ГЛАВА ПЯТАЯ
РОТОРНЫЕ ОБМОТКИ
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Обмотки роторов машин переменного тока могут быть подразделены на роторные обмотки синхронных машин и роторные обмотки асинхронных машин.
Обмотки роторов синхронных машин по своему назначению и питанию подразделяются на обмотки возбуждения и демпферные, или пусковые, обмотки.
Обмотки роторов асинхронных машин выполняются либо короткозамкнутыми, либо фазными.
Обмотки возбуждения синхронных машин предназначены для создания в машине основного магнитного потока и питаются от источника постоянного тока. Этот источник может быть генератором постоянного тока или другим вращающимся или статическим устройством. В общем случае источник, питающий обмотку возбуждения, называется возбудителем.
Электрическая снизь между возбудителем и обмоткой возбуждения осуществляется в большинстве случаев посредством контактных колец, расположенных на роторе и соединенных с обмоткой возбуждения, и щеток, расположенных на неподвижной щеточной траверсе и соединенных с возбудителем. Скользящий электрический контакт между контактными кольцами и щетками может быть исключен из конструкции в случае применения так называемого бесщеточного возбуждения.
Идея последнего состоит в том, чтобы с валом ротора синхронной машины непосредственно сочленить обращенный синхронный генератор (возбудитель), причем полупроводниковые выпрямители и пени якоря обращенного синхронного возбудителя располагаются также на валу ротора. Вращающиеся выпрямители позволяют соединить электрически обмотку возбуждения с обращенным синхронным возбудителем без скользящего контакта.
Такая система возбуждения находит применение для турбогенераторов большом мощности. Обычно же синхронные машины имеют два контактных кольца на роторе для подсоединения к системе питания.
У маленьких синхронных машин иногда применяются полюсы из постоянных магнитов. Однако из-за малой мощности таких магнитов и невозможности регулирования и поддержания напряжения па зажимах машины применение полюсов из постоянных магнитов ограничивается узким круток специальных синхронных машин.
У большинства синхронных машин на роторе располагается также демпферная клетка. Для синхронных двигателей и синхронных компенсаторов эта обмотка может играть роль пусковой при асинхронном пуске указанных машин.
Демпферные обмотки образуются специальными стержнями и коротко- замыкающими сегментами из проводящих материалов. В неявнополюсных машинах роль демпферной обмотки играют также конструктивные элементы ротора: зубцы, клинья, бандажные кольца.
5-2. ОБМОТКИ ВОЗБУЖДЕНИЯ
Обмотки возбуждения синхронных манны выполняются из меди специального профиля или стандартных изолированных проводников для машин малых мощностей.
Рис. 5-1. Схема обмотки возбуждения синхронной явнополюсной машины
I — VI — полюсы машины
Явнополюсные синхронные машины обеспечивают необходимую форму потока и зазоре за счет неравномерного воздушного забора, обеспечиваемой формой полюсного наконечника. В связи с этим обмотки синхронных явнополюсных машин выполняются сосредоточенными. Схема такой обмотки показана на рис. 5-1.
Обычно катушки, расположенные рядом, имеют противоположную намотку. Это позволяет соединять рядом расположенные катушки (I—VI) верхними или нижними витками.
Для неявнополюсных машин характерным является постоянный по ширине воздушный зазор. В этом случае удовлетворительная форма поля в зазоре достигается за счет применения распределенной обмотки.
Рис. 5-2. Схема обмотки возбуждения неявнополюсной синхронной машины (I, II — полюсы машины): а — катушки с одинаковой намоткой; б — смежные катушки с противоположной намоткой
В таких машинах обмотка возбуждения располагается в радиальных пазах, распределенных по наружной поверхности бочки ротора. Обмотанные пазы обычно занимают от 2/3 до 3/4 наружной поверхности бочки ротора.
Необмотанная часть образует так называемый большой зубец, ось которого является осью магнитной системы ротора. В большинстве случаев схема обмотки возбуждения турбогенератора выполняется концентрической. Варианты таких схем показаны на рис. 5-2. Малые катушки, расположенные
возле большого зуба, имеют наименьший вылет лобовых частей. Обычно к ним подсоединяются шины токоподвода. Соединения между катушками одною полюса могут выполняться с- помощью перемычек, которые соединяют верхний виток одной катушки с нижним витком следующей (рис. 5-2, а). При таком соединении катушек все они должны иметь намотку в одном направлении.
На схеме рис. 5-2, б показано соединение между катушками одного полюса, которое обеспечивает выполнение перемычек по верхним или по нижним виткам. В этом случае четные катушки должны иметь намотку в одном направлении, а нечетные— в противоположном. Концентрическое выполнение обмоток обеспечивает простоту конструкции и достаточно хорошее распределение и. с. в зазоре. Последнее обстоятельство может быть обеспечено за счет неполностью обмотанной поверхности ротора.
Рис. 5-3. Петлевая схема обмотки возбуждения турбогенератора с непосредственным водяным охлаждением (подача и слив воды с одной стороны)
С электрической точки зрения концентрическая обмотка может рассматриваться как обмотка с диаметральным шагом. В этом случае обмоточный коэффициент определяется как коэффициент распределения коб2. Расчет коэффициента распределения для обмотки с диаметральным шагом представлен в гл. 7. Там же показано, что, применяя пазы различной глубины, можно достичь улучшенного распределения н. с. и потока в воздушном зазоре. Укорочение пазов малых катушек с успехом применяется для мощных турбогенераторов.
Концентрические обмотки применяются для неявнополюсных машин с воздушным и водородным охлаждением. Турбогенераторы с непосредственным водяным охлаждением малой и средней мощности также имеют концентрическую схему обмотки. Однако при создании турбогенераторов больших мощностей с непосредственным водяным охлаждением обмоток возбуждения возникают большие технические трудности с подачей и отводом воды к отдельным виткам концентрической обмотки. Дело в том, что доступ к лобовым частям ниткой малых катушек оказывается затрудненным, поэтому такие схемы применяются при катушечном или многокатушечном охлаждении обмотки.
С целью обеспечения одинакового доступа ко всем виткам обмотки в последнее время многие фирмы стали применять специальные схемы обмоток возбуждения, которые напоминают схемы статорных обмоток или якорных обмоток машин постоянного тока. Завод «Электросила», в частности, применяет схему роторной обмотки, повторяющую схему петлевой статорной обмотки. Такая схема показана на рис. 5-3. В этом случае головки всех лобовых частей находятся в одинаковом положении и являются легко доступными для подачи и отводе воды. В пазу обычно располагается четыре стержня. Таким образом, схема образуется двумя двухслойными обмотками, расположенными друг над другом.
Рис. 5-4. Петлевая схема обмотки возбуждения турбогенератора с непосредственным водяным охлаждением (подача воды с одной стороны, слив — с другой): 1— подача воды, 2 - слив воды, 3 — электрическое соединение
Вода подается в каждую головку, причем подача и слип могут быть организованы как на одной, так и на разных сторонах по длине ротора. Модификация схемы с петлевой обмоткой применяется также фирмой «Парсонс. Схема обмотки этой фирмы показана на рис. 5-4.
Рис. 5-5. Смешанная схема обмотки возбуждения турбогенератора с непосредственным водяным охлаждением (концентрически-петлевая обмотка)
Рис. 5-6. Схема обмотки двухполюсного турбогенератора с продольно-поперечным возбуждением
Фирма ВВС разработала схему, которая сочетает в себе элементы петлевой и концентрической обмотки (рис. 5-5). Подача и слив воды производится на одной стороне ротора. При этом головки, в которые подается вода, и головки, из которых вода сливается, концентрируются на отдельных участках по окружности ротора.
Все рассмотренные обмотки относятся к обмоткам с продольным полем возбуждения. Последнее время для машин специального исполнения появляется интерес к так называемым обмоткам с продольно-поперечным возбуждением.
Принцип такого возбуждения показан на рис. 5-7. Ротор двухполюсного турбогенератора имеет две независимые обмотки I и II, магнитные оси которых расположены взаимно перпендикулярно. Каждая обмотка подсоединяется к своему источнику тока. В зависимости от величины и направления тока в обмотках результирующим поток может принимать произвольную величину и направление. Схема обмотки может быть выполнена и виде двух петлевых обмоток, сдвинутых друг относительно друга на 90о. Такая схема представлена на рис. 5-6.
Рис. 5-7. Принцип действия продольно-поперечного возбуждения
В нагрузочном генераторе мощностью 300 Мвт используется продольно-поперечная схема для имитации нагрузки на испытуемом генераторе. При атом роторы нагрузочной машины и испытуемого генератора соединяются механически с помощью полумуфт, а необходимый сдвиг между э. д. с. нагрузочной машины и испытуемого генератора создается за счет вращения результирующего поля нагрузочной машины. Охлаждение обмотки нагрузочной машины производится непосредственно водой.
