное, требующее не только специальных знаний, но и наличия нужного оборудования, то его лучше поручить мастерам. Задачей же домашнего электрика является обеспечение правильной эксплуатации исправного двигателя.

Обозначение выводов обмоток двигателей различного типа

Несомненно, домашний электрик должен уметь правильно подключить электродвигатель к сети, и основная загвоздка здесь – количество выводов различного рода обмоток: их достаточно много, в них трудно разобраться. Большую помощь окажет знание условных унифицированных обозначений, применимых к отечественным электродвигателям.

Наибольшую сложность представляет подключение двигателя постоянного тока; здесь количество выводов может быть больше десяти. Обозначаются они начальными буквами слов, отражающих их функциональное назначение:

Я1 и Я2 – начало и конец обмотки якоря;

К1 и К2 – начало и конец компенсационной обмотки;

Д1 и Д2 – начало и конец обмотки добавочных полюсов;

С1 и С2 – начало и конец последовательной (сериесной) обмотки возбуждения;

Ш1 и Ш2 – начало и конец параллельной (шунтовой) обмотки возбуждения;

У1 и У2 – начало и конец уравнительного провода соответственно.

Разобраться с двигателями переменного тока, имеющими значительно меньшее количество выводов, намного проще:

– если обмотки статора трехфазных двигателей переменного тока соединены звездой, то начало статорных обмоток обозначается как С1, С2 и С3 (соответственно первой, второй и третьей фазы); нулевая точка – 0. Если статорная обмотка имеет шесть выводов, то обозначения С4, С5 и С6 указывают на концы обмоток (соответственно первой – 4, второй – 5 и третьей фазы – 6);

– если соединение обмоток статора осуществляется треугольником, то обозначения С1, С2 и С3 определяют зажимы соответственно первой, второй и третьей фаз.

Трехфазные асинхронные двигатели имеют выводы роторных обмоток, обозначаемые как Р1, Р2 и Р3 (соответственно первой, второй и третьей фаз), 0 обозначает нулевую точку. Выводы обмоток асинхронных многоскоростных двигателей обозначаются: для 4 полюсов – 4С1, 4С2 и 4С3; для 8 полюсов – 8С1, 8С2 и 8С3. В асинхронных однофазных двигателях выводы главной обмотки обозначаются: С1 – начало, С2 – конец. Для выводов пусковой обмотки этих же двигателей приняты обозначения: П1– начало, П2 – конец.

Выводы обмотки возбудителя синхронных двигателей, которые носят название индукторов, обозначаются как И1 и И2 (соответственно начало и конец обмотки).

Для того чтобы при подсоединении выводов обмоток коллекторных машин было как можно меньше путаницы, на заводах-изготовителях и в ремонтных мастерских их помечают разными цветами: выводы обмотки якоря – белым цветом; последовательной обмотки возбуждения – красным (если она имеет дополнительный вывод, то его помечают красным и желтым цветами); параллельной обмотки возбуждения – зеленым. Для определения начал и концов обмоток последние всегда помечаются добавленным к основному черным цветом; таким образом получается, что начала обмоток имеют одноцветные пометки, а концы – двухцветные.

Цветовая пометка выводов обмоток электродвигателей является дополнением к буквенной. Однако в электромоторах малой мощности обмотки выполняются проводами, толщина которых не позволяет применить буквенное обозначение, поэтому цветовая маркировка является здесь основной и единственной.

В трехфазных двигателях начало первой фазы обозначается желтым цветом, начало второй – зеленым, начало третьей – красным, черный цвет указывает на нулевую точку. При шести выводах маркировка начала обмоток сохраняется, а маркировка концов производится основным цветом с добавлением черного.

Выводы обмоток асинхронных однофазных двигателей в маркировке имеют следующие цвета: начало главной обмотки обозначается красным проводом, начало пусковой обмотки – синим, в маркировке концов обмоток, как обычно, помимо основного цвета, присутствует черный.

Изменение параметров трехфазного асинхронного двигателя

Как известно, наши электрические сети не отличаются постоянством параметров тока. Поэтому необходимо знать, как меняются параметры электродвигателей при условиях, отличных от номинальных.

Если в сети питания трехфазного асинхронного двигателя происходит понижение напряжения (при сохранении номинальной частоты переменного тока), его вращающий момент уменьшается, а коэффициент полезного действия падает. При повышении напряжения (и сохранении номинальной частоты тока) вращающий момент растет, что приводит к перегреву двигателя и к уменьшению коэффициента полезного действия.

Как говорится, от перемены мест слагаемых сумма не изменяется. Поэтому если постоянным остается напряжение, а частота переменного тока уменьшается, то КПД по-прежнему ухудшается: частота вращения двигателя уменьшается, и он начинает греться. К аналогичному результату приводит и повышение частоты переменного тока при сохранении номинального напряжения.

Подключение трехфазного двигателя к однофазной сети

Электродвигатели, как известно, бывают однофазными и трехфазными; бытовая электрическая сеть имеет одну фазу. Возникает вопрос: можно ли подсоединить трехфазный двигатель к однофазной сети. Несмотря на кажущееся неразрешимым противоречие, такое подключение осуществить можно, причем существует несколько способов.

Первые два способа подключения электродвигателей (рис. 98) основаны на использовании рабочего (Ср) и пускового (Сп) конденсаторов.

Рис. 98. Схема подключения трехфазного электродвигателя к однофазной сети с помощью конденсаторов: а – при включении электродвигателя «в звезду»; б – при включении электродвигателя «в треугольник».

Пусковой конденсатор увеличивает пусковой момент, и после пуска двигателя его отключают. Но если пуск двигателя осуществляется без нагрузки, то конденсатор Сп в цепь не включают.

Для рабочего конденсатора, включаемого в цепь, необходимо рассчитать емкость. Расчет производится по формуле: Ср = К (Iном/U), где Ср – рабочая емкость конденсатора для номинальной нагрузки (в микрофарадах – мкФ); Iном – номинальная сила тока (в амперах – А); U – номинальное напряжение в однофазной сети (в вольтах – В); К – коэффициент, который зависит от схемы включения двигателя. При включении электродвигателя «в звезду» К = 2800, при включении «в треугольник» К = 4800.

За номинальную силу тока и напряжения принимают значения указанных параметров, приведенных в техническом паспорте электродвигателя.

Для подключения трехфазных двигателей к однофазной сети с помощью конденсаторов используются следующие их типы: КБГМН (бумажный, герметический, в металлическом корпусе, нормальный), БГТ (бумажный, герметический, термостойкий), МБГЧ (металлобумажный, герметический, частотный).

Если возникает необходимость произвести изменение направления вращения электродвигателя (реверсирование), то это легко сделать, переключив сетевой провод с одного зажима конденсатора на другой.

Пусковые конденсаторы могут иметь следующие технические параметры: напряжение на конденсаторе при номинальной нагрузке должно быть равно напряжению в сети (а при работе двигателя с недогрузкой напряжение на конденсаторе должно быть в 1,15 раза больше напряжения в сети); пусковая емкость должна составлять 2,5–3 рабочей емкости.

В качестве пускового конденсатора чаще всего применяется дешевый электролитический конденсатор типа ЭП. Но при использовании электролитического конденсатора следует помнить, что он обладает большим током разряда, оставаясь заряженным даже после отключения напряжения. Поэтому после каждого отключения конденсатор необходимо разрядить с помощью какого-либо сопротивления, например нескольких ламп накаливания, соединенных последовательно.

Использование конденсаторов для включения трехфазного двигателя в однофазную сеть весьма эффективно, поскольку позволяет получить мощность, составляющую 65–85 % от той, что указана в паспорте двигателя. Но здесь могут возникнуть затруднения с подбором нужной емкости конденсаторов. Поэтому гораздо большее распространение получили способы включения с применением активных сопротивлений (рис. 99).

Рис. 99. Схема включения трехфазного электродвигателя в однофазную сеть с помощью активного сопротивления: а – включение электродвигателя «в треугольник»; б – включение электродвигателя «в звезду».

Непосредственно перед подключением электродвигателя к однофазной сети следует включить пусковое сопротивление; отключают пусковое сопротивление только после того, как двигатель достигнет частоты вращения, близкой к номинальной.

К сожалению, при использовании способов включения трехфазного двигателя в однофазную сеть с помощью активного сопротивления можно получить от двигателя мощность, не превышающую половины его номинальной.

Включение двигателей постоянного тока в сеть

В домашней мастерской, оснащенной станками с электродвигателями, возможно, потребуется подсоединить и подключить к сети двигатели постоянного тока. Для этого существует несколько схем.

Наибольшее распространение получила схема включения с помощью пускового реостата, понижающего пусковой ток, поскольку при включении двигателя возникает пусковой ток, который превышает номинал в 10–20 раз. Обмотка электродвигателя может попросту не выдержать, и это приведет к выходу из строя как самого двигателя, так и других элементов цепи.

Подключают пусковой реостат последовательно с цепью якоря (рис. 100).

Рис. 100. Схема включения в сеть двигателя постоянного тока: Л – зажим, соединенный с сетью; М – зажим, соединенный с цепью возбуждения; Я – зажим, соединенный с якорем; 1 – дуга; 2 – рычаг; 3 – рабочий контакт.

Такая схема наиболее приемлема для двигателей мощностью более 0,5 кВт.

Величина пускового сопротивления реостата рассчитывается по формуле:

где R_п – пусковое сопротивление реостата (Ом); U – напряжение сети (110 либо 220 В); I_ном – номинальный ток двигателя (А); R_я – сопротивление обмотки якоря (Ом).

Порядок включения в сеть двигателя постоянного тока следующий:

– рычаг на реостате устанавливают на холостой контакт – 0;

– включают сетевой рубильник и переводят рычаг реостата на первый промежуточный контакт.

При этом двигатель возбудится, а в цепи якоря потечет пусковой ток, величина которого будет зависеть от большого сопротивления, складывающегося из всех четырех секций пускового реостата;

– с увеличением частоты вращения якоря пусковой ток должен уменьшиться, что позволит уменьшить и пусковое сопротивление; для этого переводят рычаг реостата на второй, затем на третий контакт и т. д., пока он не окажется на рабочем контакте (рычаг реостата нельзя долго держать на промежуточных контактах, так как пусковые реостаты рассчитаны на непродолжительное время работы и задержка их в таком режиме приводит к перегреву и выходу из строя).

Существует и порядок отключения двигателей постоянного тока от сети, поскольку выключаются они не сразу: сначала рукоятку реостата переводят в крайнее левое положение (разумеется, двигатель при этом отключится, но обмотка возбуждения все же останется замкнутой на сопротивление реостата) и только затем отключают питание двигателя. Если пренебречь подобным порядком отключения и выключить электродвигатель сразу, то в момент размыкания цепи в ней может возникнуть такое большое напряжение, что двигатель выйдет из строя.

Степень исправности коллекторного электродвигателя

Тот, кто по роду своей деятельности или в силу природного любопытства, имел дело с двигателями постоянного тока, непременно должен был обратить внимание на постоянное искрение, присутствующее на коллекторе двигателя во время его работы.

Само по себе искрение необязательно свидетельствует о неисправности двигателя или о невозможности его эксплуатации, поскольку причины возникновения искрения самые различные: от присутствия почернения на коллекторе или нагара на щетках до неправильной их установки и плохого прилегания щеток к коллектору или повышенной вибрации щеточного устройства.

Практика показывает, что полностью избавиться от искрения на коллекторе не удается даже в тех случаях, если щетки двигателя установлены абсолютно правильно, по заводским меркам, с плотным прилеганием их к коллектору; если отсутствует вибрация, если поверхность коллектора и щеток не имеет загрязнений, почернений и нагаров.

Задача домашнего электрика, работающего с двигателем постоянного тока, – научиться правильно определять степень допустимого искрения на коллекторе. А для этого существуют определенные нормы искрения, зная которые можно без труда отличить исправный двигатель (несмотря на наличие искрения) от того, которому нужна профилактика в ремонтной мастерской.

Нормы определяются по специально разработанной шкале классности, так называемым классам коммутации (табл. 9).

Таблица 9. Степень и характеристика искрения на коллекторе двигателя постоянного тока

Эксплуатация двигателей 1, 1,25 и 1,5 классов коммутации возможна без ограничений.

Двигатели с искрением 2-го класса коммутации можно эксплуатировать лишь в том случае, если оно происходит только в моменты резкого увеличения нагрузки либо при работе в режиме перегрузки.

Третий класс коммутации ограничивает возможность дальнейшей эксплуатации двигателя. Если и коллектор, и щетки находятся в пригодном для работы состоянии, то такое искрение допустимо только в момент прямого включения без использования реостатных ступеней или реверсирования машины.

Опытный электрик может определить степень возможности дальнейшей эксплуатации электромотора не только по характеристике искрения и состоянию коллектора и щеток, но и по цвету искр, появляющихся на коллекторе:

– небольшие голубовато-белые искры, практически всегда присутствующие на бегающем крае щетки, допускают дальнейшую эксплуатацию двигателя без каких-либо ограничений; такие искры характерны для 1, 1,25 и 1,5 классов коммутации;

– появление удлиненных искр желтоватого оттенка свидетельствует о принадлежности искрения ко 2-му классу коммутации; дальнейшая эксплуатация двигателя возможна с небольшими оговорками;

– если искры приобрели зеленую окраску, а на рабочей поверхности щеток присутствуют частички меди, то эксплуатировать электродвигатель далее нельзя, поскольку имеется механическое повреждение коллектора двигателя.

Единственная ремонтная операция, за которую может взяться домашний электрик, не имеющий специальных знаний по электротехнике, – это замена изношенных щеток. Для этого необходимо снять крышку корпуса мотора и колпачки щеткодержателей, отсоединить изношенные щетки и установить новые, соблюдая тип соединения с контактами (скрутка или пайка).

Прочий же ремонт электродвигателей настоятельно рекомендуется поручить специалистам-профессионалам, поскольку двигатели и переменного, и постоянного тока – механизмы достаточно сложные и дорогостоящие, чтобы производить на них опыты и эксперименты.