ГЛАВА III. УСТРОЙСТВО И МОНТАЖ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
§ 23. Классификация электрических машин
Устройство для преобразования механической энергии в электрическую называется генератором, а электрической энергии в механическую — двигателем. Машина, совмещающая функции электрического двигателя и электрического генератора, называется вращающимся преобразователем. Его назначение состоит в преобразовании параметров электрической энергии.
Рис. 72. Устройство синхронной машины:
1 — сердечник статора, 2 — обмотка статора, 3 — полюс ротора, 4 — контактные кольца, 5 —подшипниковый щит, 6 — подшипник (корпус), 7 — вал, 8 — станина
По роду тока различают машины постоянного и переменного тока.
По способу возбуждения машины постоянного тока могут быть параллельного, последовательного или смешанного возбуждения, а машины переменного тока — синхронными или асинхронными.
В общепромышленных установках преимущественное применение имеют машины переменного тока: синхронные—в качестве электрогенераторов, асинхронные — в качестве электродвигателей. Машины постоянного тока обычно предназначаются для специальных установок.
§ 24. Устройство синхронных машин.
Общие сведения.
Синхронной (рис. 72) называется машина переменного тока, ротор которой вращается с частотой, равной частоте вращающегося магнитного поля, созданного обмоткой статора, включенной в электрическую сеть. Частота вращения синхронной машины в установившемся режиме не зависит от ее нагрузки и определяется частотой тока f в обмотке статора и числом пар полюсов р машины: n=60f/p. В станину машины запрессован сердечник 1 статора, в пазах которого уложена трехфазная обмотка 2. В расточке сердечника статора размещен ротор. На валу ротора укреплены полюса 3 с обмотками возбуждения. Питание к обмоткам возбуждения подводится с помощью щеток, скользящих по кольцам 4, изолированным от вала и друг от друга. Вал опирается на подшипники, расположенные в подшипниковых щитах 5.
Для работы в качестве генератора достаточно подать постоянный ток в обмотки возбуждения и вращать вал от первичного двигателя с частотой вращения п, обеспечивающей частоту тока 50 Гц при имеющемся числе пар полюсов.
Рис. 73. Конструктивные схемы роторов синхронных машин:
а — явнополюсного, б — неявнополюсного
Рис. 74. Элементы сердечника статора:
а, б — формы заготовок для сборки сердечника статора, в — пакеты сердечника статора в сборе; 1 —нажимной палец, 2 — станина, 3 — ветреница, 4 — пакет сердечника, 5 — запорная шпилька, 6 —нажимное кольцо
Для работы в качестве двигателя необходимо подключить обмотку статора к трехфазной сети. При этом ротор придет во вращение и постепенно достигнет частоты вращения, близкой к частоте вращения поля статора. Далее необходимо подать постоянный ток в обмотку возбуждения. При этом произойдет сцепление полей ротора и статора, после чего частота вращения ротора станет неизменной и соответствующей частоте тока сети.
Синхронные машины выпускают с двумя конструктивными модификациями роторов. При сравнительно невысоких частотах вращения (до 1500 об/мин) широко применяют явнополюсные роторы, отличающиеся простотой конструкции и большими массами полюсов (рис. 73, а). При высоких частотах вращения применяют неявнополюсные роторы (рис. 73, б), так как явно выраженные полюса при вращении создают значительные центробежные силы, угрожающие прочности конструкции. В неявнополюсных роторах обмотку возбуждения распределяют по пазам ротора и надежно закрепляют.
Статор синхронной машины.
Станина синхронных машин имеет цилиндрическую форму и изготовляется литьем из серого чугуна, силумина; для крупных машин станину изготовляют из стальных листовых сварных конструкций. Внутри станина имеет продольные ребра, равномерно расположенные по внутренней ее поверхности. Между этими ребрами запрессован сердечник статора.
Сердечник статора (рис. 74) изготовляют шихтовкой колец или сегментов, штампованных из электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Внешняя окружность колец и сегментов имеет выступы или впадины для фиксации их в ребрах станины при сборке. По внутренней окружности заготовок сердечников равномерно распределены пазы, в которых после сборки сердечника располагают активные проводники обмотки статора.
Рис. 75. Типы пазов статоров: а — полузакрытый, б — полуоткрытый, в — открытый
В статорах синхронных машин обычно применяют различные типы пазов: полузакрытый, полуоткрытый и открытый (рис. 75). При сборке сердечника между пакетами 4 (см. рис. 74, в) прокладывают листы с приваренными дистанционными прокладками-ветреницами 3 и таким образом создают вентиляционные каналы. К крайним листам приваривают нажимные пальцы 1. Затем сердечник статора в сборе прессуют между нажимными кольцами 6 и фиксируют в станине 2 запорной шпилькой 5. Нажимные пальцы и ветреницы приваривают так, чтобы сохранить прессовку в зубцовой зоне сердечника и создать в вентиляционных каналах вихревые потоки воздуха.
Ротор синхронной машины.
Сердечник явнополюсного ротора (рис. 76) состоит из полюсов 5 и ярма 2, укрепленных на корпусе 76. Полюса набирают из листов обычной листовой стали Ст 3 толщиной 1 —1,5 мм и прессуют между литыми или коваными нажимными щеками 4 с помощью шпилек 15. Иногда вместо шихтованных применяют литые полюса, что оказывается возможным из-за отсутствия сильных переменных магнитных полей в зоне их расположения.
Рис. 76. Устройство явнополюсного ротора:
1 — отвод обмотки возбуждения, 2 — пакет ярма ротора, 3 — вентиляционный канал, 4 — нажимная щека полюса, 5 — полюс, 6 — обмотка возбуждения, 7 — замыкающее кольцо успокоительной обмотки, 8 — стержень успокоительной обмотки, 9 — обмотка статора, 10 — нажимное кольцо статора, 11 — нажимной палец, 12 — пакет статора, 13 — станина, 14 — ребро-клин, 15 — шпилька, 16 — корпус ротора, 17 — клин, 18 — хвостовик полюса ротора
Ярма роторов машин малой и средней мощности выполняют массивными. В этом случае полюса крепят к ярму радиальными болтами. В машинах большой мощности ярма выполняют шихтованными из штампованных листов стали Ст 3 толщиной до 6 мм или из листов толщиной до 100 мм. Из листов образуют пакеты 2, разделенные каналами 3, и прессуют стяжными шпильками. Полюса соединяют с ярмом креплением Т-образных хвостовиков 18 в пазах ярма клиньями 17. Если диаметр ротора превышает 2—4 м, ярма изготовляют из сегментов, прессуемых шпильками на сварном ободе. Обод жестко связан спицами со втулками, а втулки насажены на вал. На каждом полюсе установлена катушка 6 обмотки возбуждения. Выводы 1 от обмотки возбуждения соединены с контактными кольцами.
В круглых пазах на поверхности полюсов уложены стержни 8 проводников успокоительной (демпферной) обмотки ротора, замкнутые на торцах накоротко кольцами 7. Роль успокоительной обмотки сводится, в основном, к уравновешиванию магнитодвижущей силы (мдс) обратной последовательности. Она возникает при несимметричной нагрузке генератора и создает в роторе дополнительные потери и вибрацию двойной частоты по сравнению с частотой тока.
Успокоительная обмотка по отношению к мдс обратной последовательности играет роль замкнутой накоротко вторичной обмотки трансформатора тока. Эта обмотка создает вторичную мдс, почти полностью уравновешивающую первичную. Таким образом, успокоительная обмотка устраняет дополнительные потери и нагрев в роторе, а также вибрации, возникающие при несимметричной нагрузке генератора. Кроме того, успокоительная обмотка создает асинхронный момент, подобный вращающему моменту асинхронного двигателя, который улучшает условия работы машины при выпадении из синхронизма.
Рис. 77. Устройство неявнополюсного ротора:
1 — бочка ротора, 2 — обмотка ротора, 3 — большой зуб, 4 — осевой канал, 5 — паз ротора, 6, 7 —стальные клинья, 8 — осевой охладительный канал, 9 — бандаж, 10 — центрирующее кольцо, 11 —контактные кольца, 12 — соединительный проводник
Неявнополюсный ротор (рис. 77) представляет собой цельную массивную цилиндрическую поковку, в которой сердечник ротора совмещен с валом. Для изготовления ротора применяют углеродистую сталь, если его диаметр не превышает 800 мм. При больших диаметрах для повышения механической прочности конструкции используют специальную легированную сталь. Вообще по условиям механической прочности при частоте вращения 3000 об/мин диаметр бочки не должен быть более 1300 мм. Допустимый прогиб ротора ограничивает возможную длину его активной части значением 8000 мм.
Неявнополюсный ротор подвергается токарной обработке, в процессе которой высверливается осевой канал 4 диаметром до нескольких сотен миллиметров. Осевой канал необходим для удаления загрязненной части отливки, контроля качества поковки и уменьшения внутренних напряжений в металле. Наружная поверхность бочки 1 имеет винтовую канавку глубиной и шириной около 5 мм для улучшения условий охлаждения. По образующим активной части профрезерованы пазы 5 и аксиальные каналы 8 в большом зубе 3, свободном от обмотки. Пазы 5 с обмоткой 2 и аксиальные каналы забиты стальными клиньями 6, 7. Выводы обмотки возбуждения соединены с контактными кольцами. Лобовые части обмотки укреплены бандажами 9 из высокопрочной немагнитной стали. Бандажи опираются на центрирующие кольца 10, которые выполняют упругими. Роль успокоительной обмотки в неявнополюсных роторах выполняют клинья пазов, замкнутые массой ротора и бандажами.
