Лекции / Лекция 19 Конструкция синхронных машин

Конструкция синхронных машин

Общие сведения. На современных электростанциях электроэнергию вырабатывают синхронными генераторами, которые приводятся во вращение паровыми или гидравлическими турбинами. В первом случае синхронные генераторы называют турбогенераторами, во втором – гидрогенераторами. Это самые крупные электрические машины переменного тока. В настоящее время построен турбогенератор мощностью 1200 мВт и напряжением 24 кВ, который установлен на Костромской ГРЭС. Гидрогенератор Саяно-Шушенской ГЭС имеет мощность 640 мВт. На автономно работающих электростанциях (удаленные малонаселенные районы, лесоразработки, горные предприятия) синхронные генераторы имеют небольшую мощность и приводятся во вращение дизельными двигателями (дизель-генераторы) или газовыми турбинами. Мощные дизель-генераторные установки применяют и на морских судах.

Применяют синхронныемашины такжев качестведвигателей. Синхронные двигатели имеют постоянную частоту вращения, поэтому их применяют там, где нет необходимости регулировать частоту вращения или где она должна быть постоянной. Синхронные двигатели имеют большую мощность (от 50 кВт до десятков тысяч киловатт). Их применяют на металлургических заводах, в шахтах и других предприятиях для привода мощных насосов, компрессоров, непрерывных нерегулируемых прокатных станов и т. д. Они имеют очень хорошие энергетические показатели(коэффициент мощности иКПД) ив таких областях использования находятся практически вне конкуренции с другими электрическими машинами.

Имеются также специальные синхронные микродвигатели мощностью от долей ватта до нескольких десятков ватт, используемые в схемах автоматики, звукозаписи, для вращения ленты самопишущих приборов и в других случаях, требующих строгого постоянства частоты вращения.

Синхронные генераторы и двигатели могут служить источником реактивной электроэнергии. Однако выпускаются и специальные синхронные машины, называемые синхронными компенсаторами, которые предназначены для генерирования только реактивной энергии.

Конструкция и принцип работы синхронных машин. Статор синхронных машин имеет такое же устройство, как и статор асинхронной машины (Рис. 1.1) Трехфазную обмотку, размещенную в пазах сердечника статора, выполняют с таким же числом полюсов, как и ро-

тор. В синхронных машинах обмотку статора принято называть обмоткой якоря, а сердечник статора вместе с обмоткой – якорем.

Рис. 1.1. Принцип устройства синхронной машины: а – явнополюсной; б - неявнополюсной; 1 - статор (якорь); 2 - ротор (индуктор); 3 - обмотка возбуждения

Однако статор синхронных машин имеет и некоторые конструктивные особенности, обусловленные необходимостью его интенсивного охлаждения, так как в крупных синхронных машинах мощность потерь энергии, преобразующейся в тепловую, очень велика. Так, например, в турбогенераторе ТЭВ-800-2, номинальная мощность которого составляет 800 мВт при КПД ном = 98,86%, мощность потерь в

номинальном режиме составляет 9,12 мВт, из них 7,16 мВт – мощность потерь в якоре. Поэтому в таких крупных машинах в системах охлаждения в качестве хладагентов используют водород, трансформаторное масло и дистиллированную воду. Так, в турбогенераторе ТЭВ- 800-2 применяют полное водяное охлаждение (статор и ротор охлаждаются водой). Применяют и комбинированные системы охлаждения: статор охлаждают водой, а ротор – водородом и др. В машинах относительно небольшой мощности используют также и воздушное принудительное охлаждение.

Ротор синхронных машин конструктивно выполняют либо явнополюсным, либо неявнополюсным (Рис. 1.2).

Ротор синхронной машины имеет обмотку возбуждения, питаемую через два контактных кольца и щетки постоянным током от постороннего источника. В качестве источника чаще всего используется генератор постоянного тока относительно небольшой мощности (0,3...3,0 % от мощности синхронной машины), который называется возбудителем и обычно устанавливается на одном валу с синхронной машиной. Назначение обмотки возбуждения – создание в машине первичного магнитного поля. Ротор вместе со своей обмоткой возбуждения называется также индуктором. При изготовлении синхронных ма-

шин принимаются меры к тому, чтобы распределение индукции поля возбуждения вдоль окружности статора было как можно ближе к синусоидальному.

Если ротор синхронной машины (см. рис. 1.1) привести во вращение с некоторой частотой вращения n1 и возбудить его, то поток возбуждения f будет пересекать проводники обмотки статора и в фазах последней будут индуцироваться ЭДС с частотой

f1 pn1.

ЭДС, индуцируемые в обмотках статора, составляют симметричную трехфазную систему ЭДС, и при подключении к обмотке статора симметричной нагрузки эта обмотка нагрузится симметричной системой токов. Машина при этом будет работать в режиме генератора.

6 7

1

3

9

Рис. 1.2. Общий вид роторов:а – турбогенератора;б – гидрогенератора; в – синхронного двигателя.

1 – контактные кольца; 2 – кольцевые бандажи; 9 – ротор; 4 – металлические клинья; 5 – вентилятор; 6 – вал; 7 – обмотка возбуждения; 8 – полюсы; 9 – пусковая обмотка.

При нагрузке обмотка статора создает вращающееся магнитное поле, такое же по характеру, как и поле, создаваемое обмоткой статора асинхронной машины. Это поле статора вращается в направлении ротора с частотой вращения

n1 f1 , p

то есть поля статора и ротора вращаются с одинаковой частотой и образуют, таким образом, общее вращающееся поле, как и в асинхронной машине. Поле статора (якоря) оказывает воздействие на поле ротора (индуктора) и называется поэтому также полем реакции якоря.

Сердечники полюсов явнополюсных машин (рис. 1.3) набираются обычно из листов конструкционной стали толщиной 1 2 мм и стягиваются с помощью шпилек.

Рис.1.3. Полюсы явнополюсной синхронной машины: 1 –обмотка возбуждения; 2 – сердечникполюса сполюснымнаконечником; 3 – межкатушечные соединения; 4– шпилька длякрепления–

межкатушечного соединения; 5– пружинадля сжатияобмотки; 6–клинья

Всредних икрупных машинах полюсы крепятся к выступам вала,

квтулке вала или ободу крестовины с помощью Т – образных хвостов. В малых машинах полюсы крепятся также с помощью болтов. Обмотка возбуждения крупных машин наматывается из голой полосовой меди на ребро, и проводники обмотки изолируются друг от друга изоляционными прокладками.

Вполюсных наконечниках синхронных двигателей в соответствующих пазах помещаются стержни пусковой обмотки, выполненные из материала с повышенным удельным сопротивлением (латунь и др.), они привариваются по торцам к короткозамыкающим сегментам, а последние соединяются в общие короткозамыкающие кольца. Такая обмотка напоминает «беличью клетку» короткозамкнутого асинхронного двигателя и служит для асинхронного пуска синхронного двигателя. Такие же по конструкции обмотки, но из медных стержней, нередко используются в синхронных генераторах и называются в этом

случае успокоителъными, или демпферными, обмотками. В последнее время полюсы синхронных двигателей часто делают массивными, из стальных поковок, и в этом случае роль пусковой обмотки выполняют сами массивные полюсы. Торцы наконечников соседних полюсов при этом соединяются проводниками в виде планок.

Синхронные генераторы, сочленяемые с гидравлическими турбинами, работающими на гидроэлектростанциях, называются гидрогенераторами. Они имеют явнополюсную конструкцию и при мощностях до нескольких тысяч киловатт чаще всего выполняются с горизонтальным валом. В последние годы все большее применение находят так называемые капсульные гидрогенераторы (рис. 4.3), также имеющие горизонтальный вал.

Рис. 1.4. Капсульный генератор:7 - капсула; 2 - статор генератора; 3 - ротор генератора; 4 - направляющий аппарат турбины; 5 – ротор гидравлической

турбины; 6 и 8 - подшипники; 7 - вал

Такие генераторы заключаются в водонепроницаемую оболочку, или капсулу, с внешней стороны ее обтекает поток воды, проходящий через турбину. Такая конструкция применяется для низконапорных гидростанций, она позволяет отказаться от машинного зала и достичь большей компактности станции, что приводит к ее удешевлению. Капсульные гидрогенераторы изготовляются на мощности до нескольких десятков тысяч киловатт.

Вертикальные гидрогенераторы (рис. 1.5) имеют вертикальные валы и соединяются непосредственно с гидравлическимитурбинами.

Гидравлические турбины в зависимости от напора воды и мощностей имеют относительно малую частоту вращения (n = 60 500 об/мин). Частота тем меньше, чем меньше напор воды и чем больше мощность турбины. Поэтому гидрогенераторы являются тихоходными машинами и имеют большие размеры и массу, а также большое количество полюсов.

Рис. 1.5. Синхронный гидрогенератор 1 – корпус статора; 2 –сердечник статора; 3 – полюсы ротора; 4 – обод ротора; 5 – верхняя крестовина

Весьма ответственной частью вертикального гидрогенератора является упорный подшипник (подпятник), который воспринимает массу вращающихся частей генератора и турбины, а также давление воды на лопасти турбины. Поэтому на подпятник действуют огромные усилия. Особенно трудны условия работы подпятника при пуске и тем более остановке агрегата, так как при малой частоте вращения масляный клин (пленка) между скользящими поверхностями подпятника не образуется и генератор с турбиной не «всплывают». Вследствие большой инерции гидроагрегата время его выбега (остановки) при закрытии воды и отключении от сети велико. Для уменьшения продолжительности вращения агрегата с низкой частотой вращения при его ос-

тановке применяются тормоза. Кроме подпятников гидрогенераторы имеют также направляющие подшипники, которые воспринимают радиальные усилия.

На одном валу с гидрогенератором, в верхней его части (см. рис. 1.5), в большинстве случаев устанавливаются также вспомогательные машины: возбудитель генератора (иногда с подвозбудителем) и регуляторный генератор, который представляет собой небольшой синхронный генератор с полюсами в виде постоянных магнитов и предназначен для питания двигателей масляного автоматического регулятора турбины. Подвозбудитель представляет собой небольшой генератор постоянного тока, который служит для возбуждения основного возбудителя, питающего постоянным током обмотку возбуждения гидрогенератора. В крупных машинах возбудитель нередко заменяют вспомогательным синхронным генератором, который служит как для возбуждения (вместе с выпрямителями или возбудительными агрегатами, состоящими из двигателя переменного и генератора постоянного тока), так и для питания различных двигателей, обслуживающих гидроагрегат, состоящий из турбины и гидрогенератора.

По своей конструкции вертикальные гидрогенераторы подразделяются на подвесные и зонтичные (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Конструктивные схемы вертикальных гидрогенераторов: а – подвесного; б – зонтичного исполнения: 1 – верхний направляющий

подшипник; 2 – нижний направляющий подшипник; 3 – фланец вала; 4 – турбина 5 – нижняя крестовина; 6 – ротор; 7 – верхняя крестовина; 8 – подпятник; 9 –

В первом случае подпятник расположен в верхней части агрегата, на верхней крестовине, и весь агрегат «подвешен» к этой крестовине и к подпятнику. Во втором случае подпятник находится на нижней крестовине генератора или на крышке турбины, и генератор в виде «зонта» расположен над подпятником. При зонтичной конструкции иногда удается снизить высоту агрегата и машинного зала за счет облегчения верхней крестовины и этим уменьшить также вес агрегата и расход материалов.

При аварийном отключении гидрогенератора от сети его частота вращения сильно возрастает, так как быстрое прекращение доступа большой массы воды в турбину невозможно, а подача энергии в сеть прекращается. Достигаемая при этом максимальная, так называемая угонная, скорость может в два и более раза превысить номинальную, поэтому механическая прочность машины рассчитывается эту частоту вращения.

С вертикальным валом изготовляются также мощные синхронные двигатели для привода больших гидравлических насосов.

Неявнополюсные синхронные машины имеют цилиндриче-

ский ротор, выполняемый обычно из массивной стальной поковки (рис. 1.2, а). В роторе фрезеруются пазы для укладки обмотки возбуждения. Эти машины выпускаются с числом полюсов 2 p = 2 и 2 p = 4 и

поэтому имеют большие частоты вращения (при f1 =50 Гц 3000 и 1500

об / мин соответственно). Изготовление крупных машин с такими частотами вращения при явнополюсной конструкции по условиям механической прочности ротора и крепления его полюсов и обмотки возбуждения невозможно.

Рис. 1.7. Общий вид турбогенератора 1 – корпус; 2 – сердечник статора; 3 – ротор; 4 – газоохладитель;

5 – возбудитель; 6 – подшипник

Типичными представителями неявнополюсных машин являются турбогенераторы (рис. 1.7), то есть синхронные генераторы, предназначенные для непосредственного соединения с работающими на тепловых электростанциях паровыми турбинами.

Роторы турбогенераторов большой мощности (рис. 1.2) изготовляются из цельных поковок высококачественной хромоникелевой или

хромоникельмолибденовой стали.

Предельный диаметр активной части ротора по условиям механической прочности не может превышать 1,10...1,25 м. Поэтому роторы мощных машин приходится делать длинными. В то же время увеличение длины ротора ограничено пределом увеличения гибкости и прогиба ротора и пределом связанного с этим увеличения его вибрации. Наибольшая возможнаяактивная длина ротора составляет l ~ 8,5 м.

Таким образом, предельные размеры турбогенераторов ограничены возможностями современной металлургии. Поэтому увеличение предельных мощностей турбогенераторов связано с увеличением электромагнитных нагрузок (линейные нагрузки и плотности тока обмоток) и интенсификацией способов охлаждения.

Обмотка ротора турбогенератора выполняется в виде концентрических катушек и закрепляется в пазах (рис. 1.8) немагнитными металлическими клиньями (дюралюминий и т. п.), которые обладают требующейся механической прочностью и воспринимают весьма большие центробежные силы обмоткивозбуждения.

Обмотки ротора имеют миканитовую или другую изоляцию класса В или F. Лобные части обмотки ротора закрываются прочным кольцеобразным стальным бандажом (рис. 1.2, а), рассчитанным на действие центробежных сил лобовых частей обмоткии самого бандажа.

Габаритные ограничения роторов, обусловленные высокой частотой их вращения, предопределяют высокую интенсивность электромагнитных и тепловых процессов во всех активных элементах турбогенератора. В связи с этим становится серьезной проблема охлаждения турбогенератора, особенно по мере увеличения единичной мощности.

Повышение эффективности охлаждения основных активных элементов современных турбогенераторов достигается, как правило, посредством разнообразных схем непосредственного охлаждения. В качестве хладагента используются воздух (на мощности до 150 мВт), водород и дистиллированная вода (на мощности до 1200 мвт).

Непосредственное охлаждение хладагентом основных активных элементов турбогенератора (обмотки статора и ротора, сердечник статора) организуется по замкнутому циклу посредством специальной системы охлаждающих каналов и внешних охладителей. Циркуляция хладагента по охлаждающим трактам происходит под действием напора, создаваемого специальными нагнетательными элементами (вентиляторами, компрессорами и т. п.). Заметим, что использование водорода в качестве хладагента требует принятия специальных мер по герметизации всего тракта охлаждения, чтобы гарантировать взрывобезопасность турбогенератора при эксплуатации. Поэтому в новых сериях

отечественных турбогенераторов – ТЗФ и ТЗВ – в качестве хладагента все чаще используются воздух и дистиллированная вода.

Рис. 1.8. Пазы статора a) и ротора (б, в) турбогенераторов с непосредственным

охлаждением: 1 – пазовая изоляция; 2 – медный проводник; 3 –каналы для прохождения охлаждающего вещества; 4– клин; 5 –изоляционные прокладки;6 – канал длязабора(выброса)охлаждающегогаза

Чтобы составить представление о габаритных размерах мощных турбогенераторов, приведем лишь некоторые из них для турбогенератора ТЭ-В-800-2: диаметр сердечника статора внутренний – 1,2 м, наружный – 1,4 м; наружный диаметр корпуса статора – 4,28 м; наружный диаметр ротора – около 1,2 м; длина сердечника ротора – 7,1 м, полная длина ротора – 14,29 м.

Явнополюсный ротор применяют в гидрогенераторах, синхронных двигателях и компенсаторах, в которых частота вращения, как правило, не превышает 1000 об/мин. Внешний вид роторов таких машин показан на рис. 1.2, в. Сердечники полюсов изготовляют из листовой электротехнической стали. Число полюсов, на которых размещают обмотку возбуждения, может быть достаточно большим, особенно в гидрогенераторах. Это связано с тем, что гидравлические турбины – тихоходные машины, и чтобы получить промышленную часто-