ВИДЫ СИНХРОННЫХ МАШИН. ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИИ И СХЕМЫ
Предварительные сведения
Электрическими машинами, вырабатывающими электроэнергию на электростанциях практически любого вида и масштаба, являются трехфазные синхронные генераторы.
В качестве двигателей синхронные машины применяются относительно редко. Жесткая характеристика (постоянное число оборотов), необходимость дополнительного устройства в виде возбудителя, обеспечивающего возбуждение, большая сравнительно с асинхронным двигателем производственная трудоемкость и стоимость машины, сложность пусковой и защитной аппаратуры являются причинами того, что синхронный двигатель не может быть массовым. Считается, что синхронные двигатели техно-экономически целесообразны при мощности Р - 50—100 квт. Асинхронные двигатели работают при коэффициенте мощности <l; иначе обстоит дело с синхронными двигателями, могущими не только работать с коэффициентом мощности cosф= 1,0, то есть не потребляя из сети намагничивающей мощности, но и отдавать намагничивающую мощность в сеть (<l опережающий). Это делает желательным расширение применения синхронных двигателей в связи с необходимостью повышения коэффициента мощности в сетях для снижения потерь и увеличения пропускной способности сетей.
В режиме генератора синхронная машина обладает высокими эксплуатационными свойствами, что и определяет ее исключительное распространение как источника электрической энергии. Прообразом современного трехфазного генератора является генератор П. Н. Яблочкова (1878 г.), но его фазные обмотки не были соединены в систему. Это было сделано М. О. Доливо-Добровольским в 1891 г., создавшим впервые синхронный генератор именно трехфазного тока.
Основные части синхронного генератора — обмотка якоря, полюсная система (полюсы) и система возбуждения. Номинальную мощность синхронного генератора измеряют в киловольт-амперах (кВА); она не определяет допустимой активной нагрузки. Для этого должно быть указано значение коэффициента мощности, обычно принимаемое = 0,8.
На статоре — неподвижной части синхронной машины, как правило, расположена обмотка якоря, то есть обмотка, в которой генерируется э. д. с., на роторе — вращающейся части синхронной машины — полюса. Синхронные генераторы малой мощности (до 10—12 квт) могут иметь обращенную конструкцию: обмотка якоря — на роторе, полюсы — на статоре. Но, начиная уже с мощности выше 10 квт, такая конструкция нецелесообразна. Снимать энергию с вращающейся части машины через скользящий контакт (кольцо, щетка) при повышении напряжения с ростом мощности довольно трудно; также сложно надежно изолировать вращающуюся обмотку якоря высокого напряжения.
Для возбуждения синхронного генератора средней мощности питают его обмотку возбуждения от генератора постоянного тока небольшой мощности, сидящего обычно на одном валу с синхронным генератором. Генератор постоянного тока называется машинным возбудителем; его мощность составляет 0,3—3% номинальной мощности синхронного генератора. Напряжение возбудителя обычно не превосходит 110—220 в.
По конструкции синхронные генераторы прежде всего подразделяются на явнополюсные и неявнополюсные, что, в свою очередь, связано со скоростью вращения первичного двигателя, приводящего во вращение синхронный генератор. Применять редукторы для мощности 150—200 квт нерационально, так как ухудшается надежность работы агрегата, снижается общий коэффициент полезного действия. Редукторы при малых скоростях вращения первичного двигателя громоздки и дороги. Поэтому синхронные генераторы соединяются со своими первичными двигателями, как правило, непосредственно, и это справедливо и для агрегатов малой мощности.
По скорости вращения первичные двигатели условно делятся на две группы: тихоходные при 1000 об/мин и быстроходные при более 1000 об/мин. К тихоходным относятся водяные турбины, двигатели внутреннего сгорания (дизели, автотракторные двигатели, нефтяные, газогенераторные двигатели) и редко встречающиеся в качестве первичных двигателей электрических генераторов локомобили. К быстроходным относятся паровые турбины, газовые турбины и некоторые типы дизелей.
Явнополюсные синхронные генераторы
При тихоходных первичных двигателях прочно утвердилась конструкция явнополюсного генератора. Ротор выполняют с выступающими полюсами, которые в машинах средней и крупной мощности крепят к выступам вала, к втулке вала или к ободу крестовины при помощи Т-образных хвостов (рис. 193). Сердечники полюсов набирают из листов конструкционной стали толщиной 1—2 мм и стягивают шпильками. Обмотку возбуждения выполняют в виде катушек прямоугольного сечения, размещенных на сердечниках полюсов и укрепленных полюсными наконечниками. При выполнении очертания полюсного наконечника, согласно зависимости
распределение индукции магнитного поля полюсов в воздушном зазоре приближается к синусоиде. Отсчет х ведется от центра полюса.
Статор синхронных генераторов как явнополюсных, так и неявнополюсных в общем не отличается от статора асинхронных машин. Он состоит из активной части, то есть сердечника и корпуса (станина со щитами), предназначенного для закрепления стали и создания системы вентиляционных каналов. В пазах сердечника, равномерно распределенных по его внутренней окружности, размещена обмотка одного из типов, рассмотренных выше.
Сердечник статора выполняют из изолированных листов электротехнической стали толщиной 0,5 и 0,35 мм. В осевом направлении сердечник статора состоит из пакетов толщиной 3—б см, разделенных вентиляционными каналами шириной 5—10 мм.
Сжатием с обеих сторон посредством нажимных плит из немагнитного чугуна или стали системе статорной стали можно придать надлежащую жесткость.
Рис. 194. Гидрогенераторы: а — подвесное исполнение; б — зонтичное исполнение;1 — возбудитель; 2 — верхний направляющий подшипник; 3 — подпятник; 4 — грузонесущая крестовина; 5 — ротор; 6 нижний направляющий подшипник; 7 —нижняя крестовина; 8 — верхняя крестовина; 9 — направляющий подшипник.
Рис. 193. Явнополюсный ротор:1 — вал; 2 — роторная звезда; 3 — обод; 4 — катушки возбуждения.
Ротор явнополюсной конструкции прост в исполнении и надежен в эксплуатации, так как тихоходность агрегата ограничивает центробежные силы и потери на трение полюсов о воздух.
Машинный возбудитель, кроме расположения на одном валу с синхронным генератором, может быть соединен с ним эластичной муфтой при установке на общей фундаментной плите или посредством клиноременной передачи при мощности возбудителя не более 40—50 кет, иначе клиноременная передача становится громоздкой.
Синхронные генераторы, соединяемые с гидротурбиной, называются гидрогенераторами. Широкий диапазон скоростей вращения гидрогенераторов (1000—50 об/мин) связан с большим разнообразием напоров и расходов воды на гидроэлектростанциях. Скорость вращения тем меньше, чем меньше напор и больше мощность турбины. Гидрогенераторы изготавливаются для вертикальной и горизонтальной установки. На равнинных реках при небольших напорах вертикальные гидроагрегаты облегчают конструкцию здания станции, сокращают строительные размеры. Объясняется это тем, что при вертикальных гидротурбинах проще решается задача передачи мощности из турбинной камеры к генератору (через вал) (рис. 194).
Вертикальные гидрогенераторы по исполнению подразделяются на подвесные и зонтичные. При подвесном исполнении (рис. 194, а) подпятник расположен выше ротора, в верхней крестовине. Она в этом случае грузонесущая, и весь агрегат подвешен к этой крестовине и к подпятнику. При зонтичном исполнении (рис. 194,б) грузонесущая крестовина опирается на фундамент под статором, а не на корпус. При этом уменьшается габарит по высоте, что особенно заметно в крупногабаритных машинах. Подпятник находится на нижней крестовине, и генератор в виде зонта расположен над подпятником. Ось направляющего подшипника приближена к массе ротора, что позволяет ограничиться только одним направляющим подшипником.
Подпятник — ответственнейшая деталь вертикального гидроагрегата. Он должен быть рассчитан на восприятие вертикальной нагрузки не только от веса ротора с валом, но и от веса вала и колеса гидротурбины, а также давления воды на колесо. Нагрузка от колеса гидротурбины с учетом давления воды больше веса ротора гидрогенератора в 2—3 раза. Особенно трудны условия работы подпятника при пуске и тем более остановке агрегата, так как возникающая при нормальной скорости вращения масляная пленка между скользящими поверхностями подпятника при малой скорости не образуется. Для уменьшения продолжительности вращения агрегата с низкой скоростью при его остановке применяются тормозные устройства.
При подвесном исполнении подпятник более доступен, чем при зонтичном, в частности для наблюдения за ним при эксплуатации.
Установить точно границы целесообразности каждого исполнения
трудно; обычно при отношении диаметра ротора к его длине
исполнение зонтичное, при меньших значениях — подвесное.
На одном валу с гидрогенератором в верхней его части установлен возбудитель. У низкоскоростных гидрогенераторов при этом может получиться нерациональная конструкция возбудителя и неоправданно увеличиться высота агрегата и здания электростанции; лучше применять отдельные высокоскоростные возбудительные двигатель-генераторные агрегаты.
Сопряжение синхронного генератора с гидротурбиной вносит ряд усложнений в его конструкцию. При сбросе номинальной нагрузки гидроагрегат за несколько секунд может приобрести скорость вращения, превышающую нормальную в 2 раза и более. Такая скорость называется угонной. Генератор может достигнуть угонной скорости при неисправности направляющего аппарата турбины. При исправной работе системы регулирования скорость хотя и меньше угонной, но превышает при сбросе нагрузки номинальную, причем величина превышения зависит от качества системы регулирования, при разработке которой приходится считаться с тем объективным фактом, что быстрое прекращение доступа большой массы воды может вызвать гидравлический удар.
Механическая часть, прежде всего ротор, должна быть рассчитана на угонную скорость; в обычных синхронных генераторах механическую часть рассчитывают на усилия, возникающие при 1,2. Увеличенное сечение магнитного обода должно выдерживать не только собственную центробежную силу, но и центробежную силу полюсов. Диаметр вала у гидрогенератора делают больше, чем у обычной синхронной машины. Статические элементы делают более прочными, чтобы избежать вибраций при угонной скорости; на эту же скорость рассчитывают и фундаменты под генераторы.
В эксплуатации скорость вращения синхронного генератора должна оставаться синхронной, несмотря на изменение нагрузки. Следовательно, за счет регулирования расхода воды соответственно должен меняться крутящий момент турбины. Однако регуляторы, обладая инерцией, не могут обеспечить внезапных изменений расхода; скорость вращения в известной мере поддерживается постоянной за счет кинетической энергии ротора. Поэтому необходим большой маховой момент ротора. В колесо гидротурбины вложить большие маховые массы нельзя, и задачу решают путем соответствующего оформления конструкции ротора: увеличивают вес обода ротора генератора, предельно большим делают отношение
. Последнее наиболее рационально, так как маховой момент растет пропорционально квадрату диаметра инерции и только первой степени веса ротора.
Гидрогенераторы мощностью не только до несколько тысяч киловатт, но и более крупные исполняют также с горизонтальным валом. Горизонтальный вал имеют так называемые капсульные гидрогенераторы, получившие распространение в последние годы. Такие генераторы заключают в водонепроницаемую оболочку (капсулу), которая с внешней стороны обтекается потоком воды, проходящим через турбину. Капсульные гидрогенераторы применяются для низконапорных ГЭС, позволяют отказаться от машинного зала, достигнуть большой компактности станции, их изготовляют на мощности до нескольких десятков тысяч киловатт.
Синхронные машины с горизонтальным валом широко используются при сопряжении генераторов с дизелями (агрегат называется дизель-генератором), а также в качестве двигателей. Дизель-генераторы имеют обычно один подшипник, вал генератора жестко соединен с валом дизеля, и в качестве второй опоры ротора генератора используется подшипник дизеля. Чтобы сгладить влияние неравномерности вращающего момента дизеля, дизель-генератор снабжают маховиком или ротор выполняют с повышенным маховым моментом.
Гидрогенераторы часто представляют собой машины индивидуального исполнения, так как мощность и скорость вращения турбины, к которой подбирают генератор, определяются напором и расходом воды. Наряду с синхронными генераторами индивидуального исполнения средней и крупной мощности электропромышленность изготовляет большое число гидрогенераторов мощностью до 4000 квт для малых и средних ГЭС, обслуживающих, в частности, сельское хозяйство. Примером являются разработанные в годы Великой Отечественной войны заводом Уралэлектроаппарат так называемые уральские серии вертикальных гидрогенераторов (обозначение ВГС) с широкой унификацией отдельных деталей и целых конструктивных узлов. В настоящее время освоено пять унифицированных серий вертикальных генераторов ВГС мощностью от 200 до 5000 кВА, со скоростями вращения от 100 до 428 об/мин. Каждая серия объединяет ряд гидрогенераторов, различных по мощности и скорости вращения, выпускаемых в одном габарите (внешний диаметр активной стали), отличающихся длиной активной стали и числом полюсов.
Одна из серий предназначена для работы с поворотнолопастными гидротурбинами (в обозначении добавляется буква П). Вал ротора имеет сквозное центральное отверстие для пропуска тяг механизма поворота лопастей. Шкала мощности согласована с имеющимися типами гидротурбин.
Гидрогенераторы не требуют маховика, так как нужный маховой момент обеспечен большим диаметром ротора (у машин с малым осевым размером отношение
доходит до 0,06—0,05). Наибольшая мощность, при которой еще целесообразна разомкнутая вентиляция, доходит до 5000 кВА.
Примером гидрогенераторов с горизонтальным валом могут служить трехфазные генераторы СГТ мощностью 220—3050 кВА, изготавливаемые на различные скорости вращения до 1000 об/мин.
Трехфазные синхронные генераторы мощностью от 320 до 3200 кет со скоростями вращения от 100 до 1000 об/мин объединены в единую серию совместно с асинхронными машинами. Генераторы имеют обозначение СГН, при закрытом исполнении добавляется буква 3. Генераторы СГН предназначены для сопряжения с двигателями внутреннего сгорания, локомобилями, электродвигателями.
К генераторам малой мощности условно можно отнести машины, у которых 100 кВА. Основными типами этих машин являются: ДГФ мощностью 12—75 кВА, ЕССМ мощностью 5—75 кВА и ЕСС-М мощностью 12—75 кВА.
Вторая буква С в двух последних типах означает, что генератор относится к разряду самовозбуждающихся и обмотка ротора получает питание через блок твердых выпрямителей, подключенных к обмотке статора генератора. Поскольку в схеме возбуждения в цепь нагрузки последовательно включены трансформаторы тока (см. рис. 197,г), то при увеличении нагрузки увеличивается возбуждение генератора, что позволяет стабилизировать напряжение генератора на определенном уровне при различных нагрузках. Генератор носит название компаундированного. Точность регулирования напряжения в генераторах ЕССМ и ЕСС-М лежит в пределах от ±2 до ±5%.
Генераторы типа ЕСС-М на холостом ходу допускают пуск ненагруженного асинхронного двигателя, номинальная мощность которого не превосходит 70% мощности генератора. Посадка напряжения при этом не превышает 50% номинального значения напряжения генератора.
