Основные данные трехфазных гидрогенераторов завода «Электросила»

кв • а	кв	cos <pH	%	2р	V об/мин	Da,CM	1, см	т, см	б, см	А, а/см	тл	°t- m	ке/кв ■ а	Gn,m	Гидроэлектростанция
2 700	10,5	0,8	96,9	40	150	690	75	54,2	1,3	542	0,607	291	10,8	390	Комсомольская
44 000	10,5	0,85	97,0	32	187,5	588	ПО	57,8	15	590	0,780	327	7,45	410	Нива III
50000	15,75	0,8	96,7	88	68,2	1047,5	145	37,4	1,7	482	0,740	834	16,7	1500	Верхне-Свирская
52 000	10,5	0,8	97,0	68	88,2	972	120	45,0	1,5	500	0,768	520	10,0	1200	Нарвская
66 000	10,5	0,85	97,4	16	375	390	210	76,5	2,0	534	0,779	360	5,45	480	Гюмушская
68 750	10,5	0,8	97,6	14	428,6	350	210	78,5	2,0	620	0,758	310	4,50	435	Храмская
71500	13,8	0,8	96,7	96	62,5	1292	150	42,3	2,0	504	0,674	1076	15,0	2000	Горьковская
103 500	13,8	0,8	97,5	72	83,3	1100	ISO	48,0	1,8	610	0,702	986	9,52	1030	Усть-Каменогорская
117 650	13,8	0,85	97,5	96	62,5	1430	170	46,8	2,3	553	0,720	1170	9,95	2800	Боткинская
123 500	13,8	0,85	97,4	88	68,2	1430	200	51,0	2,3	436	0,765	1257	10,2	3400	Куйбышевская
264 700	15,75	0,85	98,2	48	125	1100	250	71,9	2,5	708	0,729	1300	4,9	1400	Братская
590 000	15,75	0,85	98,2	64	93,8	1610	175	79,1	2,6	1228	0,865	1650	2,8	2600	Красноярская

постоянным током обмотку возбуждения гидрогенератора. В крупных машинах возбудитель нередко заменяют вспомогательным синхронным генератором, который служит как для возбуждения (вместе с ртутными выпрямителями или возбудительными агрегатами, состоящими из двигателя переменного тока 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. 19-13). В первом случае

Рис Ш-13 Конструктивные схемы вертикальных гидрогенераторов подвесного (с) и зонтичного (б) исполнения

/ — верхний направляющий подшипник, 2 — нижний направляющий подшипник,

3 — фланец вала, 4 — турбина, 5 — нижняя крестовина, 6 — ротор, 7 — верхняя

крестовина, 8 — подпятник, 9 — фундамент, 10 — направляющий подшипник, // —

направляющий подшипник турбины, 12 — нижняя крестовина

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 скорость 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 у г о н н а я, скорость может в два и более раз превы-мить номинальную Поэтому механическая прочность машины рассчитывается на эту скорость.

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

Неявнополюсные синхронные машины имеют цилиндрический ротор, выполняемый обычно из массивной стальной поковки. В роторе фрезируются пазы для укладки обмотки возбуждения. Эти машины выпускаются с числом полюсов 2р = 2 и 2р = 4 и имеют поэтому большие скорости вращения (при / = 50 гц соответственно 3000 и 1500 обIмин). Изготовление крупных машин с такими скоростями вращения при явнополюсной конструкции по условиям механической прочности ротора и крепления его полюсов и обмотки возбуждения невозможно.

Основными представителями неявнополюсных машин являются турбогенераторы (рис. 19-14), т. е. синхронные генераторы, предназначенные для непосредственного соединения с работающими на тепловых электростанциях паровыми турбинами. В настоящее время большинство турбогенераторов выполняется двухполюсными, так как паровые турбины являются в принципе быстроходными машинами и при больших скоростях вращения их технико-экономические показатели выше. Однако для атомных электростанций с водо-водяными реакторами выпускаются также четырехпо-люсные турбогенераторы.

Таблица 19-3 Основные данные турбогенераторов на 50 гц и 3000 об/мин

Тип	Мет	u*.v Кв	cosq>a	V %	оаам	/, СМ	6, см	V, м/сек	А, а/см	Bs- тл	°е т
Т2-1.5-2	1,5	6,3	0,8	95,1	50	100	1,4	74	460	0,634	10,4
Т2-6-2	6	6,3	0,8	96,4	70	135	13	104	450	0,770	29
Т-2-12-2	12	10,5	0,8	97,1	77	190	2,1	114	573	0,740	40,3
Т2-25-2	25	10,5	0,8	97,6	87	270	2,8	128	680	0,750	69,6
ТВ-2-30-2	30	10,5	0,8	98,3	87	270	2,8	128	815	0,750	91,0
ТВ-2-100-2	100	13,8	0,85	98,78	109,5	525	4,75	157	773	0,765	256
ТВ-2-150-2	150	18,0	0,9	98,9	120	625	6,25	169	766	0,81	360
ТВФ-60-2	60	10,5	0,8	98,5	103,0	280	5,0	146	917	0,827	130
ТВФ-100-2	100	10,5	0,85	98,3	112,8	310	6,4	157	1095	0,822	175
ТВФ-200-2	200	11,0	0,85	98,53	122	545	7,25	169	1160	0,834	340
ТВВ-150-2	!50	18,0	0,85	98,4	117,0	380	8,5	157	1295	0,812	200
ТВВ-200-2	200	15,75	0,85	98,5	123,5	430	8,0	169	1335	0,850	220
ТВВ-300-2	300	20,0	0,85	98,6	126,5	600	9,5	169	1380	0,848	350
ТВВ-500-2	500	20J)	0,85	98,75	131,5	635	9,5	177	1975	0,85	389
ТВВ-800-2	800	24,0	0,9	98,15	.140,0	720	10,0	188	2045	0,96	577

Основные данные ряда выпущенных в СССР двухполюсных турбогенераторов приведены в табл. 19-3, в которой v означает линейную скорость на поверхности ротора при

Рис. 19-14 Турбогенератор с поверхностным водородным охлаждением 30 Мет, 10 500 в, 3000 об/мин

1 — сердечник статора, 2 — сварной корпус статора, 3 — газоохладитель, 4 — наружный щит, 5 — внутреннии щит, 6 — осевой вентилятор, 7 — обмотка статора, 8 — подшипниковый стояк с подшипником, 9 — контактные кольца, 10 — возбудитель, II — выводы

обмотки статора, 12 — ротор

Рис. 19-15. Необмотанный ротор турбогенератора мощностью 320 000 кет

нпгтк!>⁹"^ппп^ЦеВаЯ/^{ЧаСТЬ обмотанного} Ротора турбогенератора мощностью 320 000 кет (с лобовыми частями обмотки возбуждения и без

бандажа)

Роторы турбогенераторов большой мощности (рис. 19-15) изготовляются из цельных поковок высококачественной хромоникеле-вой или хромоникельмолибденовой стали. Однако и при этом предельный диаметр активной части ротора при п_н = 3000 об/мин по условиям механической прочности из-за больших центробежных сил не может превышать 1,20—1,30 м. В связи с этим 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 возможная активная длина ротора составляет 1я* 7,5—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 (рис. 19-16) и закрепляется в пазах (рис. 19-17) немагнитными металлическими клиньями (дюралюминий и т. д.), которые обладают требуемой механической прочностью и воспринимают весьма большие центробежные силы обмотки возбуждения. Немагнитные клинья предотвращают возникновение больших магнитных потоков рассеяния, замыкающихся вокруг лазов через клинья и вызывающих излишнее насыщение зубцов и уменьшение полезного потока, проходящего через воздушный зазор в статор. Примерно одна треть каждого полюсного деления ротора свободна от пааов и составляет так называемый большой зуб. Обмотки ротора имеют миканитовую мли другую изоляцию класса В или F. Лобовые части обмотки ротора закрываются прочным кольцеобразным стальным бандажом (рис. 19-18), рассчитанным на действие центробежных сил лобовых частей обмотки и самого бандажа. Весьма серьезной является проблема охлаждения Tyj)6ore-нератора.

Рис 19 17. Паз ротора турбогенератора завода «Электросила» с внутренним, охлаждением -проводников водородом

/ — клин, 2 и 7 ~ стек-лотекстолитовые прокладки, 3 — медный проводник, 4 — вентиляционной канал, 5 — витковая изоляция (стеклотекстолит), в — пазовая изоля ционная гильза (стекло? текстолит), 8 — отверстие для забора (выброса) во дорода иа зазора между статором и ротором

Турбогенераторы мощностью до 30 тыс. кет выполняются с замкнутой системой воздушного охлаждения, а При Р_в 5= 30 тыс. кет воздушная охлаждающая среда заменяется водородом с избыточным давлением около 0,05 атм во избежание засасывания воздуха через уплотнения и образования гремучей смеси. Применение водорода позволяет усилить съем тепла, повысить мощность при заданных размерах машины и уменьшить вентиляционные потери.

Рис. 19-18, Собранный ротор турбогенератора мощностью 320 000 кет

В обоих случаях схема вентиляции одинакова (рис. 19-14 и 19-19). Воздух (или водород) при этом Засасывается двумя вентиляторами, установленными по обоим концам вала внутри машины, распределяется по отдельным струям и омывает лобовые части обмоток статрр|; и ротора, стенки радиальных каналов сердечника статора, внешнюю поверхность ротора и внутреннюю поверхность сердечника статора.

В центральной части машины холодный воздух по одним группам радиальных каналов сердечника статора проходит от его внешней поверхности к воздушному зазору между Статором и ротором и по другим группам радиальных каналов возвращается к внешней поверхности статора. Пространство между внешней поверхностью сердечника статора и корпусом (кожухом) статора разделено в- осевом направлении стенками, перпендикулярными линии вала, на ряд камер холодного и горячего воздуха. В камеры холодный воздух поступает от вентиляторов, а нагретый воздух из

нижней части машины отводится к водяным охладителям, которые при воздушном охлаждении устанавливаются в фундаменте турбогенератора, а при водородном охлаждении — внутри корпуса машины. Подобная система вентиляции называется многоструйной радиальной. Для лучшего охлаждения ротора на его поверхности протачивают по винтовой линии канавки шириной и глубиной до 5—6 мм (см. рис. 19-16).

Создание турбогенераторов с Р_а > 150 000 кет требует дальнейшей интенсификации методов охлаждения. При этом идут

Рис. 19-19 Схема замкнутой системы вентиляции турбогенератора I — вентиляторы; 2 — газоохладители; 3 — зоны лобовых частей обмотки статора

по пути увеличения давления водорода в корпусе до 3—5 атм, При дальнейшем увеличении мощности (Р_н ^ 300 тыс. кет) необходимо перейти к наиболее эффективному способу съема тепла — к внутреннему охлаждению проводников обмоток водородом или водой. Для этой цели применяются полые проводники или в случае охлаждения водородом также проводники с боковыми вырезами для образования вентиляционных каналов (см. рис. 19-17). Водород для охлаждения проводников ротора в турбогенераторах завода «Электросила» забирается через специальные тангенциальные отверстия в клиньях ротора (см. рис. 19-16 и 19-17) и выпускается через такие же отверстия, направленные в обратную сторону и расположенные на другом участке по длине ротора (см. рис. 19-16). Движение водорода по каналам при этом обеспечивается напором, создаваемым в результате вращения ротора. При Р_ц ^ 500 000 кет иногда переходят к охлаждению полых проводников ротора водой. Обмотки статоров турбогенераторов выполняются с внутренним охлаждением проводников водой при Р_н ^ 300 000

(рис. 19-20, на котором видны трубки для подвода и отвода воды у лобовых частей обмотки).

Выше указаны номинальные мощности турбогенераторов, при которых необходимо переходить к более интенсивным способам охлаждения, так как в противном случае достижение этих мощностей при наибольших допустимых размерах машины невозможно. Однако переход к более интенсивным способам охлаждения целесообразен и при меньших мощностях, так как это позволяет умень-

Рис. 19-20. Статор турбогенератора с двухслойной обмоткой, охлаждаемой водой

шить размеры машины, ее вес и стоимость. Этот путь в последнее время и используется на практике. Отметим, что непосредственное охлаждение обмоток водой начинают применять также в мощных гидрогенераторах.

Предельная мощность турбогенератора при внутреннем водяном охлаждении ротора составляет 2000—2500 Mem. При переходе к еще большим мощностям необходимо использовать криогенные турбогенераторы, в которых применяются сверхпроводниковые обмотки возбуждения и чья конструкция весьма существенно отличается от конструкции обычных турбогенераторов.

С неявнополюсными роторами изготовляются также мощные синхронные двигатели при 2р = 2. По аналогии с турбогенераторами такие двигатели называют иногда также турбодвигателями или турбомоторами,

§ 19-4. Особенности устройства многофазных коллекторных машин переменного тока

В разное время был разработан целый ряд различных разновидностей трехфазных коллекторных машин переменного тока. Однако в основе действия каждой из них лежит действие коллектора как преобразователя частоты, благодаря чему частота тока во внешней цепи ротора, за коллектором, не зависит от скорости вращения ротора и всегда равна частоте тока статора. Это обстоятельство в свою очередь позволяет осуществлять электрическую связь цепей статора и ротора и путем видоизменения этой связи

придавать машине особые свойства в отношении регулирования скорости вращения и т. д.

Типичная конструкция трехфазной коллекторной машины включает в себя: 1) статор с трехфазной обмоткой, аналогичный статору асинхронной или синхронной машины; 2) ротор, аналогичный якорю машины постоянного тока, и с такой же обмоткой, соединенной с коллектором. На коллекторе на каждом двойном полюсном делении вместо двух щеточных пальцев, как у машины постоянного тока, устанавливаются три щеточных пальца, причем щетки щеточных пальцев каждой фазы соединяются с помощью перемычек параллельно, как и в машине постоянного тока. Кроме того, на статоре и роторе могут быть и некоторые дополнительные обмотки. Соединенная с коллектором замкнутая якорная обмотка при установке на коллекторе, как указано выше, трехфазного комплекта щеток, сдвинутых относительно друг друга на 120.° эл. (рис. 19-21), представляет собой трехфазную обмотку, соединенную в треугольник. Токи через щетки А, В, С равны разностям токов фаз i_a, i_b, i_L. При вращении якоря положение каждой фазы обмотки неизменно и секции обмотки переходят поочередно из одних фаз в другие. При установке шестифазного комплекта щеток, сдвинутых относительно друг друга на 60° эл., получается шестифазная обмотка, соединенная в многоугольник.

Поясним работу коллектора как преобразователя частоты.

На рис. 19-22 схематически изображена машина постоянного

тока. Когда ее щетки и полюсы неподвижны (п_щ = n<» = 0), а якорь

вращается со скоростью п, то в обмотке якоря индуктируются

э. д. с. (ток) частоты

f, = pn.                                    (19-13)

в то время как во внешней цепи якоря и щеток частота /_щ = 0. Таким образом, в данном случае коллектор превращает ток с частотой /_я внутри якоря в ток с частотой /_щ = 0 во внешней цепи или наоборот.

Если теперь с помощью подходящего механизма привести щетки во вращение со скоростью я_щ, то полярность щеток будет меняться с частотой

/_щ = рл_щ                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  (19-14)

и во внешней цепи получим ток частоты /_щ. Таким образом, теперь коллектор преобразовывает ток с частотой /_я внутри якоря в ток с частотой /_щ Ф О во внешней цепи или наоборот. Очевидно, что частота /_щ во внешней цепи не изменится, если вместо щеток вращать полюсы со скоростью Пф = п_щ. При этом изменятся лишь частота в самой обмотке якоря

и величина индуктируемой в ней э. д.с. Такое преобразование частот будет происходить и тогда, когда вместо машины постоянного тока с вращающимися полюсами будем иметь статор многофазной машины переменного тока, который питается током с частотой /; и создает магнитное поле со скоростью вращения

Подставив п_Ф = п_т из (19-16) в (19-14), получим [_щ — /₁₍ т. е. частоты тока статора и тока внешней цепи ротора равны, как это и указывалось в начале данного параграфа.

Таким образом, частота на щетках многофазной коллекторной машины определяется скоростью вращения магнитного потока относительно неподвижных щеток.

Отметим, что знак плюс в выражении (19-15) относится к случаю встречных направлений вращения ротора и поля, а знак минус — к случаю согласных направлений их вращения.

Особенности работы различных видов коллекторных машин переменного тока весьма индивидуальны и здесь не рассматриваются.