1. Конструкция, назначение и способы возбуждения синхронных машин

1.1 Конструкции синхронных машин

Синхронной называют электрическую машину переменного тока, одна из обмоток которой включена в электрическую цепь с частотой f₁, а вторая возбуждается постоянным током ( f₂ = 0). Частота вращения ротора синхронной машины постоянна и определяется частотой сети f₁ и числом пар полюсов p:

(1.1)

Машины с одной включаемой в сеть с частотой f₁ обмоткой и частотой вращения, определяемой по формуле (1.1), машины, обмотки которых питаются переменными токами с постоянными частотами f₁ и f₂, также относят к синхронным. В последнем случае частота вращения ротора

(1.2)

постоянна при неизменных частотах f₁ и f₂. Два последних вида машин называют специальными синхронными машинами.

Статор (неподвижная часть) синхронной машины состоит из корпуса, магнитопровода (сердечника) с обмоткой, торцевых щитов и других конструктивных элементов.

Магнитопровод статора 1 (рис. 1.1) собирают в форме кольца из пластин листовой или рулонной электротехнической стали толщиной 0,5 (реже 0,35) мм. Пластины стали, штампуют в виде цельных колец для магнитопроводов с наружным диаметром до 1 м или сегментов при наружном диаметре более 1 м. На внутренней дуге пластин штампуют пазы, образующие при сборке магнитопровода пазы 2 для обмотки. На наружной дуге пластин штампуют служащие для сборки магнитопровода выемки в виде трапеции (“ласточкин хвост”), параллелограмма, круга или в виде прямоугольника. После очистки от заусенцев пластины изолируют лаком для уменьшения вихревых токов и создаваемых токами потерь мощности.

Магнитопровод статора из сегментов собирают на клиньях (рёбрах), установленных на равном расстоянии по внутренней окружности корпуса. Клинья 11 (рис. 1.2 крепят к корпусу с помощью угольников 10, привариваемых одной стороной к клиньям 11, а другой – к горизонтальным полкам 3 корпуса. 5

На обращенных к центру машины поверхностях клиньев выполнены выступы в виде “ласточкина хвоста” или другой формы, соответствующей форме выемок на наружной дуге сегментов.

При сборке магнитопровода сегменты 12 надевают проштампованными на наружной дуге выемками на выступы клиньев (рис. 1.2. б), фиксируя сегменты от смещения в радиальном и тангенциальном направлениях. Сегменты соседних слоев шихтовки смещены по кругу обычно на половину сегмента (рис. 1.2, б).

Сегменты следующего (верхнего) слоя шихтовки перекрывают стыки нижнего слоя, что увеличивает жесткость и уменьшает магнитное сопротивление магнитопровода.

В генераторах большой мощности (более 50–100 МВт) для уменьшения добавочных потерь мощности и местных нагревов торцевой зоны, обусловленных торцевыми магнитными полями, нажимные пальцы и фланцы кольцевой формы делают из немагнитных сталей; 1–3 крайних пакета магнитопровода делают меньшей толщины ступенчатыми (рис. 1.2), в зубцах крайних пакетов выполняют радиальные шлицы (прорези).

Магнитопроводы машин малой мощности из цельных кольцевых пластин (с наружным диаметром до 0,5 м) собирают на внутренней оправке, прессуют и после этого скрепляют по наружному диаметру скобами, приваренными к торцам сердечника, или планками, приваренными на торцах сердечника к нажимным шайбам или фланцам кольцевой формы. Собранный сердечник (вместе с обмоткой) запрессовывают в стальную или чугунную станину. Магнитопроводы из кольцевых пластин с наружным диаметром от 0,5 до 1 м собирают непосредственно в расточенный корпус или на ребра корпуса и запрессовывают между двумя нажимными шайбами или кольцами, которые фиксируют в корпусе запорными шпонками или сваркой.

В пазы 2 (рис. 1.1) магнитопровода статора укладывают катушки трехфазной или однофазной (m – фазной) распределенной обмотки статора. Катушки наматывают медным изолированным проводом. Обмотку статора выполняют с тем же числом пар полюсов р, как и обмотку ротора. Магнитопровод статора вместе с обмоткой называют якорем. Якорь устанавливают в средней части корпуса. Обмотку якоря включают в сеть переменного тока.

Р отор состоит из вала и магнитопровода (сердечника) с обмоткой возбуждения. Обмотка возбуждения подключена к постоянному напряжению U_f (рис. 1.1) через закрепленные на валу контактные кольца 6 и щётки 7 щёточного аппарата, неподвижно установленного на статоре. Под действием напряжения U_f в обмотке возбуждения возникает постоянный ток возбуждения I_f . Ток I_f образует магнитный поток возбуждения Ф_f , большая часть линий магнитной индукции B_f которого пересекает зазор и замыкаются по магнитопроводам статора и ротора (рис. 1.1).

Ротор с обмоткой возбуждения называют индуктором. Иногда в машинах обращенного исполнения индуктором служит статор, обмотка переменного тока в таких машинах размещена на роторе.

По конструкции ротора различают два вида синхронных машин: явнополюсные (рис. 1.1, а) и неявнополюсные (рис. 1.1, б).

Машины с числом пар полюсов p  2 обычно делают с явно выраженными полюсами и называют явнополюсными. Катушки обмотки возбуждения 4 (рис. 1.1, а) электрически соединяют между собой последовательно так, чтобы получить чередование полярности полюсов по окружности машины: за обозначенным буквой N северным полюсом ротора следует обозначенный буквой S южный полюс, за южным полюсом S снова северный N и так далее.

Сердечник полюса 3 (рис. 1.1, а) обычно набирают из стальных пластин. Для машин мощностью 100 кВт и менее пластины полюсов штампуют из электротехнической стали толщиной 0,5–1 мм, при больших мощностях – из низкоуглеродистой конструкционной стали марки Ст.3 толщиной 1–1,4 мм (реже 2 мм).

Очертание полюсного наконечника (более широкая часть полюса) выполняют так, что зазор между сердечником статора и полюсным наконечником на оси полюса δ в 1,5–2,5 раза меньше зазора δ_m вблизи краев полюсного наконечника (рис. 2.10). Вследствие этого распределение индукции B_δf магнитного потока Ф_f обмотки возбуждения в зазоре приближается к синусоидальному.

В полюсных наконечниках пластин ротора штампуют выемки, образующие при сборке сердечника полюса круглые полузакрытые пазы. В пазы с торца сердечника полюса забивают цилиндрические стержни 14 (рис. 1.3) из металла с малым электрическим сопротивлением. С торцов полюса стержни соединяют короткозамыкающими сегментами 15 из изогнутой на ребро медной шины прямоугольного сечения. Пайку соединений стержней с сегментами выполняют твердыми припоями. Короткозамыкающие сегменты соседних полюсов соединяют проводящими перемычками, в результате на роторе получается короткозамкнутая обмотка, подобная обмотке короткозамкнутого ротора асинхронного двигателя.

В генераторах эту обмотку называют демпферной или успокоительной и стержни делают из меди. Она служит для уменьшения колебаний ротора при переходных процессах. В двигателях стержни изготавливают из латуни (бронзы), обмотку называют пусковой. Она служит для асинхронного пуска. Иногда полюсы синхронных двигателей делают массивными. Торцы наконечников соседних полюсов соединяют проводящими перемычками. В этом случае массивные полюсы играют роль пусковой обмотки.

Листы полюса 1 стягивают стальными нажимными щеками 9 и стяжными шпильками 10 (рис. 1.3). Корпусную изоляцию 7 накладывают непосредственно на сердечник полюса в виде нескольких слоев стеклоткани, пропитанной термореактивным лаком. В машинах большой мощности корпусную изоляцию изготавливают в виде твердых коробов из прессованной стеклоткани на термореактивных связующих.

На изолированный сердечник полюса устанавливают катушку 2 обмотки возбуждения (рис. 1.3). Иногда для фиксации катушки на полюсе или создания охлаждающих каналов катушку раскрепляют изоляционными прокладками 8. От контакта с остовом или втулкой ротора и полюсным наконечником катушки обмотки возбуждения изолируют гетинаксовыми или стеклотекстолитовыми шайбами 5.

В машинах относительно малой мощности (до 100 кВт) применяют многослойные катушки из изолированного медного провода круглого или прямоугольного сечения. Для машин средней и большой мощности (свыше 100 кВт) катушки наматывают голой медной шиной прямоугольного или специального профиля на ребро в один ряд по высоте полюса (рис. 1.3), что улучшает отвод тепла с боковых неизолированных поверхностей катушек. Соседние витки 3 изолированы прокладками 4 из стеклоткани, пропитанной эпоксидным или другим термореактивным лаком. Для придания монолитности катушки опрессовывают и запекают под давлением.

Полюсы крепят к ободу или втулке ротора. Чаще всего обод набирают вперекрой из стальных пластин (сегментов) толщиной 2–100 мм, стягиваемых шпильками. К наборному (шихтованному) ободу 16 полюсы крепят одним или двумя выступами (хвостами) 11 Т-образной или другой формы (рис. 1.3). Для большей механической прочности нижнюю кромку хвоста проваривают по специально выштампованным в пластинах стали лункам 12. Т-образный хвост полюса вставляют с торца в Т-образные па- зы обода и расклинивают двумя парами встречно забиваемых с торцов обода клиньев 13. Клинья изготавливают из шпоночной стали с уклоном соприкасающихся граней 1:100 или 1:200. Также крепят полюсы быстроходных машин с литой массивной втулкой на валу ротора.

У тихоходных машин средней и большой мощности обод часто выполняют в виде литого или сваренного из толстолистовой стали магнитного колеса. В этом случае полюсы крепят болтами, проходящими с внутренней стороны сквозь отверстия в ободе. Болты вкручивают в резьбовые отверстия, сделанные в стали полюса со стороны его основания. В машинах мощностью менее 100 кВт полюсы прикрепляют ввертываемыми со стороны зазора через отверстия в теле полюса винтами к напрессованной на вал литой массивной втулке или непосредственно к валу.

Выводы обмотки возбуждения соединяют с контактными кольцами 1 (рис. 1.4). Контактные кольца делают из стали или бронзы и насаживают на опрессованную стеклотканью или миканитом втулку 3. Втулку крепят на валу ротора 4. Оконцеватель 7 кабеля обмотки возбуждения крепят гайками к токоведущей шпильке 6. Другой конец шпильки запаивают в раззенкованном отверстии контактного кольца 1. Длинная шпилька 6 отделена от второго к ольца изолирующей втулкой 5.

Постоянный ток к обмотке возбуждения идет через скользящий контакт между вращающимися вместе с валом кольцами 1 и неподвижными щётками 9. В мощных машинах число щеток на одно контактное кольцо достигает восьмидесяти.

Щ етки прессуют из графитовых или угольных порошков с добавлением меди. Для отвода тока в щетку 2 (рис. 1.5) заделан конец гибкого токоведущего кабеля 5 из тонкой медной проволоки. Второй конец кабеля снабжен наконечником 6 для присоединения к токоведущей шине 7.

Необходимый электрический контакт щеток с кольцами достигается за счет щеткодержателей (рис. 1.5), обеспечивающих равномерное нажатие на щетку с нужным давлением, свободное радиальное перемещение щетки 2 в обойме 1 щеткодержателя и доступ для замены щетки.

Щеткодержатели крепят к изогнутой на ребро в виде полукольца или кольца токоведущей шине 7 болтами 8, допускающими небольшое смещение щеткодержателя при регулировке.

Пружина 3 создает радиальное усилие, прижимающее щетку 2 к кольцу, силу нажатия пружины регулируют, меняя положение кронштейна 4.

Машины с числом пар полюсов p = 1 и реже p = 2 выполняют неявнополюсными. Магнитопровод ротора обычно изготавливают из сплошной стальной поковки в виде цилиндра (рис. 1.1, б), на внешне поверхности которого фрезеруют открытые пазы для обмотки возбуждения. В двухполюсных машинах (p = 1) пазы равномерно распределены в двух зонах, каждая из которых занимает примерно одну треть окружности ротора. В пазы укладывают концентрические катушки распределенной обмотки возбуждения, что приближает распределение магнитодвижущей силы (МДС) и индукции магнитного поля обмотки возбуждения в зазоре машины к синусоидальному (рис. 2.12).

К атушки обмотки возбуждения наматывают медным проводом (шиной) 1 прямоугольного сечения на ребро (рис. 1.6). Соседние витки катушек разделяют приклеенными термореактивным лаком к проводникам изолирующими прокладками 2 из миканита или стеклоткани.

При укладке в пазы проводники катушки изолируют от магнитопровода изоляционными гильзами 3, выпекаемыми под прессом из стеклоткани, пропитанной термореактивным лаком. После укладки стороны катушки в паз края гильзы нагревают и загибают внахлест.

Поверх гильзы укладывают прокладки из стеклотекстолита 4, стальную полосу 5 толщиной 1 мм, после чего закрывают (заклинивают) паз металлическими немагнитными клиньями 6.

Для предупреждения отгиба лобовых частей обмотки возбуждения центробежными силами, возникающими при вращении ротора, на лобовые части обмотки ротора надевают бандажные кольца. Кольца представляют собой полые цилиндры, обычно выполненные из немагнитной стали. Бандажные кольца изолируют от проводников лобовых частей обмотки возбуждении стеклотекстолитовыми подбандажными сегментами, уложенными с перекрытием поверх лобовых частей.