11

Устройство, конструкция и разновидности синхронных машин

Синхронной машиной называется такая машина переменного тока, ротор которой вращается с такой же скоростью, что и магнитное поле, создаваемое статорной многофазной обмоткой переменного тока, т.е. с синхронной скоростью

n1 = 60f/p.

Ту часть синхронной машины, в которой наводится ЭДС, принято называть якорем. Электромагниты (полюса) вместе с замыкающим их ярмом образуют полюсную систему, называемую индуктором. В синхронных машинах обычной конструкции статор служит якорем, ротор – полюсной системой. Основные преимущества конструкции с вращающимися полюсами заключается в том, что в этом случае возможно осуществить

более надежную изоляцию обмотки неподвижного якоря, более просто без скользящих контактов, соединить ее с мощной сетью переменного тока. Указанные преимущества особенно существенны для синхронных машин на большие мощности и высокие напряжения.

Устройство скользящих контактов для подвода постоянного тока к вращающейся обмотке возбуждения, размещенной на полюсах, не представляет затруднений, так как мощность, подводимая к этой обмотке, составляет небольшую долю номинальной мощности синхронной машины (0,3…2,0)% Рном.

Статор синхронных машин переменного тока, состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали, в пазах которого укладывается обмотка переменного тока, и станины — чугунного или сварного из листовой стали кожуха.

В выштампованные на внутренней поверхности сердечника пазы укладывается обмотка статора. Изоляция обмотки выполняется особо тщательно, так как машине приходится работать обычно при высоких напряжениях. В качестве изоляции применяют миканит и миканитовую ленту.

Рисунок 1 – Внешний вид статора синхронной машины (генератор)

При частоте вращения 1500 и 3000 об/мин синхронную машину, как правило, изготовляют с неявнополюсным ротором. Неявнополюсные конструкции применяются в быстроходных машинах, чтобы уменьшить механическую нагрузку на полюса.

На наружной поверхности массивной бочки, изготовленного из стальной поковки, фрезеруются пазы прямоугольной или трапециидальной формы. Обмотку возбуждения, выполненную из полосовой меди, в такой машине размещают в пазах и укрепляют немагнитными металлическими клиньями.

Лобовые части обмотки, на которые воздействуют значительные центробежные силы, крепят с помощью массивных кольцевых бандажей.

При неявнополюсной конструкции обмотка возбуждения укладывается в пазы сердечника индуктора, весьма похоже на обмотку роторов асинхронных машин с фазным ротором, с той лишь разницей, что между полюсами оставляется место, не заполненное проводниками (так называемый большой зуб).Для получения в воздушном зазоре приблизительно синусоидального распределения магнитной индукции обмотку

возбуждения укладывают в пазы, занимающие 2/3 полюсного деления.

Концы обмотки возбуждения выводят к двум контактным кольцам, расположенным на валу и изолированным как друг от друга, так и от тела ротора.

Рисунок 2 – Схема устройства синхронной машины с неявнополюсным ротором

Рисунок 3 – Общий вид неянополюсного ротора в сборе

Явнополюсный ротор используют в тихоходных машинах с четырьмя полюсами и более . Обмотку возбуждения в этом случае выполняют в виде катушек прямоугольного сечения, размещенных на сердечниках полюсов. Сердечник каждого полюса выполняют массивным или в виде пакета, набранного из листов электротехнической стали. С одной

стороны он имеет шихтованный полюсный наконечник, а с другой стороны прочно закреплен на ободе ротора. Полюсный наконечник обрабатывают таким образом, что воздушный зазор между ним и поверхностью статора получается неравномерным: он

минимален под серединой полюса и максимален у его краев. Неравномерный воздушный зазор позволяет приблизить к синусоиде распределение магнитной индукции в воздушном

зазоре.

Рисунок 4 – Схема устройства синхронной машины с явнополюсным ротором

В полюсных наконечниках явнополюсных синхронных двигателей размещают стержни пусковой обмотки, выполненной из материала с повышенным удельным электрическим сопротивлением (латуни). Такую же обмотку (типа «беличья клетка»), состоящую из медных стержней замкнутых на торцах кольцами, применяют и в

синхронных генераторах. Ее называют демпферной обмоткой, так как она обеспечивает быстрое затухание колебаний ротора, возникающих в переходных режимах работы синхронной машины. В турбогенераторах роль демпферной обмотки выполняет массивное тело ротора, в котором при пуске и переходных процессах возникают вихревые токи.

Рисунок 5 – Внешний вид явнополюсного ротора

К ободу ротора прикрепляются полюсы, на которые надеваются катушки возбуждения, соединяемые последовательно между собой. Концы обмотки возбуждения присоединяются к двум кольцам, укрепленным на валу ротора. На кольца накладываются щетки, к которым присоединяется источник постоянного напряжения. Обычно постоянный ток для возбуждения ротора дает генератор постоянного тока, сидящий на одном валу с ротором и называемый возбудителем. Мощность возбудителя равна 0,25—1% от номинальной мощности синхронной машины. Номинальные напряжения возбудителей 60—350 В.

Рисунок 6 – Схема возбуждения синхронной машины

Имеются также синхронные машины с самовозбуждением. Постоянный ток для возбуждения ротора получается с помощью селеновых выпрямителей, подключаемых к обмотке статора машины. В первый момент слабое поле остаточного магнетизма вращающегося ротора индуктирует в обмотке статора незначительную переменную э. д. с. Селеновые выпрямители, подключенные к переменному напряжению, дают постоянный ток, который усиливает поле ротора, и напряжение увеличивается. Применяется на синхронных машинах большой мощности.

Выполнение обмотки ротора зависит от системы охлаждения.

При конструировании электрических машин и трансформаторов большое внимание конструкторы обращают на вентиляцию машин. Для синхронных генераторов применяется воздушное и водородное охлаждение.

Воздушное охлаждение осуществляется при помощи вентиляторов, укрепленных на валу с обеих сторон ротора (для генераторов мощностью от 1,5 до 50 тыс. кВт) или расположенных под машиной в отверстии фундамента (для генераторов мощностью 100 тыс. кВт). Массы холодного воздуха, поступающие для вентиляции, во избежание загрязнения машины пылью проходят через фильтры.При замкнутой системе вентиляции машина охлаждается одним и тем же объемом воздуха. Воздух, пройдя через машину, нагревается и поступает в воздухоохладители, затем снова нагнетается в машину и т. д. Для целей охлаждения служит также система вентиляционных каналов, устроенных в отдельных частях машины. Наиболее эффективным способом охлаждения машины является водородное охлаждение. Водород, обладающий в 7,4 раза большей теплопроводностью, чем воздух, лучше отводит тепло от нагретых частей машины. Потери на трение о воздух при воздушном охлаждении составляют около 50°/о от суммы всех потерь в машине. Водород имеет удельный вес в 14,5 раза меньше, чем воздух. Поэтому трение о водород резко уменьшается. Водород способствует также сохранению изоляции и лаковых покрытий машины.

В современных турбогенераторах применяется косвенное охлаждение водородом, непосредственное внутреннее охлаждение водородом или водой.

При непосредственном внутреннем охлаждении проводники имеют внутренние каналы, по которым проходит водород или вода. В этом случае тепло от меди отводится непосредственно водородом или водой из активной зоны машины. При косвенном

охлаждении тепловая энергия проходит через изоляцию обмотки, а затем отдается стальным частям машины и водороду, заполняющему внутренний объем турбогенератора.

Циркуляция водорода внутри машины осуществляется за счет забора водорода в зоне впуска газа и выброса его в горячей зоне. В конструкции большинства турбогенераторов применяется многоструйная радиальная система охлаждения, перемещение водорода осуществляется с помощью вентиляторов, размещенных на роторе.

Синхронные машины используют главным образом в качестве источников электрической энергии переменного тока, их устанавливают на мощных тепловых, гидравлических и атомных электростанциях, а также на передвижных электростанциях и транспортных установках.

Принцип действия

Двигательный режим

Принцип действия синхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля якоря и магнитного поля полюсов индуктора. Обычно якорь расположен на статоре, а индуктор — на роторе. В мощных двигателях в качестве полюсов используются электромагниты (ток на ротор подаётся через скользящий контакт щетка - кольцо), в маломощных — постоянные магниты. Существует обращённая конструкция двигателей, в которой якорь расположен на роторе, а индуктор — на статоре (в устаревших двигателях, а также в современных криогенных синхронных машинах, в которых в обмотках возбуждения используются сверхпроводники.)

Запуск двигателя. Двигатель требует разгона до частоты, близкой к частоте вращения магнитного поля в зазоре, прежде чем сможет работать в синхронном режиме. При такой скорости вращающееся магнитное поле якоря сцепляется с магнитными полями полюсов индуктора (если индуктор расположен на статоре, то получается, что вращающееся магнитное поле вращающегося якоря (ротора) неподвижно относительно постоянного поля индуктора (статора), если индуктор на роторе, то магнитное поле вращающихся полюсов индуктора (ротора) неподвижно относительно вращающегося магнитного поля якоря (статора)) — это называется «вошёл в синхронизм».

Для разгона обычно используется асинхронный режим, при котором обмотки индуктора замыкаются через реостат или накоротко, как в асинхронной машине. После выхода на скорость близкую к номинальной (>95%) индуктор запитывают постоянным током.

В двигателях с постоянными магнитами применяется внешний разгонный двигатель.

Существуют комбинированные варианты, в которых на роторе, вместе с постоянными или электромагнитами, установлены короткозамкнутые обмотки. Часто на валу ставят небольшой генератор постоянного тока, который питает электромагниты.

Также используется частотный пуск, когда частоту тока якоря постепенно увеличивают от 0 до номинальной величины. Или наоборот, когда частоту индуктора понижают от номинальной до 0, т.е. до постоянного тока.

Генераторный режим

Обычно синхронные генераторы выполняют с якорем, расположенным на статоре, для удобства отвода электрической энергии. Поскольку мощность возбуждения невелика по сравнению с мощностью, снимаемой с якоря (0,3...2%), подвод постоянного тока к обмотке возбуждения с помощью двух контактных колец не вызывает особых затруднений. Принцип действия синхронного генератора основан на явлении электромагнитной индукции; при вращении ротора магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, сцепляется поочередно с каждой из фаз обмотки статора, индуцируя в них ЭДС. В наиболее распространенном случае применения трехфазной распределенной обмотки якоря в каждой из фаз, смещенных друг относительно друга на 120 электрических градусов, индуцируется синусоидальная ЭДС. Соединяя фазы по стандартным схемам «треугольник» или «звезда», на выходе генератора получают трехфазное напряжение, являющееся общепринятым стандартом для магистральных электросетей.

Синхронные генераторы

Конструкция синхронного генератора определяется типом привода, в зависимости от этого различают турбогенераторы, гидрогенераторы и дизель-генераторы.

Турбогенераторы – быстроходные неявнополюсные машины (цилиндрический ротор) выполняются, как правило, с двумя полюсами, приводятся во вращение быстроходными паровыми или газовыми турбинами (рисунок 7).

Гидрогенераторы – в

большинстве случаев тихоходные явнополюсные машины, выполняемые с большим числом полюсов и вертикальным валом, приводятся во вращение гидротурбинами.

Дизель-генераторы, представляющие собой в основном синхронные машины с горизонтальным валом, приводятся во вращение двигателями внутреннего сгорания.

Рисунок 7 – Турбогенератор

Статор синхронного генератора промышленной частоты по своему устройству в принципе не отличается от статора асинхронной машины. Его сердечник набирают из штампованных изолированных друг от друга листов электротехнической стали, в пазах

сердечника укладывают трехфазную обмотку. Вдоль оси статор разделен

вентиляционными радиальными каналами. Крайние пакеты сердечника статора укреплены нажимными плитами.

Гидрогенераторы – явнополюсные синхронные машины, приводятся во вращение сравнительно тихоходными гидравлическими турбинами, частота вращения которых составляет 50÷500 об./мин., поэтому для получения напряжения частотой 50 Гц их выполняют с большим числом полюсов. В генераторах мощностью 590-640 МВ·А диаметр

ротора достигает 16 м, при активной длине 1,75 м.

Гидрогенераторы – электрические машины индивидуального исполнения, имеющие большое многообразие конструктивных решений. Наибольшее распространение получили вертикальные гидрогенераторы подвесного типа (рисунок 8а), вертикальные гидрогенераторы

зонтичного типа (рисунок 8б) и горизонтальные гидрогенераторы капсульного типа .

Рисунок 8 – Схемы гидрогенераторов подвесного (а) и зонтичного (б) типов

В гидрогенераторах вертикального исполнения вес вращающей части агрегата и давления воды на рабочее колесо турбины воспринимаются упорным подшипником-подпятником. Это самый ответственный узел гидрогенератора, так как он должен

выдержать значительные усилия: в тихоходных генераторах большой мощности давление на подпятник измеряется несколькими тысячами тонн.

В гидрогенераторе зонтичного типа подпятник находится ниже сердечника ротора, а подвесного типа – выше.

В подвесном типе достигается наибольшая механическая устойчивость вращающегося ротора, но для опоры подпятника требуется массивная верхняя крестовина. Поэтому, как правило, он применяется в сравнительно быстроходных гидрогенераторах, имеющих ограниченные диаметр статора и нагрузку подпятника. Крестовины в гидрогенераторах этого типа представляют собой мощную опорную конструкцию, состоящую из центральной втулки и ряда радиальных балок.

При очень больших диаметрах статора и давлении в подпятнике (тихоходные генераторы) более рациональным является зонтичный тип Подпятник в таких машинах опирается на нижнюю крестовину, имеющую меньшие радиальные размеры, чем верхняя крестовина. В некоторых гидрогенераторах зонтичного типа подпятник

располагается непосредственно на крышке турбины. Зонтичный генератор получается несколько меньшей высоты, чем подвесной. Кроме подпятника, ротор имеет еще направляющий подшипник, воспринимающий только радиальные усилия.

Ротор вертикального гидрогенератора с помощью фланца скрепляют с ротором турбины, вследствие чего роторы имеют общие подшипники. В верхней части гидрогенератора на одном с ним валу обычно устанавливают вспомогательные машины: возбудитель генератора с подвозбудителем и дополнительный синхронный генератор,

предназначенный для питания электродвигателей автоматического масляного регулятора турбины.

В гидрогенераторах большой мощности в ряде случаев применяют непосредственное охлаждение обмоток статора, ротора и сердечника статора дистиллированной водой. При

тех же основных геометрических размерах мощность гидрогенератора с водяным охлаждением можно увеличить более чем в два раза по сравнению с гидрогенератором, имеющим поверхностное воздушное охлаждение. Чаще применяют систему смешанного

непосредственного охлаждения

Гидрогенераторы мощностью меньшей нескольких десятков мВ·А, выполняют обычно с горизонтальным валом. В последнее время значительное применение получили гидрогенераторы капсульной конструкции, которые окружены водонепроницаемой оболочкой – капсулой. При таком исполнении генератор и турбина

образуют единую конструкцию, а поток воды, проходящий через турбину, омывает капсулу, что способствует более интенсивному ее охлаждению. Капсульные гидрогенераторы устанавливают на низконапорных гидроэлектростанциях, что позволяет существенно уменьшить объем здания электростанции.

В современных синхронных генераторах широко применяют так называемую бесщеточную систему возбуждения. При этом в качестве возбудителя используют синхронный генератор, у которого обмотка якоря расположена на роторе, а выпрямитель укреплен непосредственно на валу. Обмотка возбуждения возбудителя получает питание от подвозбудителя, снабженного регулятором напряжения. При таком способе возбуждения синхронного генератора отсутствуют скользящие контакты, что

существенно повышает надежность системы возбуждения.

В настоящее время в синхронных генераторах широко применяют

компаундирование, т.е. автоматическое изменение тока возбуждения при изменении нагрузки генератора. В генераторах малой и средней мощности используют систему фазного компаундирования. В генераторах значительной мощности более точное регулирование обеспечивается системой с токовым компаундированием и корректором

напряжения.

Синхронные компенсаторы

Для генерирования или потребления реактивной мощности с целью улучшения коэффициента мощности сети и регулирования ее напряжения применяют синхронные компенсаторы.

Синхронные компенсаторы, как правило, имеют горизонтальное исполнение вала. Наиболее часто встречающиеся скорости для достаточно мощных компенсаторов – 750, 1000 об/мин, при которых машина выполняется явнополюсной. Диаметр ротора ограничен максимально допустимой скоростью на поверхности ротора и не превосходит

2.5 м. При таких размерах сердечник ротора собирается из толстых стальных листов электротехнической стали, стягиваемых в осевом направлении шпильками, и непосредственно насаживается на вал. Полюса этих машин имеют такую же конструкцию, как и в гидрогенераторах. Для синхронных компенсаторов характерно наличие роторов облегченной конструкции, так как вал ротора не должен передавать значительный

вращающий момент. Синхронные компенсаторы устанавливают в помещениях или под открытым небом. Во втором случае их выполняют с герметизированным корпусом,

герметизация упрощается тем, что выводить наружу конец вала в этих машинах не требуется. Компенсатор имеет принципиально ту же конструкцию статора, что и турбогенератор.

При мощности до 25 МВ·А синхронные компенсаторы имеют воздушное

охлаждение, а при больших мощностях – водородное. На валу компенсатора расположены вентиляторы, которые обеспечивают циркуляцию охлажденного газа.

Синхронные электродвигатели

Синхронные машины широко используют и в качестве электродвигателей при мощности 100 кВт и выше для привода насосов, компрессоров, вентиляторов и других механизмов, работающих при постоянной частоте вращения.

Синхронные двигатели выполняют с горизонтальным расположением вала. При частотах вращения от 100 до 1000 об/мин электродвигатели выполняют явнополюсными, а при 1500 и 3000 об/мин – неявнополюсными. Эти машины изготовляются с применением щитовых или стояковых подшипников. Охлаждение двигателей воздушное, с самовентиляцией. В тихоходных машинах на ободе ротора у каждого полюса устанавливаются небольшие лопатки, заменяющие собой вентилятор.

На полюсах двигателей и синхронных компенсаторов, кроме обмотки

возбуждения, всегда располагается демпферная обмотка, с помощью которой осуществляется пуск синхронной машины. В зависимости от условий пуска стержни демпферной обмотки могут быть медными и латунными.

ЛИТЕРАТУРА

1. Копылов И.П. Электрические машины – М.: Высш.шк., Логос, 2000. 607 с.

2. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. – М.: Энергия, 1980. 970 с.

3. Токарев Б.Ф. Электрические машины. – М.: Энергоатомиздат, 1990. 670 с.