Конструкция синхронных генераторов

Любая синхронная машина состоит из двух основных частей: неподвижного статора и вращающегося ротора (рис. 4.1). Статор и ротор разделены воздушным зазором, который у крупных синхронных машин обычно значительно больше, чем у асинхрон­ных машин, одинаковых по мощности.

Рис. 4.1. Устройство явнополюсной синхронной машины

По конструкции статор синхронной машины принципиально не отличается от статора асинхронной машины (см. § 8.1). Сердечник статора 1 набирают из штампованных изолированных листов электротехнической стали. В пазах статора размещают распределенную обмотку переменного тока 2 (обычно трехфазную). На валу 4 укрепляют ротор 3 с обмоткой возбуждения.

Концы этой обмотки подводят к контактным кольцам 5. Для подачи постоянного тока в обмотку возбуждения по контактным кольцам скользят щетки 6. Источником постоянного тока в рассматриваемой машине служит возбудитель 7, представляющий собой генератор постоянного тока, якорь которого укреплен на общем валу с ротором синхронной машины.

Постоянный ток, проходя по обмотке возбуждения, создает магнитное, поле ротора – поле возбуждения.

Роторы синхронных генераторов бывают с явно выраженными и неявно выраженными полюсами.

Явно полюсный ротор (рис. 4.2) состоит из вала 1, на котором укреплены сердечники полюсов с полюсными катушками 2. Сердечники полюсов заканчиваются полюсными наконечниками 3, которые обычно обрабатывают таким образом, чтобы воздушный зазор между полюсным наконечником и статором получался неравномерным. Он минимален под серединой полюса и максимален у его краев (рис. 4.3, ). Делается это для того, чтобы кривую магнитной индукции В₀ в воздушном зазоре, имеющую форму трапеции при равномерном зазоре 1, максимально приблизить к синусоиде 2.

Рис. 4.2. Явнополюсный ротор Рис. 4.3. Распределение магнитной индукции

в зазоре синхронной машины

Синхронные машины с явно выраженными полюсами обычно многополюсные. Они, как правило, рассчитываются на небольшие частоты вращения. Так, гидрогенератор Куйбышевской ГЭС имеет 88 полюсов
(2 р = 88) и вращается с частотой n ₁ = 68,3 об/мин.

Гидрогенераторы всегда явно полюсные. Так как при малых частотах вращения n₁ (которые развивает гидротурбина) гидрогенераторы должны выдавать электроэнергию промышленной час­тоты 50 Гц, то они должны иметь большое число пар полюсов:

Роторы гидрогенераторов имеют большой диаметр (для размещения полюсов) и малую длину.

Турбогенераторы являются быстроходными синхронными машинами. Объясняется это высокой частотой вращения паровых турбин, к. п. д. которых возрастет с увеличением частоты вращения. Обычно турбогенераторы делаются двухполюсными (2 р= 2) и имеют частоту вращения n₁ = 3000 об/мин.

При такой большой частоте вращения явнополюсная конструкция ротора непригодна из-за недостаточной механической прочно­сти. Поэтому турбогенераторы имеют неявнополюсный ротор – кованый стальной цилиндр с профрезерованными продольными пазами для укладки обмотки возбуждения (риса. 4.4, б). Неявнополюсные роторы имеют сравнительно небольшой диаметр при значительной длине.

Рис. 4.4. Магнитная цепь синхронной машины

В синхронных машинах применяются два способа возбуждения: электромагнитное возбуждение и возбуждение постоянными магнитами.

В зависимости от способа питания обмотки возбуждения посто­янным током различают независимое возбуждение и самовозбуж­дение.

При независимом возбуждении для получения постоянного тока применяют возбудитель В (см. рис. 4.1), который располагается на одном валу с синхронной машиной и представляет собой генератор постоянного тока, мощность которого не превышает от мощности синхронной машины.

При самовозбуждении для питания обмотки возбуждения постоянным выпрямленным током, получаемым от генератора, используются выпрямители.

В случае возбуждения постоянными магнитами ротор не имеет обмотки возбуждения, а его полюсы представляют собой постоянный магнит. Это дает возможность получить машину без контактных колец, а, следовательно, повысить ее надежность и к. п. д.

На полюсных наконечниках явно выраженных полюсов ротора имеются пазы, в которых укладывают стержни демпферной (успокоительной) короткозамкнутой обмотки, выполняемой по типу короткозамкнутой обмотки ротора асинхронных машин (см. рис. 8.5, а). Эта обмотка служит для успокоения ротора (уменьшения качаний) в генераторах, а также для пуска в синхронных двигателях.

Синхронные машины небольшой мощности иногда выполняют обращенными (по типу машин постоянного тока). У таких машин обмотка переменного тока размещается в пазах ротора и выводится к трем контактным кольцам, а обмотка возбуждения размешается на явно выраженных полюсах статора. Мощными эти машины не делаются, так как при такой конструкции через контактные кольца приходится пропускать большой переменный ток (основной ток машины) при высоком напряжении, тогда как в машинах обычного исполнения через контактные кольца ротора проходит небольшой по величине ток возбуждения при напряжении до
440 В.

Синхронные двигатели малых мощностей весьма разнообразны по конструкции.