Типы синхронных машин и их устройство

Лекция № 14

Устройство и типы синхронных машин

Возбуждение синхронных машин

Типы синхронных машин и их устройство

Синхронная машина состоит из неподвижной части – ста­тора – и вращающейся части – ротора. Статоры синхронных машин в принципе не отличаются от статоров асинхронных двига­телей, т. е. состоят из корпуса, сердечника и обмотки.

Конструктивное исполнение статора синхронной машины мо­жет быть различным в зависимости от назначения и габаритов машины. Так, в многополюсных машинах большой мощности при наружном диаметре сердечника статора более 900 мм пластины сердечника делают из отдельных сегментов, которые при сборке образуют цилиндр сердечника статора. Корпуса статоров крупно­габаритных машин делают разъемными, что необходимо для удобства транспортировки и монтажа этих машин.

Роторы синхронных машин могут иметь две принципиально различающиеся конструкции: явнополюсную и неявнополюсную.

В энергетических установках по производству электроэнергии переменного тока в качестве первичных (приводных) двигателей синхронных генераторов применяют в основном три вида двигате­лей: паровые турбины, гидравлические турбины либо двигатели внутреннего сгорания (дизели). Применение любого из перечис­ленных двигателей принципиально влияет на конструкцию син­хронного генератора.

Рис. 76. Конструкция роторов синхронных машин:

a – ротор с явно выраженными полюсами; б – ротор с неявно выраженными полюсами

Рис. 77. Гидрогенератор Братской ГЭС (225 МВт, 15,8 кВ, 125 об/мин):

1 – корпус статора; 2 – сердечник статора; 3 – полюс ротора;

4 – обод ротора; 5 – грузонесущая крестовина

Если приводным двигателем является гидравлическая турби­на, то синхронный генератор называют гидрогенератором. Гидравлическая турбина обычно развивает небольшую частоту вращения (60-500 об/мин), поэтому для получения переменного тока промышленной частоты (50 Гц) в гидрогенераторе применя­ют ротор с большим числом полюсов. Роторы гидрогенераторов имеют явнополюсную конструкцию, т. е. с явно выраженными по­люсами, при которой каждый полюс выполняют в виде отдельного узла, состоящего из сердечника 1, полюсного наконечника 2 и по­люсной катушки 3 (рис. 76, а). Все полюсы ротора закреплены на ободе 4, являющемся также и ярмом магнитной системы машины, в котором замыкаются потоки полюсов. Гидрогенераторы обычно изготовляются с вертикальным расположением вала (рис. 77).

Рис 78. Турбогенератор:

1 – возбудитель, 2 – корпус, 3 – сердечник статора,

4 – секции водородного охлаждения, 5 – ротор

Паровая турбина работает при большой частоте вращения, поэтому приводимый ею во вращение генератор, называемый турбогенератором, является быстроходной синхронной машиной. Роторы этих генераторов выполняют либо двухпо­люсными (n₁ = 3000 об/мин), либо четырехполюсными (n₁ = 1500 об/мин).

Рис 79. Синхронный генератор (дизель-генератор):

1 – контактные кольца, 2 – щеткодержатели, 3 – полюсная катушка ротора,

4 – полюсный наконечник, 5 – сердечник статора, 6 – вентилятор, 7 – вал

В процессе работы турбогенератора на его ротор действуют значительные центробежные силы. Поэтому по условиям механи­ческой прочности в турбогенераторах применяют неявнополюсный ротор, имеющий вид удлиненного стального цилиндра с профрезерованными на поверхности продольными пазами для об­мотки возбуждения (см. рис. 76, б). Сердечник неявнополюсного ротора изготовляют в виде цельной стальной поковки вместе с хвостовиками (концами вала) или же делают сборным. Обмотка возбуждения неявнополюсного ротора занимает лишь ²/з его по­верхности (по периметру). Оставшаяся ¹/з поверхности образует полюсы. Для защиты лобовых частей обмотки ротора от разруше­ния действием центробежных сил ротор с двух сторон прикрыва­ют стальными бандажными кольцами (каппами), изготовляемыми обычно из немагнитной стали.

Рис. 80. Устройство синхронного двигателя серии СДН2

Турбогенераторы (рис. 78) и дизель-генераторы изготовляют с горизонтальным расположением вала. Дизель-генераторы рас­считывают на частоту вращения 600-1500 об/мин и выполняют с явнополюсным ротором (рис. 79).

Большую группу синхронных машин составляют синхронные двигатели, которые обычно изготовляются мощностью до не­скольких тысяч киловатт и предназначены для привода мощных вентиляторов, мельниц, насосов и других устройств, не требую­щих регулирования частоты вращения. Рассмотрим устройство синхронного двигателя серии СДН2 (рис. 80). Двигатели этой серии изготовляются мощностью от 315 до 4000 кВт при частотах вращения от 300 до 1000 об/мин и предназначены для включения в сеть частотой 50 Гц при напряжении 6 кВ.

Сердечник статора 4, запрессованный в стальной корпус, со­стоит из пакетов-сегментов, собранных из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Для лучшего охлаждения двигателя пакеты разделены радиальными вентиляционны­ми каналами шириной по 10 мм. Обмотка статора 12 двухслойная с укороченным шагом. Сердечники полюсов 11 ротора крепятся к остову 3 шпильками 5. Обмотка ротора состоит из по­люсных катушек. Контактные кольца 8 крепятся на конце вала. На роторе имеются лопатки б центробежного вентилятора. Стояковые подшипники скольжения 2 и 7 установлены на подшипниковых полущитах 1 и 9. Двигатель с торцовых сторон прикрыт сталь­ными щитами 13. В обшивке 10 корпуса имеются вентиляцион­ные окна, прикрытые жалюзи. На боковой поверхности корпуса расположена коробка выводов 14. Возбуждение двигателей осуществляется от тиристорных преобразователей с автоматиче­ским регулированием тока возбуждения при пуске и остановке двигателей.

Рис 81. Полюс синхронного двигателя

На рис. 81 показано более подробно устройство элемента синхронного двигателя, характерное для большинства конструк­ций. На вал 1 посажен шихтованный обод 2, на котором посредст­вом Т-образного хвостовика крепится сердечник полюса 3, выполненный заодно с полюсным наконечником. Сердечники полюсов изготовлены из штампованных листов конструкционной стали толщиной 1,0 или 1,5 мм. Хвостовик полюса запирается в про­дольном пазе обода посредством клиньев 9. Возможно также крепление полюсов к ободу посредством «ласточкина хвоста» (см. рис. 76) или шпилек. Стальные щеки 4, стягиваемые шпильками, предотвращают распушение пакета полюса ротора. Щеки имеют заплечики, удерживающие полюсную катушку ротора 5.

В пазах полюсных наконечников расположены латунные или медные стержни 6 пусковой (успокоительной) обмотки, замкнутые с двух сторон сегментами 7.

Между наружной поверхностью полюсного наконечника и внутренней поверхностью сердечника статора 8 имеется воздуш­ный зазор. По оси полюса этот зазор δ минимален, а на краях – максимален δ_max. Такая конфигурация полюсного наконечника не­обходима для синусоидального распределения магнитной индук­ции в воздушном зазоре. Она достигается тем, что поверхность полюсного наконечника имеет радиус R < (D₁ – 2δ)/2, где D₁– диаметр расточки сердечника статора.