ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЯВНОПОЛЮСНЫХ СИНХРОННЫХ МАШИН

Электромагнитный расчет и основные характеристики синхронных машин

1. Устройство синхронных машин общего назначения

Приведенная в настоящей главе методика расчета распростра­няется на синхронные явнополюсные машины мощностью от не­скольких киловатт до нескольких мегаватт. Синхронные машины указанного диапазона мощностей обычно изготавливаются серия­ми. В этих сериях пока еще не принят принцип разделения машин по высоте оси вращения, как это сделано у асинхронных двигате­лей и машин постоянного тока. Синхронные явнополюсные маши­ны принято разделять по габаритам. Каждому габариту соответ­ствует определенный диаметр сердечника статора D_1н. В табл. 8.1 приведены нормализованные значения диаметров D_1н, соответству­ющие наиболее экономичному раскрою листов тонколистовой элек­тротехнической стали (минимальным отходам стали при штам­повке).

Габарит машины определяет также и высоту оси вращения h. Исключение составляют габариты 17—21, у которых высота оси вращения h=630 мм, что достигается соответствующим располо­жением лап машины (см. рис 1.1). Обычно серия синхронных ма­шин выполняется на двух или грех (реже четырех) габаритах. При этом один габарит имеет несколько (пять-шесть) типоразмеров машин, различающихся мощностью и частотой вращения.

За последние годы отечественным электромашиностроением разработано и освоено в производстве несколько серий синхрон­ных явнополюсных машин общего назначения, которые по своим технико-экономическим показателям соответствуют современным требованиям. Ктаким сериям следует отнести серию синхронных генераторов СГ2 и серии синхронных двигателей СД2. СДН2 и СДН32. Ниже приведены некоторые сведения о синхронных маши­нах перечисленных серий.

Трехфазные синхронные генераторы серии СГ2. Эти генера­торы предназначены для производства электроэнергии на стацио­нарных дизель-электрических станциях. Исполнение генераторов по способу защиты IР23, а исполнение по способу монтажа IМ1001. Возбуждение генераторов осуществляется от тиристорного преобразователя, расположенного вне генератора. Начальное самовозбуждение происходит вследствие наличия остаточного магнетизма сердечника ротора. Генераторы СГ2 укомплектованы ап­паратурой, обеспечивающей стабилизацию напряжения на выходе генератора при колебаниях нагрузки. Кроме того, генераторы име­ют устройство синхронизации, позволяющее включать генератор в сеть на параллельную работу.

Таблица 8.1

5 6 7 8 9 10 11 12	280 327 393 423 493 520 590 660	180 200 225 250 280 315 355 400	13 14 15 16 17 18 19 20 21	740 850 990 1180 1430 1730 2150 2600 3250	450 500 560 630 630 630 630 630 630

Технические данные генераторов серии СГ2 даны в табл. 8.2. Конструкция синхронных генера-торов СГ2 такая же, как и син­хронных двигателей серии СД2.

Синхронные двигатели серии СД2. Эти двигатели предназначе­ны для привода механизмов, не требующих регулирования часто­ты вращения: насосов, вентиляторов и т.п. Двигатели изготав-ли­ваются на напряжения 6000 В н 380 В частотой тока 50 Гц. Ис­полнение двигателей по способу защиты IP23, а по способу мон­тажа IM1001. Возбуждение двигателей осуществляется от возбуди­тельного устройства, питаемого от дополнительной обмотки двига­теля.

Технические данные некоторых типов синхронных двигателей серии СД2 приведены в табл. 8.3.

Синхронные двигатели рассчитаны для работы с опережающим током статора при коэффициенте мощности cosφ₁=0,9.

Таблица 8.2

Тип генератора	Номинальная мощность		Номинальный ток статора, А	Частота вращения, об/мин	КПД, %	Размеры, мм по рис. 8.2		Масса, т
	кВт	кВ∙А				B	L
СГ2-74/25-6 СГ2-85/18-10 СГ2-85/29-10 СГ2-85/29-12 СГ2-85/29-12 СГ2-85/45-12	250 160 250 132 200 315	313 200 313 156 250 394	452 289 453 224 361 569	1000 600 600 500 500 500	93,0 91,3 92,6 90,5 91,9 92,7	890 1005 1005 1005 1005 1005	1330 1260 1370 1260 1370 1500	1,60 1,64 2,14 1,67 2,12 2,75

Примечание. В числителе обозначения типа генератора указан наружный диаметр сердечника статора, см, а в знаменателе ­­­– длина сердечника статора с вентиляционными каналами, см; последние цифры – число полюсов 2p.

Таблица 8.3

Тип двигателя	Номинальные		Частота вращения, об/мин	Номинальный ток статора, А	КПД, %	Размеры, мм по рис. 8.2		Масса, т
	мощность, кВт	Напряжение, В				B	L
СД2-85/35-4 СД2-85/35-4 СД2-85/35-4 СД2-85/35-4 СД2-85/35-4 СД2-85/35-4 СД2-85/35-4 СД2-85/35-4 СД2-85/35-4 СД2-85/35-4 СД2-85/35-4	630 800 250 400 630 200 250 400 500 160 132	6000 6000 380 380 6000 380 380 6000 6000 380 380	1500 1500 1000 1000 1000 750 750 750 750 600 500	71,5 90,0 565 715 71,1 363 451 45,5 57,0 295 246	94,5 95,0 94,2 94,7 95,0 93,0 93,5 93,9 94,3 91,8 90,9	1005 1005 890 890 1005 1005 890 1005 1005 1005 1005	1570 1650 1330 1630 1650 1330 1470 1570 1650 1260 1260	2,65 2,95 1,60 2,10 2,75 1,62 1,85 2,70 2,95 1,64 1,67

Примечание. См. примечание к табл. 8.2.

В нешний вид синхронного двигателя серии СД2 (генератора СГ2) показан на рис. 8.1. Возбудительное устройство располагает­ся вне двигателя. Устройство двигателя СД2 (генератора СГ2) показано на рис. 8.2. Сер­дечник статора 9разделен радиальными вентиляцион­ными каналами. Крайние пакеты статора зажаты на­жимными шайбами 5, сое­диненными между собой стяжными шпильками. В па­зы статора уложены основ­ная и дополнительная об­мотки 3,выполненные из отдельных катушек. Изоля­ция обмотки статора термо­реактивная класса нагревостойкости В.

Ротор 8имеет явно выра­женные полюсы. Полюсные катушки 12изготовлены из неизолированной шинной меди, гнутой «на ребро». Все полюсные катушки соединены между собой после­довательно. В машинах применены подшипники качения: со сторо­ны контактных колец однорядный шариковый подшипник 13,а со стороны привода — однорядный роликовый подшипник Корпус статора 6сварной с поперечными и продольными ребрами жестко­сти. Сердечник статора приварен к ребрам жесткости, что предот­вращает его осевое смещение и проворачивание. Подшипниковые щиты 2 сварные, центрируются замком в корпусе статора. Контактные кольца 14 чугунные, крепятся на валу 7. Узел контактных ко­лец снаружи прикрыт стальным съемным колпаком 15. Коробка выводов 17 расположена на правой боковой поверхности корпуса.

Синхронные двигатели серии СД2 снабжены пусковой клеткой из медных стержней 10, замкнутых сегментами 11. Пусковая клетка обеспечивает асинхронный пуск двигателя прямым включением в сеть.

Д вигатели СД2 (генераторы СГ2) имеют двустороннюю радиальную вентиляцию. Требуемый для этого напор воздуха создается вентиляционным действием полюсов ротора и в вентиляционных лопаток 4. Воздух поступает в машину через вентиляционные окна в подшипниковых щитах, направляется в лобовым частям обмотки статора и в межполюсное пространство ротора, а затем, пройдя радиальные вентиляционные каналы, выбрасывается наружу через боковые окна 16 в корпусе статора. Вентиляционные окна в подшипниковых щитах и корпусе статора прикрыты жалюзи.

Высота оси вращения в машинах СД2 и СГ2 при 13-м габарите составляет 450 мм, а при 14-м габарите – 500 мм.

Синхронные двигатели серий СДН2 и СДН32. Эти двигатели предназначены для привода вентиляторов, насосов, мельниц и других механизмов, не требующих регулирования частоты вращения. Двигатели этих серий выполняются 16-го и 17-го габаритов с наружными диаметрами сердечников статоров соответственно 1180 и 1430 мм. Двигатели рассчитаны для включения в трехфазную сеть частотой 50 Гц и напряжением 6000 В.

Двигатели изготавливаются на мощности от 315 до 4000 кВт при частотах вращения от 300 до 1000 об/мин и предназначены для работы с опережающим током при коэффициенте мощности .

Технические данные некоторых типоразмеров синхронных двигателей указанных серий приведены в табл. 8.4. Двигатели имеют горизонтальное исполнение на двух стояковых подшипниках скольжения.

Двигатели серии СДН2 имеют исполнение по степени защиты IP11, а двигатели серии СДН32 – исполнение IP43. Возбуждение двигателей осуществляется от тиристорных преобразователей с автоматическим регулированием тока возбуждения при пуске и остановке двигателей, а также при их аварийных отключениях.

Внешний вид двигателя серии СДН2 показан на рис. 8.3, а его устройство – на рис. 8.4.

Корпус статора 6 сварной из листовой конструкционной стали. Он состоит из стоек, соединенных между собой продольными ребрами жесткости, опорных лап 16 и наружной обшивки. В обшивке корпуса имеются окна с жалюзи и решетками 15 для выхода воздуха.

У двигателей серии СДН32 обшивка корпуса окон не имеет, а в днище корпуса предусмотрены отверстия для присоединения воздуходувов. В лапах предусмотрены отверстия для крепления двигателей к фундаменту.

Сердечник статора 7 состоит из пакетов-сегментов, собранных из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Пакеты разделены вентиляционными каналами шириной 10 мм каждый, образованными распорками. Сердечник запрессован в корпус статора и закреплен нажимными шайбами (кольцами) 5, соединенными стяжными шпильками 19.

Таблица 8.4

Цифровая часть обозначения типа двигателей серий СДН2 и СДН32	Номинальные данные				Размеры по рис. 8.4, мм		Масса, т
	Мощность, кВт	Ток статора, А	КПД, %	Частота вращения, об/мин	B	L
16-36-6 16-59-6 16-59-6 16-59-6 16-59-6 16-59-6 16-59-6 16-59-6 16-59-6 16-59-6 16-59-6 16-59-6 16-59-6 16-59-6	1000 1600 2500 4000 800 1250 2500 630 1600 500 1250 315 800 500	112 178 276 440 90 140 277 71,4 178 57,5 141 37 91,5 58	95,5 96,2 96,7 97,1 94,9 95,7 96,5 94,6 95,9 93,7 95,3 91,1 94,1 92,8	1000 1000 1000 1000 750 750 750 600 600 500 500 375 375 300	1520 1520 1600 1600 1520 1520 1600 1520 1600 1520 1600 1600 1600 1600	2300 2580 2640 3030 2300 2580 2790 2250 2530 2250 2490 2020 2300 2300	4,6 6,5 9,1 12,4 4,6 6,4 10,7 4,6 8,5 4,1 7,2 3,9 5,8 5,7

Примечание. Первые две цифры в цифровой части обозначения двигателей соответствуют габариту (16-й или 17-й), следующие две цифры – длине сердечника статора с вентиляционными каналами, см, последние цифры – числу полю-сов 2p.

Входное устройство 22 обмотки статора состоит из корпуса с крышкой и четырех опорных изоляторов. Обмотка статора имеет шесть выводных концов, три из которых (начала фазных обмоток) крепятся к соответствующим изоляторам, а три (концы фазных обмоток) соединены вместе на четвертом изоляторе, образуя нулевую точку. В двигателях мощностью 3200 и 4000 кВт имеются два вводных устройства: одно для начал обмоток фаз, а другое – для концов. В этом случае устройства расположены по обе стороны корпуса двигателя.

Остов ротора 3 явнополюсных машин может быть шихтованным или сварным. Сердечники полюсов 18 шихтованные из листовой стали толщиной 1,0 или 1,4 мм. Пакет сердечникакаждого полюса скрепляют посредством литых нажимных щек и заклепок. Если остов ротора сварной (рис. 8.4), то сердечники полюсов крепятся шпильками 9. При этом сердечник полюса имеет массивный центральный стержень, в который ввертывают крепящие полюс шпильки. Если остов ротора шихтованный (см. рис. 8.2), то сердечники имеют Т-образные хвостики, с помощью которых полюсы крепятся на остове. На роторе установлены вентиялционные лопатки 12.

Обмотка статора состоит из полюсных катушек 11, изготовленных из полосовой меди, намотанной на «на ребро». Катушки имеют межвитковую изоляцию из асбестовой бумаги. Корпусная изоляция катушек имеет класс нагревостойкости B или F.

Пусковая обмотка состоит из латунных и медных стержней 20, расположенных в полуоткрытых пазах полюсных наконечников и припаянных к дугообразным медным сегментам 10, выполненным из полосовой меди, гнутой «плашмя». Сегменты быстроходных двигателей соединены встык накладками 17. Указанные накладки имеют дополнительное крепление к остову ротора. Сегменты тихоходных двигателей соединены между собой внахлест. Соединенные между собой сегменты образуют короткозамыкающие кольца пусковой клетки.

Контактные кольца 14 стальные подвесного типа, крепятся на конце вала за подшипниковым узлом. Снаружи узел контактных колец прикрыт съемным стальным кожухом.

В двигателях применены графитные щетки марки Г-3 или электрографитные марки ЭГ-4 размером 25x35 мм. Конструкция щеткодержателей обеспечивает равномерное прижатие щеток к кольцам и позволяет регулировать давление на щетку. Траверса для крепления щеткодержателей состоит из двух шин, которые крепятся изолированными шпильками к корпусу подшипника.

Корпус статора с торцевых сторон прикрыт предохранительными стальными щитами 21, которые закрывают лобовые части обмотки статора и ротор. Щиты двигателей серии СДН2 имеют отверстия для входа охлаждающего воздуха, защищенные жалюзи и решетками. Щиты двигателей серии СДН32 выполнены глухими.

Двигатели обеих серий выполнены без фундаментной плиты, а стояковые подшипники 2 и 13 установлены на подшипниковых полущитах 1, приваренных к нижней части корпуса статора.

В двигателях применены подшипники скольжения с кольцевой смазкой.

Высота оси вращения для всех двигателей серии СДН2 и СДН32 составляет 630 мм. Охлаждение двигателей – воздушное. Двигатели мощностью от 315 до 1250 кВт при частоте вращения 300, 375 и 500 об/мин имеют согласную аксиально-радиальную вентиляцию (рис. 8.5, а и б), а двигатели мощностью 630-4000 кВт с частотой вращения 600, 750 и 1000 об/мин имеют согласную радиальную вентиляцию (рис. 8.5, в и г). В двигателях серии СДН2 роль вентиляторов выполняют лопатки, прикрепленные к ободу ротора. В двигателях закрытого исполнения серии СДН32 вентиляция принудительная по замкнутому или разомкнутому циклу. Вентиляция по замкнутой системе осуществляется через отдельно стоящий воздухоохладитель.

В двигателях серий СДН2 и СДН32 контроль температуры статора осуществляется термометрами сопротивления, закладываемыми в пазы. Температура вкладышей подшипников скольжения контролируется встроенными в подшипники термометрами сопротивления.