Устройство, конструкция и разновидности синхронных машин

Устройство, конструкция и разновидности синхронных машин

Синхронной  машиной называется такая машина переменного тока, ротор которой вращается с такой же  скоростью,  что и магнитное поле,  создаваемое статорной многофазной обмоткой переменного тока, т.е. с синхронной скоростью

n1 = 60f/p.

Ту  часть  синхронной  машины,  в  которой  наводится  ЭДС,  принято  называть якорем. Электромагниты (полюса) вместе  с  замыкающим их  ярмом образуют полюсную систему, называемую индуктором. В синхронных машинах обычной конструкции статор служит  якорем,  ротор – полюсной  системой.  Основные  преимущества  конструкции с вращающимися  полюсами  заключается в том,  что в этом  случае  возможно  осуществить

более  надежную  изоляцию  обмотки  неподвижного  якоря,  более  просто  без  скользящих контактов,  соединить  ее  с  мощной  сетью  переменного  тока.  Указанные  преимущества особенно  существенны  для  синхронных  машин  на  большие  мощности  и  высокие напряжения.

Устройство  скользящих  контактов для подвода постоянного  тока к  вращающейся обмотке  возбуждения,  размещенной  на  полюсах,  не  представляет  затруднений,  так  как мощность,  подводимая  к  этой  обмотке,  составляет  небольшую  долю  номинальной мощности синхронной машины (0,3…2,0)% Рном. 

 Статор синхронных машин переменного тока, состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали, в пазах которого укладывается обмотка переменного тока, и станины — чугунного или сварного из листовой стали кожуха.

В выштампованные на внутренней поверхности сердечника пазы укладывается обмотка статора. Изоляция обмотки выполняется особо тщательно, так как машине приходится работать обычно при высоких напряжениях. В качестве изоляции применяют миканит и миканитовую ленту.

Рисунок 1 – Внешний вид статора синхронной машины (генератор) 

  При  частоте  вращения 1500  и 3000  об/мин  синхронную  машину,  как  правило, изготовляют с неявнополюсным ротором. Неявнополюсные конструкции применяются в быстроходных машинах, чтобы уменьшить механическую нагрузку на полюса.

На наружной поверхности массивной бочки,  изготовленного  из  стальной  поковки,  фрезеруются  пазы  прямоугольной  или трапециидальной  формы.  Обмотку  возбуждения,  выполненную  из  полосовой  меди,  в такой машине размещают в пазах и укрепляют немагнитными металлическими клиньями.

Лобовые  части  обмотки,  на  которые  воздействуют  значительные  центробежные  силы, крепят  с помощью массивных  кольцевых  бандажей.

При неявнополюсной конструкции обмотка возбуждения  укладывается в пазы сердечника индуктора, весьма похоже на обмотку роторов асинхронных машин с фазным ротором, с той лишь разницей, что между полюсами оставляется место, не заполненное проводниками (так называемый большой зуб).Для получения  в  воздушном  зазоре приблизительно  синусоидального  распределения  магнитной  индукции  обмотку

возбуждения  укладывают  в  пазы,  занимающие 2/3  полюсного  деления. 

Концы  обмотки  возбуждения  выводят  к  двум  контактным  кольцам,  расположенным  на  валу  и изолированным как друг от друга, так и от тела ротора.

Рисунок 2 – Схема устройства синхронной машины с неявнополюсным ротором 

Рисунок 3 – Общий вид неянополюсного ротора в сборе 

  Явнополюсный  ротор  используют  в тихоходных машинах с четырьмя  полюсами  и  более . Обмотку возбуждения в этом случае выполняют в виде катушек прямоугольного сечения,  размещенных на  сердечниках полюсов. Сердечник каждого полюса  выполняют массивным или в виде пакета, набранного из  листов  электротехнической  стали. С одной

стороны  он  имеет  шихтованный  полюсный  наконечник,  а  с  другой  стороны  прочно закреплен  на  ободе  ротора.  Полюсный  наконечник  обрабатывают  таким  образом,  что воздушный  зазор  между  ним  и  поверхностью  статора  получается  неравномерным:  он

минимален под  серединой полюса и максимален у  его краев. Неравномерный воздушный  зазор позволяет приблизить к  синусоиде распределение магнитной  индукции в воздушном 

зазоре.

Рисунок 4 – Схема устройства синхронной машины с явнополюсным ротором 

В  полюсных  наконечниках  явнополюсных  синхронных  двигателей  размещают стержни  пусковой  обмотки,  выполненной  из  материала  с  повышенным  удельным электрическим  сопротивлением (латуни).  Такую  же  обмотку (типа «беличья  клетка»), состоящую  из  медных  стержней  замкнутых  на  торцах  кольцами,  применяют  и  в

синхронных  генераторах.  Ее  называют  демпферной  обмоткой,  так  как  она  обеспечивает быстрое  затухание  колебаний  ротора,  возникающих  в  переходных  режимах  работы синхронной машины. В турбогенераторах роль демпферной обмотки выполняет массивное тело ротора, в котором при пуске и переходных процессах возникают вихревые токи.  
 
 

Рисунок 5 – Внешний вид явнополюсного ротора 
 
 

    К ободу ротора прикрепляются полюсы, на которые надеваются катушки возбуждения, соединяемые последовательно между собой. Концы обмотки возбуждения присоединяются к двум кольцам, укрепленным на валу ротора. На кольца накладываются щетки, к которым присоединяется источник постоянного напряжения. Обычно постоянный ток для возбуждения ротора дает генератор постоянного тока, сидящий на одном валу с ротором и называемый возбудителем. Мощность возбудителя равна 0,25—1% от номинальной мощности синхронной машины. Номинальные напряжения возбудителей 60—350 В.

Рисунок 6 – Схема возбуждения синхронной машины 

   Имеются также синхронные машины с самовозбуждением. Постоянный ток для возбуждения ротора получается с помощью селеновых выпрямителей, подключаемых к обмотке статора машины. В первый момент слабое поле остаточного магнетизма вращающегося ротора индуктирует в обмотке статора незначительную переменную э. д. с. Селеновые выпрямители, подключенные к переменному напряжению, дают постоянный ток, который усиливает поле ротора, и напряжение увеличивается. Применяется на синхронных  машинах  большой мощности. 

   Выполнение  обмотки  ротора  зависит  от  системы  охлаждения.

При конструировании  электрических машин и трансформаторов  большое внимание конструкторы обращают на вентиляцию машин. Для синхронных генераторов применяется воздушное и водородное охлаждение.

Воздушное охлаждение осуществляется при помощи вентиляторов, укрепленных на валу с обеих сторон ротора (для генераторов мощностью  от 1,5 до 50 тыс. кВт) или расположенных  под машиной в отверстии фундамента (для генераторов мощностью 100 тыс. кВт). Массы холодного воздуха, поступающие для вентиляции, во избежание загрязнения машины пылью проходят через фильтры.При замкнутой системе вентиляции машина охлаждается одним и тем же объемом воздуха. Воздух, пройдя через машину, нагревается и поступает в воздухоохладители, затем снова нагнетается в машину и т. д. Для целей охлаждения служит также система вентиляционных каналов, устроенных в отдельных частях машины. Наиболее эффективным способом охлаждения машины является водородное охлаждение. Водород, обладающий в 7,4 раза большей теплопроводностью, чем воздух, лучше отводит тепло от нагретых частей машины. Потери на трение о воздух при воздушном охлаждении составляют около 50°/о от суммы всех потерь в машине. Водород имеет удельный вес в 14,5 раза меньше, чем воздух. Поэтому трение о водород резко уменьшается. Водород способствует также сохранению изоляции и лаковых покрытий машины.

  В  современных  турбогенераторах  применяется   косвенное  охлаждение  водородом,  непосредственное внутреннее охлаждение водородом или водой.

При  непосредственном  внутреннем  охлаждении  проводники  имеют  внутренние каналы, по которым  проходит водород или вода. В этом случае тепло от меди отводится непосредственно  водородом  или  водой  из  активной  зоны  машины.  При  косвенном

охлаждении  тепловая  энергия  проходит  через  изоляцию  обмотки,  а  затем  отдается стальным частям машины и  водороду, заполняющему внутренний объем  турбогенератора.

Циркуляция  водорода  внутри  машины  осуществляется  за  счет  забора  водорода  в  зоне впуска газа и выброса его в горячей  зоне. В конструкции большинства турбогенераторов применяется  многоструйная  радиальная  система  охлаждения,  перемещение  водорода осуществляется с помощью вентиляторов, размещенных на роторе.

    Синхронные  машины  используют  главным  образом  в  качестве  источников электрической  энергии  переменного  тока,  их  устанавливают  на  мощных  тепловых, гидравлических и атомных электростанциях, а также на передвижных электростанциях и транспортных установках.  

Принцип действия

Двигательный  режим

Принцип действия синхронного двигателя основан  на взаимодействии вращающегося магнитного поля якоря и магнитного поля полюсов  индуктора. Обычно якорь расположен на статоре, а индуктор — на роторе. В мощных двигателях в качестве полюсов используются электромагниты (ток на ротор подаётся через скользящий контакт щетка - кольцо), в маломощных — постоянные магниты. Существует обращённая конструкция двигателей, в которой якорь расположен на роторе, а индуктор — на статоре (в устаревших двигателях, а также в современных криогенных синхронных машинах, в которых в обмотках возбуждения используются сверхпроводники.)

Запуск  двигателя. Двигатель требует разгона до частоты, близкой к частоте вращения магнитного поля в зазоре, прежде чем сможет работать в синхронном режиме. При такой скорости вращающееся магнитное поле якоря сцепляется с магнитными полями полюсов индуктора (если индуктор расположен на статоре, то получается, что вращающееся магнитное поле вращающегося якоря (ротора) неподвижно относительно постоянного поля индуктора (статора), если индуктор на роторе, то магнитное поле вращающихся полюсов индуктора (ротора) неподвижно относительно вращающегося магнитного поля якоря (статора)) — это называется «вошёл в синхронизм».

Для разгона  обычно используется асинхронный режим, при котором обмотки индуктора  замыкаются через реостат или  накоротко, как в асинхронной  машине. После выхода на скорость близкую  к номинальной (>95%) индуктор запитывают постоянным током.

В двигателях с  постоянными магнитами применяется  внешний разгонный двигатель.

Существуют комбинированные  варианты, в которых на роторе, вместе с постоянными или электромагнитами, установлены короткозамкнутые обмотки. Часто на валу ставят небольшой генератор постоянного тока, который питает электромагниты.

Также используется частотный пуск, когда частоту  тока якоря постепенно увеличивают  от 0 до номинальной величины. Или наоборот, когда частоту индуктора понижают от номинальной до 0, т.е. до постоянного тока.

Генераторный  режим

Обычно синхронные генераторы выполняют с якорем, расположенным  на статоре, для удобства отвода электрической  энергии. Поскольку мощность возбуждения невелика по сравнению с мощностью, снимаемой с якоря (0,3...2%), подвод постоянного тока к обмотке возбуждения с помощью двух контактных колец не вызывает особых затруднений. Принцип действия синхронного генератора основан на явлении электромагнитной индукции; при вращении ротора магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, сцепляется поочередно с каждой из фаз обмотки статора, индуцируя в них ЭДС. В наиболее распространенном случае применения трехфазной распределенной обмотки якоря в каждой из фаз, смещенных друг относительно друга на 120 электрических градусов, индуцируется синусоидальная ЭДС. Соединяя фазы по стандартным схемам «треугольник» или «звезда», на выходе генератора получают трехфазное напряжение, являющееся общепринятым стандартом для магистральных электросетей. 

Синхронные  генераторы

    Конструкция синхронного генератора определяется типом привода, в зависимости от этого различают турбогенераторы, гидрогенераторы и дизель-генераторы.

  Турбогенераторы – быстроходные  неявнополюсные машины (цилиндрический ротор)  выполняются,  как правило,  с двумя полюсами,  приводятся  во  вращение быстроходными паровыми  или  газовыми  турбинами (рисунок 7).

  Гидрогенераторы –  в

большинстве  случаев  тихоходные  явнополюсные  машины,  выполняемые  с  большим числом  полюсов  и  вертикальным  валом,  приводятся  во  вращение  гидротурбинами.