Лабораторная работа № 24

КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СИНХРОННЫХ

МАШИН

Цель работы: изучение конструкций и принципа действия синхронных машин.

Порядок выполнения работы:

1. Внимательно изучить основное содержание работы.

2. Подготовить краткое описание назначения, принципа действия и конструктивных особенностей синхронных машин.

3. Ответить на контрольные вопросы.

1. Общие сведения.

Синхронные машины широко применяются в качест ве генераторов электрической энергии. На всех электричес­ких станциях в качестве источников переменного тока ис­пользуются синхронные генераторы. Мощность их колеблется откиловатт автономных установок до нескольких сотен тысяч киловатт для крупных электро­станций. Находят также применение синхронные двигате­ли, которые используются в крупных компрессорах, двига­тель-генераторных установках. Они выпускаются в СССР серийно мощностью от 100 до нескольких десятков тысяч киловатт на различные частоты вращения. Наряду с круп­ными двигателями нашей промышленностью широко выпус­каются синхронные микродвигатели различных типов мощ­ностью от долей до нескольких сотен ватт.

Иногда синхронные двигатели, работающие без нагруз­ки на валу, используют в качестве источника реактивной мощности. Синхронная машина, работающая в таком ре­жиме, носит название синхронного компенсатора.

Синхрон­ные компенсаторы находят практическое применение для улучшения сети.

На специальных электростанциях, покрывающих пико­вые нагрузки в энергосистеме, синхронная машина работа­ет генератором в часы максимума нагрузки и двигателем в остальное время, перекачивая с помощью гидротурбины, которая теперь становится насосом, воду в водохранили­ще, создавая необходимый запас ее для последующей ра­боты. Подобные агрегаты называются обратимыми.

2. Конструктивные схемы и принцип действия синхронной машины

Синхронная машина имеет две обмотки. Одна обмотка подключается к источнику постоянного тока и создаст ос­новное магнитное поле машины. Эта обмотка называется обмоткой возбуждения. Иногда у машин небольшой мощ­ности обмотка возбуждения отсутствует, а магнитное поле создается постоянными магнитами. Другая обмотка явля­ется обмоткой якоря и состоит из одной, двух или трех фаз. Наибольшее распространение в синхронных машинах име­ют трехфазные обмотки якоря. В обмотке якоря индуциру­ется основная ЭДС машины.

В синхронных машинах наибольшее распространение получила конструкция, когда обмотка якоря располагает­ся на статоре, а обмотка возбуждения - на роторе (рисунок 24.1). Иногда в синхронных машинах небольшой мощ­ности

Рисунок 24.1- Конструктивный вариант синхронной машины: обмотка якоря расположена на статоре, а обмотка возбуждения – на роторе.

применяется обращенное исполнение, когда обмотка якоря располагается на роторе, а обмотка возбуждения - на полюсах статора (рисунок 24.2). В

электромагнитном отно­шении обе конструкции равноценны. Однако из

Рисунок 24.2 - Конструктивный вариант синхронной машины: обмотка якоря расположена на роторе, а обмотка возбуждения – на станине

практичес­ких соображений более предпочтительной является первая конструкция, так как в этом случае кскользящему контак­ту на роторе подводится мощность возбуждения, составля­ющая лишь 0,3—3% номинальной мощности машины. Во втором варианте скользящий контакт следовало бы рассчи­тывать на полную мощность машины. Для крупных машин, имеющих относительно высокое напряжение и большие токи, обеспечить удовлетворительную работу такого контак­та было бы весьма затруднительно. В дальнейшем будут рассматриваться синхронные машины, выполненные по пер­вому (основному) конструктивному варианту.

Рассмотрим принцип действия синхронного генератора. Если через обмотку возбуждения протекает постоянный той, то полюсы создадут постоянное магнитное поле чередую­щейся полярности. При вращении полюсов, а следователь­но, и поля относительно проводников обмотки якоря в них будет индуцироваться переменная ЭДС, причем ЭДС от­дельных проводников фазы суммируются. Если на якоре уложены три одинаковые обмотки, сдвинутые в пространст­ве на электрический угол, равный 120°, то в этих обмотках будет индуцироваться трехфазная система фазных ЭДС. Частота этой ЭДС зависит от числа пар полюсов и час­тоты вращения ротора :

Для получения ЭДС необходимой частоты число пар полюсов и частота вращения должны находиться в опреде­ленной зависимости между собой. Так, для получения стан­дартной частоты =50 Гц при -1 нужно иметь частоту вращения - 3000 об/мни, а при - 24 - 125 об/мин.

Если к трехфазной обмотке якоря синхронного генера­тора подсоединить нагрузку, то возникший ток создаст вра­щающееся магнитное поле якоря. Частота вращения этого поля

Заменяя в (32.2) частоту ее значением из (32.1), получа­ем

Характерной особенностью синхронной машины, обусло­вившей ее название, является равенство частот вращения ротора и поля якоря.

В основном конструктивном варианте поле возбужде­ния имеет ту же частоту вращения, что и ротор, поэтому результирующее поле, созданное совместным действием то­ков обмоток якоря и возбуждения, будет иметь частоту вращения ротора.

В обращенном варианте (рисунок 24.2) частоты вращения якоря (ротора) и его поля будут одинаковыми, но направ­ленными в противоположные стороны. Поэтому результи­рующее поле машины, как и поле возбуждения, будет неподвижным.

При работе синхронной машины двигателем трехфазная обмотка статора присоединяется к трехфазной сети, при этом образуется вращающееся магнитное поле с частотой вращения п„. Это поле, взаимодействуя с полем полюсов ротора, создает вращающий момент. Чтобы при взаимодей­ствии полей момент имел одно и то же направление, они должны быть неподвижными относительно друг друга. Это будет в том случае, если ротор, а следовательно, и его маг­нитное поле будут вращаться с частотой вращения п_л. По­этому в синхронном двигателе ротор как при холостом хо­де, так и при нагрузке вращается с постоянной частотой вращения, равной частоте вращения поля.

3. 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 (рисунок 24.3). Сердечник размещают

Рисунок 24.3 - Сегмент статора крупной синхронной машины

в 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 транспортируют между собой. Статор синхронной машины и

собранном виде показан на рисунке 24.1.

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 (рисунок 24.4, а), а у

а)

б)

в)

г)

Рис24.4 - Крепление полюсов ро­тора

тихоходных машин - к ободу ротора (рисунок 24.4, б). В круп­ных и относительно быстроходных машинах полюсы крепят к ободу ротора с помощью хвостов, имеющих Т-образную форму (рисунок 24.4, в) или форму ласточкина хвоста (рисунок 24.4, 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.

Продольная обмотка получается, если пластины замы­кают с торцов стержни только одного полюса (рисунок 24.5). В продольно-поперечной обмотке

Рисунок 24.5 - Продольная демпферная обмотка на роторе

соединяются по торцам стержни всех полюсов (рисунок 24.6). В первом

Рисунок 24.6 - Продольно – поперечная демпферная обмотка на роторе

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 снижает амплитуду колебаний ротора, возникающих в некоторых слу­чаях при параллельной работе генератора. В двигателях она является пусковой обмоткой, а также снижает амплитуду колебаний ротора при пульса­ции нагрузочного момента.

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

Рисунок 24.7 – Ротор явнополюсной синхронной машины

Существует специальный класс синхронных явнополюс­ных генераторов с вертикальным валом, предназначенных для непосредственного соединения с гидравлическими тур­бинами. Такие генераторы называются гидрогенераторами (рисунок 24.8). В

зависимости от мощности турбины и напора воды, частота вращения

.

1- корпус статора; 2- сердечник статора; 3- полюсы ротора; 4- обот ротора; 5- верхняя крестовина.

Рисунок 24.8 – синхронный гидрогенератор

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 Сояно – Шушенской ГЭС. Они имеют мощность 715 МВА при частоте вращения 143 об/мни. 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 (пяты и собственно подпятника ). 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). 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.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Назначение принцип работы и основные конструктивные синхронных. машин.

2. Конструкции роторов синхронных машин.

3. Конструктивные особенности гидрогенераторов.