книги из ГПНТБ / Нейман, З. Б. Крупные вертикальные электродвигатели переменного тока

ПродолжпнШ! maft.i. 1-1

двигателей несколько меньше, чем горизонтальных, из-за увеличенного воздушного зазора.

Рис. 1-1. cos ф и к. п. д. т) асинхронных дви­ гателей.

214—750 об/мин равен приблизительно 7,5 • 107; для асинхронных двигателей с мощностями 500—5000 кВт при частотах вращения 375—1000 об/мин Ci = 10-107.

Величина машинной постоянной СА зависит от исполь­

зования машины — линейной нагрузки А и индукции в воз­ душном зазоре Вь. Для синхронных машин можно ориен­

тировочно принять Вь = 0,65 -ч-0,75 Т; для асинхронных

0,7—0,9 Т. Более высокие значения индукции в зазоре ведут к увеличению насыщения магнитной цепи, искаже­ нию формы поля в зазоре, т. е. увеличению амплитуд высших гармоник индукции, что вызывает возрастание

10

добавочных потерь (в синхронных машинах в первую очередь на поверхности полюсных башмаков, в асин­ хронных— в стали статора и ротора).

Величина линейной нагрузки А изменяется значи­

означают более высокое использование, увеличенные значения индуктивных сопротивлений, увеличенные по­ тери.

При увеличении индуктивных сопротивлений сни­ жается пусковой ток, но в этом случае трудно получить высокий асинхронный момент на подсинхронной скоро­ сти, необходимый для двигателей насосов, у которых к концу пуска момент сопротивления близок к номиналь­ ному. Поэтому величина линейной нагрузки ограничи­ вается не только нагревом обмоток, но и условиями пу­ ска. Линейная нагрузка у крупных двигателей, имеющих термореактивную изоляцию обмотки статора, не должна превышать 600 А/см, а у двигателей мощностью 500— 10000 кВт с микалентной компаундированной изоляцией 400—500 А/см (большие значения относятся к более мощным и быстроходным машинам).

При практически одних и тех же электромагнитных нагрузках можно получить машины разных габаритов, с различным отношением активной длины к полюсному делению ///т. В двигателях с частыми пусками (син­ хронные двигатели для насосных станций) с точки зре­ ния получения более благоприятных пусковых условий желательно иметь минимальный момент инерции /. По­ скольку момент инерции пропорционален массе и квад­ рату радиуса ротора, а масса G= kiD2l, то J=kzDkl.

Поэтому, для того чтобы у машины был минималь­ ный момент инерции, надо задаваться большими значе­ ниями 1(/т, т. е. малым диаметром. Однако с уменьше­ нием диаметра снижается окружная скорость и ухуд­ шаются условия охлаждения обмоток, что ведет к пере­ расходу активных материалов. При большой длине и малом диаметре снижается устойчивость вертикального агрегата. Кроме того, при повышенных нагрузках на подпятник от ротора насоса и реакции воды приходится увеличивать диаметр масляной ванны и размер кресто­ вины, в которой размешается масляная ванна с подпят­ ником, что приводит к увеличению. диаметра, статора.

11

Та б л и ца 1-2

Нормализованные диаметры сердечников статоров

Учитывая все эти обстоятельства, для вертикальных дви­

сто It значения hiт и т, найдем внутренний диаметр ста­ тора D{. Полученный по (1-1) внутренний диаметр ста­ тора является приблизительным. Его изменяют так, что­ бы наружный диаметр статора Da соответствовал нор­ мализованному габариту, указанному в табл. 1-2, а за­ тем уточняют в процессе расчета.

Радиальный размер сердечника статора (Da—D{) увеличивается при увеличении габарита, а в одном га­ барите—уменьшается при снижении частоты вращения. Например, в 16-м и 17-м габаритах разница между на­ ружным и внутренним диаметрами статора должна быть 360—400 мм при 2р = 6 и 2р = 8 и приблизительно 250 мм при 2/д=16.

1-2. РАСЧЕТ ОБМОТКИ СТАТОРА

Крупные вертикальные электродвигатели выполняют­ ся высоковольтными. Номинальные напряжения двига­ телей 6 и 10 кВ.

Асинхронные двигатели, как правило, изготовляются только на 6 кВ, так как при напряжении 10 кВ заметно ухудшаются технико-экономические показатели двига­ теля; из-за увеличенной толщины изоляции растут раз­ меры паза, что при малых зазорах приводит к значи­ тельному росту потерь и ухудшению использования ма­ шины. Особенно это относится к машинам с микалентной компаундированной изоляцией, у которых по сравнению с машинами, имеющими термореактивную изоляцию, хуже использование паза,

12

Синхронные двигатели мощностью 1250 кВт и больше в соответствии с ГОСТ 8704-61 могут изготовляться на 10 кВ. Изготовление синхронных двигателей мощностью менее 1250 кВт с микалентной компаундированной изо­ ляцией на напряжение 10 кВ не экономично. Статор­ ные катушки при этом получаются многовитковыми из тонкой медной проволоки, что затрудняет их изготовле­ ние. Коэффициент заполнения паза медью резко падает. В результате непропорционально увеличиваются габари­ ты машины и ее стоимость. При применении термореак­ тивной изоляции и специального изолированного прово­ да, не требующего дополнительной витковой изоляции, уменьшается разница в стоимости шести и десятикило­

1000—630 кВт на напряжение 10 кВ, если учитывать эко­ номию, которую можно получить на схеме электроснаб­ жения двигателя.

У синхронных двигателей с мощностями 1250— 5000 кВт при переходе с 6 на 10 кВ мощность двигателя при тех же активных размерах снижается примерно на ступень (около 25%) из-за уменьшения использования паза. Выбор напряжения в этом случае определяется технико-экономическими показателями подстанции.

Двигатели мощностью более 5000 кВт, как правило, выполняются на напряжение 10 кВ.

Зная внутренний диаметр статора, число пазов вы­ бирают так, чтобы пазовое деление у машин напряже­ нием 6 кВ было 30—40 мм (меньшие значения для мень­ ших мощностей и асинхронных машин), а у десятикило­ вольтных машин 42—50 мм. Число пазов должно быть кратно трем и удовлетворять следующим условиям сим­ метрии обмотки: Z/3a — целое число, где а — число па­ раллельных ветвей; 2p]ad — целое число, где d — знаме­ натель дробности (d — не кратно трем).

При числе пазов на полюс и фазу q< 4 это число у синхронных двигателей должно быть дробным. Для асинхронных двигателей желательно, чтобы q было це­ лым числом. Принятое число пазов должно позволять экономно раскраивать лист электротехнической стали на сегменты, из которых шихтуется сердечник статора.

Ток в параллельной ветви не должен превышать 120—200 А. При этом каждый эффективный проводник состоит из нескольких элементарных.

13

По технологическим условиям изготовления катушки сечение элементарного проводника должно быть не бо­ лее 22—25 мм2. Сечение эффективного проводника рас­ считывается по плотности тока в обмотке, которая долж­ на быть такой, чтобы обмотка не перегревалась сверх нормы в номинальном режиме и чтобы адиабатический: нагрев при пуске допускал пуск из горячего состояния.

Для машин с мощностями 500—3000 кВт при часто­ тах вращения 375—1000 об/мин плотность тока равна 4,2—5 А/мм2 (большие значения для быстроходных дви­ гателей), а для более мощных машин при частотах вра­ щения 187—500 об/мин 3—4 А/мм2.

При применении термореактивной изоляции плот­ ность тока можно увеличить приблизительно на 10%. При более высоких плотностях тока потери в обмотке статора заметно снижают к. и. д. двигателя, хотя тем­ пература не превышает нормы.

Число витков в катушке должно быть таким, чтобы линейная нагрузка

A —IaSn/tn, А /С М ,

соответствовала величине, указанной в § 1-1.

Размер паза рассчитывается по выбранному разме­ ру меди и нормам на изоляцию в зависимости от напря­ жения (см. гл. 10). Отношение высоты паза к ширине должно находиться в пределах 4—5.

Выбранное сечение меди должно быть ориентировоч­ но проверено на нагревание. О температуре обмотки можно приблизительно судить по перепаду температуры в изоляции й,-. Должны соблюдаться условия:

для компаундированной изоляции

*136 (6„ + Л„)

для термореактивной изоляции

14

Число последовательно соединенных витков в фазе

Шаг обмотки должен иметь укорочение, равное при­ близительно 0,8т, для уничтожения в кривой э. д. с. 5-й гармоники. Таким образом,

У™ 0,8 2Zр '

Зная число витков в фазе и шаг обмотки, можно рас­ считать обмоточные коэффициенты и магнитный поток в машине.

Коэффициент укорочения

У

Z/2p ‘

Коэффициент распределения обмотки

, __ sin it/2/л

2тq

Обмоточный коэффициент

foil) -k^yfZy.

Магнитный поток в синхронной машине при холостом ходе при / = 50 Гц

Коэффициент &ф — определяется как указано в при­ ложении.

Индукции в отдельных участках магнитной цепи должны соответствовать при холостом ходе:

1-3. ВЫБОР ВОЗДУШНОГО ЗАЗОРА В ВЕРТИКАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯХ

В процессе эксплуатации синхронные двигатели для насосов не подвергаются перегрузкам со стороны на­ соса, поэтому нет необходимости в высоком перегрузоч­

15

ном моменте двигателя. Однако при эксплуатации двига* телей возможны значительные посадки напряжения в се­ ти (например, при пуске другого двигателя на этой же насосной станции). Кроме того, в некоторых случаях по режимным условиям энергосистемы двигатели долж­ ны работать с более высоким costp, т. е. с недовозбуждением. Учитывая эти обстоятельства, для обеспечения устойчивой синхронной работы, а также для облегчения условий синхронизации максимальный момент двигателя в синхронном режиме должен быть не менее 1,8 Мн. В двигателях, у которых номинальная частота вращения меньше 500 об/мин, такая величина максимального мо­ мента может быть получена при размере воздушного зазора меньшем, чем тот, который обеспечивает надеж­ ную работу вертикального двигателя. По условиям из­ готовления и монтажа у вертикальных синхронных двига­ телей воздушный зазор должен быть (0,0035 н-0,0045) D{ (большие значения относятся к машинам с п> >375 об/мин и машинам с разъемным статором).

Асинхронные двигатели потребляют из сети реактив­ ную мощность, требуемую для создания магнитного по­ тока в машине. Для уменьшения этой мощности и сни­ жения потерь в двигателе и в сети воздушный зазор должен быть минимальным. Размер воздушного зазора выбирается из конструктивных соображений и условий надежной работы, при которой исключалась бы возмож­ ность прилипания ротора к статору. В вертикальных ма­ шинах зазор должен быть несколько больше, чем в горизонтальных, из условий работы сегментных направ­ ляющих подшипников скольжения. В двигателях с мощ­ ностями 250—2500 кВт и частотами вращения 300— 1000 об/мин, имеющих подшипники скольжения, воздуш­

1-4. ВЫБОР РАЗМЕРОВ ПОЛЮСОВ И ОБМОТКИ ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Синхронные двигатели для привода насосов выпол­ няются с шихтованными полюсами, хотя, учитывая ча­ стые пуски, желательно, было бы иметь массивные полю­ сы, так как конструкция ротора при этом более надежна. Однако массивные полюсы имеют недостатки, которые ограничивают их применение для насосных двигателей.

16

Машины с массивными полюсами должны иметь увели­ ченный воздушный зазор, равный приблизительно ши­ рине паза, для снижения потерь на поверхности полюс­ ных башмаков от зубцовых гармонических поля. Это неэкономично, так как увеличивается масса обмотки возбуждения. Кроме того, в тихоходных двигателях

смассивными полюсами при

Высота полюсного башмака должна быть такой, что­ бы можно было разместить пусковую обмотку и чтобы механическая прочность башмака была достаточной при разгоне, который имеет место при отключении двигателя от сети. Насос при этом быстро тормозит двигатель и, пока сливается вода, заполнившая трубопровод, рабо­ тает как турбина, разворачивая двигатель в обратную сторону. Частота вращения при этом может достигнуть (1,3-г-1,5)п„. Высота полюсного башмака

hp= (0,15-ь0,2)6р.

Ширина полюсного сердечника Ът выбирается такой, чтобы индукция в сердечнике при холостом ходе была 1,4—1,6 Т. Ориентировочно

Ьт— (0,65-ь 0,7) 6р.

Высота сердечника полюса

ЧИТ, Ль>ЮГО й.

Шаг стержней пусковой обмотки 42 выбирается для уменьшения потерь в стали из условия

Диаметр демпферного стержня должен быть (0,4-f-

0,5) Д

Как уже упоминалось, двигатель должен иметь высо­ кий момент на подсинхронной частоте вращения, а мо­ мент при трогании с места может быть небольшим. Та­ кую характеристику имеют двигатели с пусковой обмот­ кой малого сопротивления.

Поэтому демпферные стержни, как правило, медные и короткозамыкающие сегменты также медные. Сечение сегмента

<7с^О,5 Яст<7ст,

где qот — сечение стержня.

Обмотка возбуждения выбирается после расчета маг­ нитной цепи и определения н. с. ротора при номинальной нагрузке. Задаваясь напряжением возбудителя 80— 120 В для двигателей мощностью 500—3200 кВт и 130— 230 В для больших мощностей (меньшие значения для быстроходных машин), вычисляют сечение обмотки ро­ тора

2,8FpPl

ния, м.

По сечению q выбирают размер прямоугольной го­ лой медной шины. При навивке полюсной катушки медь гнется на ребро (см. гл. 11), поэтому соотношение между сторонами сечения должно быть в пределах alb —0,06 н- 0,2, где а— йысота меди; b — ширина.

Размер меди по высоте а должен быть таким, чтобы при данной высоте полюса число витков в катушке было

18

не больше 60, а ток возбуждения для машин мощностью 3000—10 000 кВт не более 600 А. При этом можно ис­ пользовать серийно изготовляемые возбудители и стан­ дартную аппаратуру управления возбуждением.

Число витков катушки полюса

Здесь hm— высота сердечника полюса; /тиг == 2 0 2 5 — высота двух шайб, мм; 0,3 — толщина витковой изоля­ ции катушки, мм.

В двигателях мощностью более 10 000 кВт для ро­ торных катушек применяют медь специального профиля («топорик»), см. рис. 11-8. При этом улучшаются условия охлаждения, так как увеличиваются повецхность охлаждения и ко­ эффициент теплоотдачи.

Тепловая нагрузка (в Вт/см2 поверхности охла­ ждения может быть уве­ личена на 20—30%.

Выбранное .сечение ме­ ди должно быть провере­ но по нагреву. Ориенти­ ровочно температура об­ мотки может быть опре­ делена по удельной тепло­ вой нагрузке, Вт/см:

Ят = /26си/390,

где /-—плотность тока в

обмотке, А/мм2; &си — ши­

где и — коэффициент теплоотдачи, Вт/(см2-°С); k — ко­ эффициент, зависящий от /г/т; а и k определяются по кривым рис. 1-3.