Конструкция синхронных машин

Сердечник статора представляет собой полый цилиндр, набранный из отдельных пластин электротехнической стали толщиной 0,5 мм. На внутренней поверхности этого цилиндра располагаются пазы для укладки обмотки якоря. При внешнем диаметре менее 1 м сердечник собирают из цельных кольцевых пластин, а при большем диаметре каждое кольцо составляют из отдельных пластин, называемых сегментами (рис. 32.3).

Рис 32 3. Сегмент статора крупной синхронной машины

Сердечник размещают станине (корпусе) статора. В пазы статора укладывают двухслойные петлевые обмотки, а в более крупных машинах - одновитковые стержневые волновые обмотки. Пазы, как правило, имеют прямоугольное сечение, а толщина и структура их изоляции зависят от индуцируемой ЭДС. При большом сечении проводников фазы для уменьшения добавочных потерь от вихревых токов их разбивают на ряд элементарных проводников, которые по длине обмотки транспонируют между собой. Статор синхронной машины в собранном виде показан на рис. 12.1.

По выполнению ротора синхронные машины подразделяют на явнополюсные и неявнополюсные.

Явнополюсный ротор синхронных машин имеет высту­пающие полюсы, сердечник которых в крупных машинах набирают из пластин конструкционной стали толщиной 1— 2 мм, в мелких машинах — из электротехнической стали толщиной 0,5—1 мм. В машинах небольшой мощности по­люсы приворачиваются болтами к валу (рис. 32 4, а), а у тихоходных машин — к ободу ротора (рис. 32.4, б).

Рис 32.4. Крепление полюсов ротора

В крупных и относительно быстроходных машинах полюсы крепят к ободу ротора с помощью хвостов, имеющих Т-образную форму (рис. 32.4, в) или форму ласточкина хвоста (рис. 32.4, г). Такое крепление хотя технологически сложнее, но является более прочным, чем крепление болтами

Обмотку возбуждения, которую размещают на полюсах, для лучшего охлаждения выполняют в крупных машинах из неизолированной шинной меди большого сечения, намотанной на ребро. Между соседними витками укладывают изоляционные прокладки, пропитанные в смоле, после чего катушку запекают и устанавливают на полюсе с предвари­тельно нанесенной по его периметру корпусной изоляцией. В машинах небольшой мощности катушки обмотки возбуждения выполняют из изолированных проводников прямо­угольного или круглого сечения.

На полюсах ротора часто укладывают демпферную обмотку. Ее размещают в пазах полюсных наконечников. Медные стержни этой обмотки, уложенные в пазы, по торцам замыкают пластинами или кольцами, образуя короткозамкнутые клетки. Демпферные обмотки подразделяют на продольные и продольно-поперечные.

Рис. 32 5 Продольная демпферная обмотка на роторе

Рис. 32 6. Продольно-поперечная демпферная обмотка на роторе

Продольная обмотка получается, если пластины замыкают с торцов стержни только одного полюса (рис. 32.5). В продольно-поперечной обмотке соединяются по торцам стержни всех полюсов (рис. 32.6). В первом случае демпферная обмотка образует контуры, ось которых совпадает только с продольной осью машины (с осью полюсов), а во втором — как с продольной, так и с поперечной осями.

Демпферная обмотка выполняет ряд функций. В гене­раторах она ослабляет поле обратной последовательности при несимметричной нагрузке (см. гл. 34) и снижает ам­плитуду колебаний ротора, возникающих в некоторых слу­чаях при параллельной работе генератора (см. гл. 36). В двигателях она является пусковой обмоткой (см. гл. 37), а также снижает амплитуду колебаний ротора при пульса­ции нагрузочного момента (см. гл. 36).

Явнополюсные роторы применяют в крупных машинах с относительно низкой частотой вращения и, следователь­но, большим числом полюсов. Явнополюсные синхронные машины с горизонтальным валом широко используются в качестве двигателей и генераторов. Явнополюсные маши­ны с высокой частотой вращения выполняются только на небольшие мощности. Общий вид ротора явнополюсной ма­шины показан нарис.32.7.

Рис. 32.7. Ротор явнополюсной синхронной машины

Существует специальный класс синхронных явнополюсных генераторов с вертикальным валом, предназначенных для непосредственного соединения с гидравлическими тур­бинами. Такие генераторы называются гидрогенераторами (рис. 32.8). В зависимости от мощности турбины и напора воды, частота вращения гидрогенераторов колеблется от 50 до 600 об/мин, а число полюсов, соответствующее частоте 50 Гц, достигает несколько десятков.

Гидрогенераторы выполняются на большие мощности. Самые крупные гидрогенераторы в настоящее время по­строены для Саяно-Шушенской ГЭС. Они имеют мощность 7 15MB. А при частоте вращения 143 об/мин. Внешний диа­метр гидрогенератора около 15 м, диаметр его ротора около 12 м, длина магнитопровода статора 2,75 м, число полюсов 42.

В конструктивном отношении гидрогенераторы имеют ряд особенностей. Важным узлом у них является упорный подшипник или подпятник. Он удерживает массу вращающихся частей ротора и турбины, а также давление воды на лопасти турбины. Подпятник представляет собой особый вид подшипника скольжения. Он состоит из вращающейся части — пяты, выполненной в виде диска, укрепленного на роторе, и неподвижной части, находящейся под пятой (собтвенно подпятник). Для уменьшения потерь между трущи­мися поверхностями (пяты и собственно подпятника) созда­ется слой смазки достаточной толщины.

Для восприятия радиальных усилий, действующих на ротор гидрогенератора, на его валу устанавливаются на­правляющие подшипники (один или два).

Рис. 32 8 Синхронный гидрогенератор:

1—корпус статора; 2— сердечник статора; 3 — полюсы ротора; 4— обод ротора; 5 — верхняя крестовина

Один подшипник устанавливается при жестком фланцевом соединении валов гидрогенератора и турбины. Другим направляющим подшипником в этом случае является направляющий под­шипник турбины. Подпятник и направляющие подшипники размещаются на крестовинах, которые служат для воспринятая и передачи вертикальных и радиальных усилий на фундамент или на корпус статора. Различают верхнюю и нижнюю крестовины.

В зависимости от расположения подпятника гидрогенераторы подразделяются на подвесные и зонтичные. В подвесном гидрогенераторе (рис. 32.9, а) подпятник располагается над ротором в верхней части агрегата, на верхней крестовине, и весь агрегат «подвешен» к этой крестовине к подпятнику. В зонтичном гидрогенераторе подпятник располагается на нижней крестовине (рис. 32.9, б) или на крышке турбины, и генератор в виде «зонта» находится над подпятником.

Рис. 32.9. Подвесное (а) и зонтичное (б) исполнения гидрогенератора. 1, 2 — верхняя и нижняя крестовины; 3 — подпятник; 4 — направляющие подшипники; 5 — направляющий подшипник турбины; 6 — ротор; 7 — статор; 8 — турбина

При зонтичном исполнении гидрогенератор будет иметь меньшую массу и высоту, чем при подвесном. Снижение массы и высоты произойдет за счет уменьшения размеров верхней крестовины, имеющей больший диаметр, чем нижняя.

Механическая прочность различных деталей ротора гид­рогенератора рассчитывается по так называемой угонной скорости, которая в 2—3 раза больше номинальной. Такая скорость получается в результате разгона ротора при ава­рийном отключении генератора от сети.

Неявнополюсные роторы применяют в крупных син­хронных машинах, имеющих высокую частоту вращения (n=3000, 1500 об/мин). Изготовление крупных машин с такими частотами вращения при явнополюсной конструк­ции невозможно по условиям механической прочности ротора, крепления полюсов и обмотки возбуждения. С неявнополюсным ротором выполняются главным образом крупные синхронные генераторы, предназначенные для непосредственного соединения с паровыми турбинами. Такие машины называются турбогенераторами. Турбогенераторы для тепловых электрических станций имеют частоту вращения 3000 об/мин и два полюса, а для атомных электро­станций— 1500 об/мин и четыре полюса.

Рис. 32.10. Общий вид ротора турбогенератора:

1 — контактные кольца; 2 — кольцевые бандажи; 8 — ротор; 4 — вентилятор; 5 —вал

Рис. 32 11. Поперечный разрез двухполюсного ротора турбогенератора

Ротор турбогенератора выполняется массивным из цельной стальной поковки. Для роторов турбогенераторов большой мощности применяется высококачественная хромоникелевая или хромоникельмолибденовая сталь. По услови­ям механической прочности диаметр ротора при частоте вращения 3000 об/мин не должен превышать 1,2—1,25 м. Активная длина ротора для обеспечения необходимой механической жесткости должна быть меньше 6,5 м. На рис. 32.10 дан общий вид, а на рис. 32.11—поперечный разрез двухполюсного ротора турбо­генератора. На наружной по­верхности ротора фрезеруются радиальные пазы прямоуголь­ной формы, в которые уклады­ваются катушки распределенной обмотки возбуждения. Примерно одна треть полюсного деления не обматывается и образует так называемый большой зубец, через который проходит основная часть магнитного потока возбуждения генератора. Иногда для выравнивания жесткости ротора в большом зубце выполняются пазы.

Из-за больших центробежных сил, действующих на об­мотку возбуждения, ее закрепление в пазах производится с помощью немагнитных металлических клиньев (дюралю­миний и др.). Немагнитные клинья ослабляют потоки пазо­вого рассеяния, которые могут вызывать насыщение зубцов и уменьшение полезного потока. Пазы большого зубца для выравнивания магнитной проводимости сверху закрывают­ся магнитными клиньями. Лобовые части обмотки закреп­ляются роторными бандажами. Обмотки ротора имеют изо­ляцию класса В или F. Выводы от обмотки возбуждения подсоединяются к контактным кольцам на роторе.

В осевом направлении по всей длине ротора просверли­вается центральное отверстие, которое служит для исследо­вания материала в центральной части поковки и для раз­грузки поковки от опасных внутренних напряжений. На рис. 32.12 показан общий вид турбогенератора. В турбоге­нераторах функцию демпферной обмотки выполняют мас­сивное тело ротора и клинья. С неявнополюсным ротором выпускаются также быстроходные двигатели большой мощ­ности — синхронные турбодвигатели.

Рис. 32.12 Общий вид турбогенератора:

1 — корпус, 2 — сердечник статора; 3 —ротор, 4— газоохладитель; 5 — возбудитель, 6 - подшипник