КОНТРОЛЬ МАГНИТНОЙ СИММЕТРИИ
Магнитную симметрию можно определить как равенство магнитных индукций в соответствующих точках под всеми полюсами ЭМ. Она обеспечивается равенством МДС намагничивающих обмоток и равенством магнитных сопротивлений путей, по которым проходят магнитные потоки.
Под магнитным сопротивлением понимается отношение Rм =F/B, где F — намагничивающая сила, а В — индукция на определенном участке магнитопровода. Значения Rм в сильной степени определяются значением воздушного зазора между статором и ротором, а при составных роторах (синхронные ЭМ с явно выраженными полюсами и др.) ив сегментированных статорах — также и воздушных зазоров в стыках элементов магнитопроводов.
Напомним, что при индукции 1 Тл падение НС на единицу длины потока по воздуху в 50—300 раз больше, чем на ферромагнитных участках магнитопровода. При индукции в зубцах 2 Тл это отношение уменьшается до 6—8.
Контроль магнитной симметрии должен включать контроль равенства чисел витков аналогичных обмоток по полюсам, контроль значения и симметрии воздушного зазора статор—ротор, а для электрических машин с составными статорами и роторами (поскольку прямой контроль зазоров в стыках невозможен) — контроль значений магнитных потоков полюсов.
Магнитная несимметрия при максимальных и минимальных значениях этих потоков
(2.7)
2.3.1. Контроль значения и равномерности воздушного зазора. Несимметрия воздушного зазора характеризуется относительной неравномерностью (ГОСТ 10169-77):
(2.8)
где bмх и bmin — максимальное и минимальное значения зазора.
Обеспечение малых значений eg (не более 15%) является обязательным для достижения хороших показателей ЭМ.
Неравномерность воздушного зазора может быть следствием отклонения внутренней поверхности статора и поверхности ротора от цилиндрической или следствием смещения оси вращения ротора относительно оси статора (статический эксцентриситет) и относительно оси поверхности ротора (динамический эксцентриситет).
Для электрических машин со штампованными листами стали ротора и статора неравномерность воздушного зазора определяется в основном эксцентриситетом, причем зазоры bтах и bmin располагаются по одному диаметру:
(2.9)
где еbс — статический эксцентриситет; еbд — динамический эксцентриситет.
В ЭМ постоянного тока ?gc вызывает постоянные по направлению и значению приложенные к якорю силы одностороннего магнитного тяжения, токи в уравнительных соединениях обмоток якорей, ухудшение коммутации.
В ЭМ с вращающимся полем ?gc вызывает появление сил одностороннего магнитного тяжения постоянного направления, значение которых изменяется с частотой 2f (f — частота тока в сети). Эти силы вызывают шум и вибрацию ЭМ, особенно сильную при несимметрии питающего напряжения [3.11].
В зависимости от значения ?gc эти силы могут достигать весьма больших значений, что приводит к снижению срока службы подшипников качения и ухудшению динамических свойств роторных систем (снижению критических скоростей).
Динамический эксцентриситет в ЭМ постоянного тока и синхронных вызывает появление сил одностороннего магнитного тяжения, вращающихся (гак же как силы небаланса) вместе с ротором с частотой f1 = п/60, вибрацию ЭМ, модуляцию напряжения. В асинхронных электрических машинах е^д вызывает изменения уровней вибрации и шума с частотой скольжения (так же как дефекты клетки КЗ ротора). Значение е^д обычно невелико, особенно в тех случаях, когда предусматривается механическая обработка (например, шлифовка) ротора; е^д может иметь существенное значение в составных роторах.
Контроль значения и равномерности воздушного зазора проводится с помощью набора щупов. В конструкции электрических машин должны предусматриваться соответствующие отверстия в щитах. Проведение замеров требует определенных навыков, чтобы избежать погрешностей, связанных с наличием пазовых клиньев (особенно при скошенных пазах), натеков лака и т. п.
Для электрических машин массовых серий небольшой мощности контроль воздушного зазора проводится по значению тока холостого хода. Контроль эксцентриситета проводится выборочно путем оценки размеров деталей, определяющих значение зазора. Для крупных электрических машин (5 > 10 мм) для контроля δ и eg применяются специальные раздвижные щупы. Существуют электромагнитные щупы [0.11] (рис. 2.7), в которых имеются намагничивающая обмотка, через которую пропускается переменный гок постоянного значения, и измерительная обмотка, ЭДС которой обратно пропорциональна значению воздушного зазора.
Рис. 2.7. Электромагнитный щуп:
1 — обмотка возбуждения; 2 - измерительная обмотка
Для многополюсных синхронных электрических машин с явно выраженными полюсами измерение δ проводится под центром трех-четырех полюсов, сдвинутых соответственно на угол 120 и 90° друг от друга при последовательных поворотах ротора на указанный выше угол (до полного оборота).
Полученные при этом замеры дают возможность определить раздельно статический эксцентриситет как разность зазоров под одним полюсом ротора при его повороте и динамический эксцентриситет как разность зазоров в одной точке статора при повороте ротора.
Для определения эксцентриситета используются максимальные значения, полученные указанным выше способом, и вычисляется средний зазор.
Определение симметрии магнитных потоков.
Симметрия обмоток и воздушного зазора не гарантирует, как указывалось выше, равенства потоков полюсов в ЭМ постоянного тока и синхронных с составными роторами, возбуждаемыми обмотками постоянного тока (при 2р > 4). Для проверки равенства потоков могут быть использованы различные метода измерения индукции и потока. Следует, однако, иметь в виду, что определению подлежит небольшая разность потоков полюсов.
Измерить эту разность можно при неподвижном состоянии электрических машин с помощью, например, двух последовательно включенных измерительных обмоток, намотанных на края полюсных наконечников и присоединенных к флюксметру. Включая и выключая ток возбуждения, можно непосредственно измерить разность потоков (см. гл. 3). Измерить разность потоков полюсов можно и путем осциллографирования ЭДС проводника, размещенного на поверхности статора при вращении возбужденного ротора. Неравенство потоков полюсов вызывает в этом случае изменение амплитуды ЭДС с частотой n/60 Гц, так называемую модуляцию напряжения. Здесь также, учитывая малые величины модуляции, следует обеспечить непосредственное ее измерение (гл. 3).
Магнитное уравновешивание.
В связи с весьма большим значением суммарных магнитных сил, действующих на полюсы роторов синхронных электрических машин, даже небольшая асимметрия потоков вызывает появление приложенной к ротору и вращающейся вместе с ним силы, во много раз превышающей допустимую силу от небаланса ротора. При наличии определенной (неодинаковой по осям X и Y) податливости конструкции статора и системы ротор — опоры эти силы вызывают, так же как и небаланс ротора, вибрацию с частотой вращения.
Если балансировка ротора ЭМ производится на собранной электрической машины в режиме двигателя при напряжении, близком к номинальному, то в конечном счете, хотя это и вызывает некоторые затруднения при определении значения и места установки балансировочных грузов, сила магнитной неуравновешенности, как и сила от механического небаланса, компенсируется центробежной силой уравновешивающих грузов.
Однако такое равновесие имеет место лишь при одном значении магнитного потока и тока возбуждения. При регулировании (изменении тока возбуждения в эксплуатации) возникает сильная вибрация с частотой вращения, являющаяся признаком магнитной неуравновешенности [2.10]. Для ее исключения необходимо производить раздельное механическое и магнитное уравновешивание. Механическое уравновешивание роторов в собранной электрической машины должно производиться при минимально возможных напряжении и токе возбуждения; магнитное — при наибольших допустимой ЭДС и токе возбуждения. Технология магнитного уравновешивания та же, что и механического [2.11].
При механическом уравновешивании после измерения значения и определения фазы вибрации опор в определенную точку ротора вносится пробный груз с известной массой и определяются изменение значения и фаза вибрации, что дает возможность определить место установки и массу необходимого балансировочного груза. При магнитном уравновешивании вместо внесения пробного груза производится выключение (замыкание) одного витка в катушке определенного полюса ротора. По изменению фазы и значению вибрации находится катушка, в которой следует выключить виток (витки) для обеспечения магнитного уравновешивания (выключение витков всегда возможно, поскольку имеется возможность это сделать в одной из двух точек по диаметру ротора). По этим данным изготавливается специальная катушка.
Разумеется, магнитное уравновешивание должно производиться после контроля и выравнивания зазоров под отдельными полюсами. Качество магнитного уравновешивания, кроме контроля зависимости уровня вибрации от тока возбуждения, можно проверить на неподвижной электрической машины, измеряя индикатором с ценой деления 1—10 мкм смещение вала ротора при включении тока возбуждения.
Контроль ЭДС вала.
Неравенство магнитных сопротивлений Rм ярма статора и ротора под отдельными парами полюсов и эксцентриситет воздушного зазора приводят к несимметрии магнитных потоков Ф. в ярме, которую можно рассматривать как появление охватывающего вал кольцевого магнитного потока, накладывающегося на симметричную систему этих потоков.
Рис. 2.8. Несимметрии магнитных потоков в ярме:
а - из-за различного магнитного сопротивления стыков; б - из-за повышенного значения магнитного сопротивления стыков; в - из-за эксцентриситета ротора
В то время как симметричная система потоков Ф. (сумма Ф. при обходе ярма равна нулю) не создает ЭДС в контуре, образованном валом (опорами) корпусом ЭМ, изменяющийся при вращении ротора по значению и направлению кольцевой поток (при несимметрии Ф.) создает ЭДС 2ГВЛ, которая может быть измерена на концах вала. При значениях Евл > 2 В масляная пленка в подшипниках может быть пробита и через них пройдет ток, вызывающий разрушение рабочих поверхностей.
Для электрических машин, у которых активная сталь статора или ротора собрана из сегментов, причиной появления таких потоков может быть неправильный выбор числа сегментов, высокое RM стыков сегментов. При высоких индукциях причиной их могут быть также уменьшения сечения ярма: наличие вентиляционных и других каналов, вырубок под шпонки и т. д. Возникновение несимметрии потоков в ярме статора явнополюсной электрической машины поясняет рис. 2.8, я—в.
В крупных электрических машинах, где Евл может достичь указанного выше значения, для исключения подшипниковых токов опоры ротора изолируются от фундаментной плиты, корпуса и от других элементов конструкции (например, трубопроводов). Измерение сопротивления этой изоляции и ЭДС вала производится в соответствии с рис. 2.9. Вал через меднографитную щетку соединяется с корпусом (при этом шунтируется сопротивление масляной пленки неизолированной опоры), измеряется напряжение на изоляции опоры Ux и с помощью медно-графитных щеток измеряется ЭДС вала и2(Еъл). При исправной изоляции они должны быть равны. Если эго не имеет место, приводится в порядок изоляция опоры и снова измеряются Ux и U2. Для измерения Евл не следует применять вольтметры с высоким входным сопротивлением, например электронные, так как они могут давать увеличенные показания из-за различных наводок, не влияющих на значения подшипниковых токов.
Рис. 2.9. Измерение ЭДС вала и проверка изоляции подшипников
Заметим, что если для электрических машин с частотой 50 Гц Евп может достигать опасных значений для относительно крупных электрических машин (Рн > 500 кВт), то для электрических машин с повышенными частотами (400 Гц) такая опасность возникает уже для электрических машин мощностью > 50 кВт. Для измерения Еъл в таких ЭМ следует изолировать наружное кольцо подшипника качения от щита. Наличие текущих через вал подшипниковых токов можно обнаружить, измеряя ЭДС неподвижной обмотки, намотанной вокруг вала. Контроль ЭДС вала должен проводиться систематически.
Для установления причин возникновения повышенных Евл нужно определить ее гармонический состав — значения 1,3 и 5-й гармонических составляющих в зависимости от тока возбуждения. Если зависимость Евл от тока возбуждения имеет максимум, после которого она начинает снижаться, то причиной является эксцентриситет ротора. Снижение Евл с ростом тока возбуждения объясняется насыщением зубцов, приводящим к увеличению эффективного среднего воздушного зазора и уменьшению тем самым относительного эксцентриситета. Если с ростом тока возбуждения резко возрастают 3-я и 5-я гармонические составляющие Евл, то имеет место насыщение листов активной стали, перекрывающих стыки магнитопровода, из-за увеличения торцевых зазоров стыка.
Кроме проходящих в плоскости, перпендикулярной оси вала, кольцевых потоков, в крупных электрических машинах из-за наличия НС соединений между катушками может возникать осевой поток через вал. В местах, где этот поток выходит из вала, например в шейках, возникает ЭДС униполярной индукции, создающая ЭДС, действующие вдоль шейки. Значения их обычно малы и не вызывают опасных воздействий. Величина осевого потока легко может быть проверена с помощью флюксметра.
