Устройство и принцип действия синхронной машины

Устройство и принцип действия. Статор синхронной машины (рис. 19-8) имеет такое же устройство, как и статор асинхронной машины. Трехфазная или в общем случае m-фазная обмотка статора синхронной машины выполняется с таким же числом полюсов, как и ротор, и называется также обмоткой якоря. Сердечник статора

вместе с обмоткой называется также якорем. На рис. 19-8 условно показаны только выводные концы А, В, С обмотки статора.

Ротор синхронной машины имеет обмотку» возбуждения, питаемую Через два контактных кольца и щетки постоянным током от постороннего источника. В качестве источника чаще всего служит генератор постоянного тока относительно небольшой мощности (0,3—3,0% от мощности синхронной машины), который называется возбудителем и устанавливается обычно на одном валу с синхронной

Рис. 19-8. Принцип устройства явнополюеной (а) и неявнопо-люсной (б) синхронной машины

/ — статор (якорь), 2 — ротор (индуктор), 31 — обмотка возбуждения

машиной. Назначение обмотки возбуждения — создание в машине первичного магнитного поля. Ротер вместе со своей обмоткой возбуждения называется также индуктором. При изготовлении синхронных машин нринимаются меры к тому, чтобы распределение индукции поля возбуждения вдоль окружности статора было по возможности близко к синусоидальному.

Если ротор синхронной машины {рис. 19-8) привести во вращение с некоторой скоростью я об/сек и возбудить его, то поток ■возбуждения Ф^ будет пересекать проводники обмотки статора и в фазах последней будут индуктироваться э. д. с, с частотой

Э. Д. с. статора составляют симметричную трехфазную систему э. д. с, и при подключении к обмотке статора симметричной на-грузйи эта обмотка нагрузится симмметричной системой токов. Машина при этом будет работать в режиме генератора.

При нагрузке обмотка статора создает такое же по своему характеру вращающееся магнитное поле, как и обмотка статора асинхронной машины (см. § 19-2). Это поле статора вращается в направлении вращения ротора со скоростью

«i = /i/P» об/сек.

Если подставить сюда /_х из формулы (19-12), то получим

% = п.

Поля статора и ротора вращаются с одинаковой скоростью и образуют, таким образом, общее вращающееся поле, как и в асинхронной машине,

Поле статора (якоря) оказывает воздействие на поле ротора (индуктора) и называется в связи с этим также полем реакции якоря.

Синхронная машина может работать и в качестве двигателя, если подвести к обмотке ее статора трехфазный ток из сети. В этом случае в результате взаимодействия магнитных полей статора и ротора поле статора увлекает за собой ротор. При этом ротор вращается ~в ту же сторону и с такой же скоростью, как и поле статора.

Из формулы (19-12) следует, что чем больше число пар полюсов синхронной машины р, тем меньше должна быть ее скорость вращения п для получения заданной частоты fi. Соотношения между рия, при 1_г = 50 гц также соответствуют данным табл. 19-1.

По своей конструкции синхронные машины подразделяются на явнополюсные (рис. 19-8, а) и неявнополюсные (рис. 19-8, б).

Явнополюсные синхронные машины (рис. 19-8, а) имеют выступающие полюсы и изготовляются с числом полюсов 2р За 4. На рис. 19-9 представлены фотографии егйтора и ротора явнополюсного синхронного двигателя.

Сердечники полюсов явнополюсных машин (рис. 19-10) набираются из листов стали толщиной 1—2 мм й стягиваются с помощью шпилек. В средних и крупных машинах полюсы крепятся к выступам вала, к втулке вала или к ободу крестовины с помощью Т-образных хвостов. В малых машинах полюсы крепятся также с помощью болтов. Обмотка возбуждения крупных машин наматывается из голой полосовой меди на ребро, и проводники обмотки изолируются друг от друга изоляционными прокладками.

В полюсных наконечниках синхронных двигателей (рис-. 19-9), в соответствующих пазах, помещаются стержни Пусковой обмотки из материала с повышенным удельным сопротивлением (латунь и др.), которые привариваются по торцам к короткозамыкающим сегментам, а последние соединяются в общие короткозамыкающие

Рис. 19-9. Ротор и статор синхронного двигателя типа ДСЗ-21-21-16 на 17 000 кв-а,

14000 кет, 10 000 в, 375 об/мин

кольца. Такая обмотка напоминает беличью клетку короткозам-кнутого асинхронного двигателя и служит для асинхронного пуска синхронного двигателя (см. § 36-1 и 37-1). Такие же по конструкции обмотки, но из медных стержней изготовляются нередко в синхронных генераторах и называются в этом случае успокоительными или демпферными обмотками (о роли демпферных обмоток см. § 39-1). В последнее время полюсы синхронных двигателей часто делают также массивными из стальных поковок, и в этом случае роль пусковой обмотки выполняют сами массивные полюсы. Торцы наконечников соседних полюсов при этом соединяются проводниками в виде планок.

Явнополюсные синхронные машины с горизонтальным валом обычно имеют аксиально-радиальную вентиляцию. У двигателя, изображенного на рис. 19-9, воздух засасывается по обоим торцам машины с помощью вентиляционных лопаток на ободе ротора, затем проходит между полюсами и по воздушному зазору, далее через радиальные каналы в сердечнике статора и выпускается наружу через окна на боковых поверхностях корпуса статора.

Явнополюсные синхронные машины мощностью до 10-12 кет имеют иногда также так называемую обращенную конструкцию, когда индуктор (полюсы) является неподвижным, а якорь вращается. Такие машины напоминают по устройству машины постоянного тока, у которых коллектор заменен тремя контактными кольцами для отвода тока из обмотки якоря. Для крупных машин обращенная конструкция невыгодна, так как отвод из обмотки якоря больших токов при высоком напряжении с помощью колец и щеток чрезвычайно затруднителен и сложно осуществить надежную изоляцию вращающейся якорной обмотки высокого напряжения.

Явнополюсные синхронные машины с горизонтальным валом широко используются в качестве двигателей и генераторов, в частности в качестве так называемых дизель-генераторов, соединяемых с дизельными двигателями внутреннего сгорания. Дизель-генераторы обычно имеют один подшипник, вал генератора жестко

Рис. 19-10. Полюсы явнополюсной синхронной машины

/ — обмотка возбуждения; 2 — сердечник полюса с полюсным наконечником и Т-образным хвостом; 3 — междукатушечные соединения, 4 — шпилька для крепления междукатушечного соединения, 5 — пружина для сжатия обмотки, 6 — клинья

соединяется с валом дизеля, и в качестве второй опоры ротора генератора используется подшипник самого дизеля. Во избежание затруднений, которые могут возникнуть при работе дизель-генератора вследствие неравномерности вращающего момента дизеля как поршневой машины (см. § 39-1), дизель-генератор снабжается маховиком или его ротор выполняется с повышенным маховым моментом (моментом инерции). Аналогичную конструкцию имеют

Рис. 19-11. Капсульный гидрогенератор

1 — капсула; S — статор генератора; 3 — ротор генератора; 4 — направляющий аппарат турбины; 5 — ротор гидравлической турбины; 6 и S — Подшипники;

7 — вал

также синхронные двигатели, предназначенные для привода поршневых компрессоров.

Синхронные генераторы, сочленяемые с гидравлическими турбинами, работающими на гидроэлектростанциях, называются гидрогенераторами. Они имеют явнополюсную конструкцию и при мощностях до нескольких тысяч киловатт чаще всего также выполняются с горизонтальным валом. В последние годы все большее применение начинают находить так называемые капсульные гидрогенераторы.(рис. 19-11), также имеющие горизонтальный вал. Такие генераторы заключаются в водонепроницаемую оболочку, или капсулу, которая с внешней стороны обтекается потоком воды, проходящим через турбину. Такая конструкция применяется для низконалорных гидростанций и позволяет отказаться от машин-

ного зала и достичь большей компактности станции, что приводит к ее удешевлению. Капсульные гидрогенераторы изготовляются на мощности до нескольких десятков тысяч киловатт.

Вертикальные гидрогенераторы (рис. 19-12) представляют собой особый класс явнополюсных синхронных машин, которые имеют вертикальный вал и соединяются непосредственно с гидравлическими турбинами.

Гидравлические турбины в зависимости от напора воды и мощностей имеют обычно относительно малую скорость вращения (п — 60 ■*- 500 об/мин). Скорость вращения тем меньше, чем меньше напор воды и чем больше мощность турбины. Гидрогенераторы поэтому являются тихоходными машинами и имеют большие размеры и веса, а также большое количество полюсов. В СССР изготовлены уникальные и самые крупные в мире гидрогенераторы мощностью до 500 000 квш- Данные ряда изготовленных в СССР гидрогенераторов приведены в табл. 19-2. В этой таблице, кроме использованных ранее, приняты следующие обозначения; D_a — диаметр расточки статрра: / — длина активной части генератора; б — величина зазора (под серединой полюсного наконечника); G_t — вес генератора; g_t — вес на единицу мощности; G_n — давление на подпятник.

Весьма ответственной частью вертикального гидрогенератора является упорный подшипник, или подпятник, который воспринимает веса вращающихся частей генератора и турбины, а также давление воды на лопасти турбины. Поэтому на подпятник действуют огромные усилия (см. табл. 19-2). Особенно трудны условия работы подпятника при пуске и тем более при остановке агрегата, так как при малой скорости вращения масляный клин (пленка) между скодагчщими поверхностями подпятника не образуется и генератор с, турбиной не «всплывают». Вследствие большой инерции гидроагрегата время его выбега (остановки) при закрытии воды и отключении от сети велико. Для уменьшения продолжительности вращения агрегата с низкой скоростью при его остановке применяются тормоза. Кроме подпятников, гидрогенераторы имеют также направляющие подшипники, которые воспринимают радиальные усилия.

На одном валу с гидрогенератором, в верхней его части (рис. 19-12), в большинстве случаев устанавливаются также вспомогательные машины: возбудитель генератора (иногда с подвоз-будителем) и регуляторный генератор, который представляет собой небольшой синхронный генератор с полюсами в виде постоянных магнитов и предназначен для питания двигателей масля-нсго автоматического регулятора турбины. Подвозбудитель представляет собой небольшой генератор постоянного тока, который служит для возбуждения основного возбудителя, питающего

Рис. 19-12. Вертикальный гидрогенератор зонтичного типа

/ — статор, 2 — ротор; 3 — тормоз-домкрат; 4 — грузонесущая крестовина; 5 — маслоохладитель; 6 — подпятник, 7 — направляющий подшипник; 8 — возбудитель; 9 — подвозбудитель, 10 — контактные кольца, // — регуляторный генератор; 12 — воздухоохладитель, 13 — трубы для тушения пожара, 14 — фундаментные плиты; 15 —

вентиляционные крылышки

Таблица 19-2

Основные данные трехфазных гидрогенераторов завода «Электросила»

кв • а	кв	cos <pH	%	2р	V об/мин	Da,CM	1, см	т, см	б, см	А, а/см	тл	°t- ^m	ке/кв ■ а	Gn,m	Гидроэлектростанция
2 700	10,5	0,8	96,9					54,2	1,3		0,607		10,8		Комсомольская
44 000	10,5	0,85	97,0		187,5		ПО	57,8			0,780		7,45		Нива III
	15,75	0,8	96,7		68,2	1047,5		37,4	1,7		0,740		16,7		Верхне-Свирская
52 000	10,5	0,8	97,0		88,2			45,0	1,5		0,768		10,0		Нарвская
66 000	10,5	0,85	97,4					76,5	2,0		0,779		5,45		Гюмушская
68 750	10,5	0,8	97,6		428,6			78,5	2,0		0,758		4,50		Храмская
	13,8	0,8	96,7		62,5			42,3	2,0		0,674		15,0		Горьковская
103 500	13,8	0,8	97,5		83,3		ISO	48,0	1,8		0,702		9,52		Усть-Каменогорская
117 650	13,8	0,85	97,5		62,5			46,8	2,3		0,720		9,95		Боткинская
123 500	13,8	0,85	97,4		68,2			51,0	2,3		0,765		10,2		Куйбышевская
264 700	15,75	0,85	98,2					71,9	2,5		0,729		4,9		Братская
590 000	15,75	0,85	98,2		93,8			79,1	2,6		0,865		2,8		Красноярская

постоянным током обмотку возбуждения гидрогенератора. В крупных машинах возбудитель нередко заменяют вспомогательным синхронным генератором, который служит как для возбуждения (вместе с ртутными выпрямителями или возбудительными агрегатами, состоящими из двигателя переменного тока и генератора постоянного тока), так и для питания различных двигателей, обслуживающих гидроагрегат, состоящий из турбины и гидрогенератора.

По своей конструкции вертикальные гидрогенераторы подразделяются на подвесные и зонтичные (рис. 19-13). В первом случае

Рис Ш-13 Конструктивные схемы вертикальных гидрогенераторов подвесного (с) и зонтичного (б) исполнения

/ — верхний направляющий подшипник, 2 — нижний направляющий подшипник,

3 — фланец вала, 4 — турбина, 5 — нижняя крестовина, 6 — ротор, 7 — верхняя

крестовина, 8 — подпятник, 9 — фундамент, 10 — направляющий подшипник, // —

направляющий подшипник турбины, 12 — нижняя крестовина

подпятник расположен в верхней части агрегата, на верхней крестовине, и весь агрегат «подвешен» к этой крестовине и к подпятнику. Во втором случае- подпятник находится на нижней крестовине генератора или на крышке турбины и генератор в виде «зонта» расположен над подпятником. При зонтичной конструкции иногда удается снизить высоту агрегата и машинного зала за счет облегчения верхней крестовины и этим уменьшить также вес агрегата и расход материалов.

При аварийном отключении гидрогенератора от сети его скорость сильно возрастает, так как быстрое прекращение доступа большой массы воды в турбину невозможно, а подача энергии в сеть прекращается Достигаемая при этом максимальная, так называемая у г о н н а я, скорость может в два и более раз превы-мить номинальную Поэтому механическая прочность машины рассчитывается на эту скорость.

С вертикальным валом изготовляются также мощные синхронные двигатели для привода больших гидравлических насосов.

Неявнополюсные синхронные машины имеют цилиндрический ротор, выполняемый обычно из массивной стальной поковки. В роторе фрезируются пазы для укладки обмотки возбуждения. Эти машины выпускаются с числом полюсов 2р = 2 и 2р = 4 и имеют поэтому большие скорости вращения (при / = 50 гц соответственно 3000 и 1500 обIмин). Изготовление крупных машин с такими скоростями вращения при явнополюсной конструкции по условиям механической прочности ротора и крепления его полюсов и обмотки возбуждения невозможно.

Основными представителями неявнополюсных машин являются турбогенераторы (рис. 19-14), т. е. синхронные генераторы, предназначенные для непосредственного соединения с работающими на тепловых электростанциях паровыми турбинами. В настоящее время большинство турбогенераторов выполняется двухполюсными, так как паровые турбины являются в принципе быстроходными машинами и при больших скоростях вращения их технико-экономические показатели выше. Однако для атомных электростанций с водо-водяными реакторами выпускаются также четырехпо-люсные турбогенераторы.

Таблица 19-3 Основные данные турбогенераторов на 50 гц и 3000 об/мин

Тип	Мет	^u*.v Кв	cosq>a	V %	оаам	/, СМ	6, см	V, м/сек	А, а/см	^Bs- тл	°е т
Т2-1.5-2	1,5	6,3	0,8	95,1			1,4			0,634	10,4
Т2-6-2		6,3	0,8	96,4						0,770
Т-2-12-2		10,5	0,8	97,1			2,1			0,740	40,3
Т2-25-2		10,5	0,8	97,6			2,8			0,750	69,6
ТВ-2-30-2		10,5	0,8	98,3			2,8			0,750	91,0
ТВ-2-100-2		13,8	0,85	98,78	109,5		4,75			0,765
ТВ-2-150-2		18,0	0,9	98,9			6,25			0,81
ТВФ-60-2		10,5	0,8	98,5	103,0		5,0			0,827
ТВФ-100-2		10,5	0,85	98,3	112,8		6,4			0,822
ТВФ-200-2		11,0	0,85	98,53			7,25			0,834
ТВВ-150-2	!50	18,0	0,85	98,4	117,0		8,5			0,812
ТВВ-200-2		15,75	0,85	98,5	123,5		8,0			0,850
ТВВ-300-2		20,0	0,85	98,6	126,5		9,5			0,848
ТВВ-500-2		20J)	0,85	98,75	131,5		9,5			0,85
ТВВ-800-2		24,0	0,9	98,15	.140,0		10,0			0,96

Основные данные ряда выпущенных в СССР двухполюсных турбогенераторов приведены в табл. 19-3, в которой v означает линейную скорость на поверхности ротора при

Рис. 19-14 Турбогенератор с поверхностным водородным охлаждением 30 Мет, 10 500 в, 3000 об/мин

1 — сердечник статора, 2 — сварной корпус статора, 3 — газоохладитель, 4 — наружный щит, 5 — внутреннии щит, 6 — осевой вентилятор, 7 — обмотка статора, 8 — подшипниковый стояк с подшипником, 9 — контактные кольца, 10 — возбудитель, II — выводы

обмотки статора, 12 — ротор

Рис. 19-15. Необмотанный ротор турбогенератора мощностью 320 000 кет

нпгтк!>⁹"^ппп^ЦеВаЯ/^{ЧаСТЬ обмотанного} Ротора турбогенератора мощностью 320 000 кет (с лобовыми частями обмотки возбуждения и без

бандажа)

Роторы турбогенераторов большой мощности (рис. 19-15) изготовляются из цельных поковок высококачественной хромоникеле-вой или хромоникельмолибденовой стали. Однако и при этом предельный диаметр активной части ротора при п_н = 3000 об/мин по условиям механической прочности из-за больших центробежных сил не может превышать 1,20—1,30 м. В связи с этим роторы мощных машин приходится делать длинными. В то же время увеличение длины ротора ограничено пределом увеличения гибкости и прогиба ротора и пределом связанного с этим увеличения его вибрации. Наибольшая возможная активная длина ротора составляет 1 я* 7,5—8,5 м.

Таким образом, предельные размеры турбогенераторов ограничены возможностями современной металлургии. Поэтому увеличение предельных мощностей турбогенераторов связано с увеличением электромагнитных нагрузок (линейные нагрузки и плотности тока обмоток) и интенсификацией способов охлаждения.

Обмотка ротора турбогенератора выполняется в виде концентрических _катушек (рис. 19-16) и закрепляется в пазах (рис. 19-17) немагнитными металлическими клиньями (дюралюминий и т. д.), которые обладают требуемой механической прочностью и воспринимают весьма большие центробежные силы обмотки возбуждения. Немагнитные клинья предотвращают возникновение больших магнитных потоков рассеяния, замыкающихся вокруг лазов через клинья и вызывающих излишнее насыщение зубцов и уменьшение полезного потока, проходящего через воздушный зазор в статор. Примерно одна треть каждого полюсного деления ротора свободна от пааов и составляет так называемый большой зуб. Обмотки ротора имеют миканитовую мли другую изоляцию класса В или F. Лобовые части обмотки ротора закрываются прочным кольцеобразным стальным бандажом (рис. 19-18), рассчитанным на действие центробежных сил лобовых частей обмотки и самого бандажа. Весьма серьезной является проблема охлаждения Tyj)6ore-нератора.

Рис 19 17. Паз ротора турбогенератора завода «Электросила» с внутренним, охлаждением -проводников водородом

/ — клин, 2 и 7 ~ стек-лотекстолитовые прокладки, 3 — медный проводник, 4 — вентиляционной канал, 5 — витковая изоляция (стеклотекстолит), в — пазовая изоля ционная гильза (стекло? текстолит), 8 — отверстие для забора (выброса) во дорода иа зазора между статором и ротором

Турбогенераторы мощностью до 30 тыс. кет выполняются с замкнутой системой воздушного охлаждения, а При Р_в 5= 30 тыс. кет воздушная охлаждающая среда заменяется водородом с избыточным давлением около 0,05 атм во избежание засасывания воздуха через уплотнения и образования гремучей смеси. Применение водорода позволяет усилить съем тепла, повысить мощность при заданных размерах машины и уменьшить вентиляционные потери.

Рис. 19-18, Собранный ротор турбогенератора мощностью 320 000 кет

В обоих случаях схема вентиляции одинакова (рис. 19-14 и 19-19). Воздух (или водород) при этом Засасывается двумя вентиляторами, установленными по обоим концам вала внутри машины, распределяется по отдельным струям и омывает лобовые части обмоток статрр|; и ротора, стенки радиальных каналов сердечника статора, внешнюю поверхность ротора и внутреннюю поверхность сердечника статора.

В центральной части машины холодный воздух по одним группам радиальных каналов сердечника статора проходит от его внешней поверхности к воздушному зазору между Статором и ротором и по другим группам радиальных каналов возвращается к внешней поверхности статора. Пространство между внешней поверхностью сердечника статора и корпусом (кожухом) статора разделено в- осевом направлении стенками, перпендикулярными линии вала, на ряд камер холодного и горячего воздуха. В камеры холодный воздух поступает от вентиляторов, а нагретый воздух из

нижней части машины отводится к водяным охладителям, которые при воздушном охлаждении устанавливаются в фундаменте турбогенератора, а при водородном охлаждении — внутри корпуса машины. Подобная система вентиляции называется многоструйной радиальной. Для лучшего охлаждения ротора на его поверхности протачивают по винтовой линии канавки шириной и глубиной до 5—6 мм (см. рис. 19-16).

Создание турбогенераторов с Р_а > 150 000 кет требует дальнейшей интенсификации методов охлаждения. При этом идут

Рис. 19-19 Схема замкнутой системы вентиляции турбогенератора I — вентиляторы; 2 — газоохладители; 3 — зоны лобовых частей обмотки статора

по пути увеличения давления водорода в корпусе до 3—5 атм, При дальнейшем увеличении мощности (Р_н ^ 300 тыс. кет) необходимо перейти к наиболее эффективному способу съема тепла — к внутреннему охлаждению проводников обмоток водородом или водой. Для этой цели применяются полые проводники или в случае охлаждения водородом также проводники с боковыми вырезами для образования вентиляционных каналов (см. рис. 19-17). Водород для охлаждения проводников ротора в турбогенераторах завода «Электросила» забирается через специальные тангенциальные отверстия в клиньях ротора (см. рис. 19-16 и 19-17) и выпускается через такие же отверстия, направленные в обратную сторону и расположенные на другом участке по длине ротора (см. рис. 19-16). Движение водорода по каналам при этом обеспечивается напором, создаваемым в результате вращения ротора. При Р_ц ^ 500 000 кет иногда переходят к охлаждению полых проводников ротора водой. Обмотки статоров турбогенераторов выполняются с внутренним охлаждением проводников водой при Р_н ^ 300 000

(рис. 19-20, на котором видны трубки для подвода и отвода воды у лобовых частей обмотки).

Выше указаны номинальные мощности турбогенераторов, при которых необходимо переходить к более интенсивным способам охлаждения, так как в противном случае достижение этих мощностей при наибольших допустимых размерах машины невозможно. Однако переход к более интенсивным способам охлаждения целесообразен и при меньших мощностях, так как это позволяет умень-

Рис. 19-20. Статор турбогенератора с двухслойной обмоткой, охлаждаемой водой

шить размеры машины, ее вес и стоимость. Этот путь в последнее время и используется на практике. Отметим, что непосредственное охлаждение обмоток водой начинают применять также в мощных гидрогенераторах.

Предельная мощность турбогенератора при внутреннем водяном охлаждении ротора составляет 2000—2500 Mem. При переходе к еще большим мощностям необходимо использовать криогенные турбогенераторы, в которых применяются сверхпроводниковые обмотки возбуждения и чья конструкция весьма существенно отличается от конструкции обычных турбогенераторов.

С неявнополюсными роторами изготовляются также мощные синхронные двигатели при 2р = 2. По аналогии с турбогенераторами такие двигатели называют иногда также турбодвигателями или турбомоторами,

---

Дата добавления: 2015-07-18