Содержание
Предыдущий § Следующий

Глава девятнадцатая ОСНОВНЫЕ ВИДЫ МАШИН ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И ИХ УСТРОЙСТВО

§ 19-1. Основные виды машин переменного тока

На практике применяются преимущественно трехфазные (т — 3) машины переменного тока. Машины е другим числом фаз (т = 2, 6) используются для специальных целей.

Однако действие всех многофазных машин основано на принципе вращающегося магнитного поля, и поэтому их теория является общей.

Однофазные машины переменного тока имеют ограниченное применение.

Ниже прежде всего рассматриваются трехфазные машины переменного тока. Они подразделяются на три основных вида: синхронные, асинхронные и коллекторные.

Все виды машин переменного тока рассчитываются на работу при синусоидальном переменном- токе.

В синхронных машинах нормальных типов ротор вращается с такой же скоростью и в том же направлении, как и вращающееся магнитное поле. Таким образом, вращение ротора происходит в такт, или синхронно, с вращающимся полем, откуда и происходит название этого вида машин.

Синхронные машины используются прежде всего в качестве генераторов, и за незначительным исключением на электрических станциях переменного тока устанавливаются синхронные

генераторы. Однако все более расширяется также применение синхронных машин в качестве двигателей.

Ротор асинхронных машин вращается несинхронно, или асинхронно, по отношению к вращающемуся магнитному полю, чем и обусловлено название этих машин.

На практике асинхронные машины используются главным образом в качестве двигателей, и подавляющее число применяемых в промышленности электрических двигателей являются асинхронными.

Коллекторные машины переменного тока также вращаются несинхронно с магнитным полем, и в этом смысле они являются асинхронными машинами. Однако ввиду наличия у них коллектора и связанных с этим особенностей они выделяются в отдельный вид машин переменного тока. Наибольшее применение коллекторные машины находят в качестве двигателей. Однако их использование ограничено, и поэтому главнейшими видами машин переменного тока являются асинхронные и синхронные машины.

Общие вопросы теории многофазных машин переменного тока целесообразно рассмотреть совместно, предварительно приведя краткое описание принципов действия и устройства основных видов машин переменного тока.

§ 19-2. Устройство и принцип действия асинхронной машины

Устройство асинхронной машины. Неподвижная часть машины переменного тока называется статором, а подвижная часть —

ротором. Сердечники статора и ротора асинхронных машин собираются из листов электротехнической стали (рис. 19-1), которые до сборки обычно покрываются с обеих сторон масляно-канифольным изоляционным лаком. Сердечники машин малой мощности иногда собираются из листов без лакового покрытия, так как в этом случае достаточной изоляцией является естественный или искусственно созданный слой окислов на поверхности листов стали.

На рис. 19-2 представлена фотография асинхронного двигателя малой мощности в разобранном виде, на которой видны статор, ротор и подшипниковые щиты. На рис. 19-3 дан чертеж асинхронного двигателя средней мощности.

Рис. 19-1. Листы сердечников статора (1) и ротора (2) асинхронной машины малой и средней мощности

Сердечник статора закрепляется в корпусе, а сердечник ротора -на валу^ (машины малой и средней мощности) или на ободе с кое-стовинои и втулкой, надетой на вал (машины большой мощности) Вал ротора вращается в подшипниках, которые помещаются в подшипниковых щитах, прикрепляемых к корпусу статора (машины ковых "стопках^{11 М0ЩН0Сти)}' ^{или на} сдельно стоящих подшнпни

На ^внутренней цилиндрической поверхности статора и на внешней цилиндрической же поверхности ротора имеются пазы,

Рис. 19-2. Фотография асинхронного Двигателя с короткозамкнутым ротором типа А71-6 мощностью 14 кет в разобранном виде

в которых размещаются проводники обмоток статора и ротора. Обмотка статора выполняется обычно трехфазной (см. гл. 21); присоединяется к сети трехфазного тока и называется поэтому также первичной обмоткой. Обмотка ротора тоже может быть выполнена трехфазной аналогично обмотке статора. Концы фаз такой обмотки ротора соединяются обычно в звезду, а начала с помощью контактных колец и металлографитных щеток выводятся наружу (рис. 19-3). Такая асинхронная машина называется машиной с фазным ротором. К контактным кольцам обычно присоединяется трехфазный пусковой или регулировочный реостат. Фазная обмотка ротора выполняется с тем же числом полюсов магнитного поля, как и статор.

Другая разновидность обмотки ротора —обмотка в виде беличьей клетки (рис, 19-4). При этом в каждом пазу находится медный или алюминиевый стержень и концы всех стержней

с обоих торцов ротора соединены с медными или алюминиевыми же кольцами, которые замыкают стержни накоротко. Стержни от сердечника обычно не изолируются. В машинах мощностью до 1QG к&п стержни и кольца вместе с крылышками для вентиляции обычно изготовляются путем заливки ротора алюминием

Рис 19-3 Трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором 180 кет,

975 об/мин

1 — кабельная муфта, 2 — выводная коробка концов обмотки статора, 3 — кольце--вые шпонки крепления сердечника ротора, 4 — нажимные шайбы сердечника ротора, 5 — вал рртора, 6 и 30 — шариковый и роликовый подшипники, 7 — медные соедини* тельные хомутики стержней обмотки ротора, 8 —^ диффузоры для направления поступающего, через подшитшковые щиты охлаждающего воздуха, 9 — стержни обмотки^ ротора, '10 — бандажные кольца, // — обмотка статора, 12 — проволочные бандажи,! ротора, 13 — подъемные кольца, /* — дуговые шпонки, 15 — кольцевые изоляционный прокладки, 16 — радиальные вентиляционные каналы, 17 — сердечник ротора, IS —>j литой корпус „статора, 19 — сердечник ст»тора, 20 и 21 — нажимные мдьщы и кольцу сердечника статора, 22 — кольцо для соединения концов обмотки ротора в звезду, 23 —« междукатушечные и междугрупповые соединения обмотки статора, 34 — выводы кок* цов обмотки ротора к контактным кольцам,. 25 и 27 — коробка и колпак контактных колец, 26 — контактные кольца, 28 — подвижная втулка с контактами для замыкана^. выводов обмотки ротора накоротко, 29 — муфта для вывода кондов обмотки ротрра

к внешней цепи

(см. рис. J9-2). Такая асинхронная машина называется машиной е короткозамкнутым ротором. Большинство аснш хронных машин, в особенности машины малой и средней мощности, выпускается с короткозамкнутым gpTopOM.

Воздушный зазор между статором и ротором в асинхронных машинах выполняется минимально возможным по условиям производства и надежности работы и тем больше, чем крупнее машины. В машинах мощностью в несколько киловатт величина зазора

составляет 0,4—0,5 мм, а в машинах большой мощности — несколько миллиметров.

Асинхронные машины, как правило, охлаждаются воздухом. Системы вентиляции в принципе являются такими же, как и у машин постоянного тока (см. § 8-5).

Вращающееся магнитное поле. На рис. 19-5 представлены поперечные разрезы двухполюсного (2р — 2) асинхронного двигателя и показан характер магнитного поля статора для двух моментов времени.

На рис. 19-5 изображена простейшая обмотка статора, когда каждая фаза состоит из одного витка или двух проводников (1-я фаза — проводники А и X, 2.-я фаза — проводники В и Y, 3-я фаза — проводники С и Z)¹. Проводники каждого витка (фазы) расположены -друг от друга на расстоянии полюсного деления

где D_a — диаметр внутренней расточки статора, ар — число пар полюсов.

На рис. 19-5 полюсное деление составляет замкнутая обмотка ро-половину окружности. Шаг витка или обмот- тора в виде беличьей ки у поэтому является полным {у = т). Двои-                                                                                                                                                                                        клетки

ному полюсному делению 2т соответствует угол по окружности статора 360° эл. Начала фаз А, В, С сдвинуты относительно друг друга на 120° эл., что в данном случае составляет треть окружности.

На рис. 19-5, а показаны направления токов в проводниках обмотки статора для момента времени, когда i_a — I_m и i_b = i_c =

— — *}т- Токи фаз на рис. 19-5 считаются положительными, когда

они в началах фаз (проводники А, В, С) направлены за плоскость чертежа. На рис. 19-5, б показаны направления токов для момента времени, когда фазы токов изменились на 30° и

Из рис. 19-5 видно, что распределение токов по окружности статора составляет две зоны, каждая Величиной т, причем направ-

¹ Согласно ГОСТ 183—66, начала фаз обмоток статора обозначаются С₁₍ С₂, С₃, их концы — соответственно С₄, С₈, C_g, а начала фаз обмоток ротора — Pi, P₂> ^з-В данной книге в методических целях начала трехфазных обмоток всюду обозначаются А, В, С или а, Ь, с, а концы — соответственно Л, Y, Z или х, у, г.

ления токов в этих зонах противоположны. В нижней части рис. 19-5 изображены кривые распределения токов вдоль развернутого статора.

|Из этих кривых видно, что токи распределены на поверхности статора по синусоидальному закону.

Токи проводников обмотки статора двухполюсной машины создают, как следует из рис. 19-5, двухполюсный магнитный поток

Рис. 19-5. Простейшая обмотка статора асинхронной машины с 2р = 2 и ее магнитное поле

Ф₁₍ проходящий через статор, ротор и воздушный зазор между ними. Из сравнения рис. 19-5, аи б видно, что при изменении фазы токов на 30° кривая распределения токов и магнитный поток поворачиваются в направлении следования фаз также на 30° эл.

Ось витка (обмотки) фазы А на рис. 19-5 направлена горизонтально, и ось магнитного потока при i_a = l_m (рис. 19-5, а) также направлена горизонтально. Ясно, что если фаза токов по сравнению с рис. 19-5, а изменится на 120° и поэтому будет i_b = I_m, то магнитный поток будет направлен по оси фазы В, т. е. повернется на 120° эл. В момент времени, когда i_c — I_m, ось магнитного потока совпадает с осью фазы С и т. д.

Таким образом, обмотка статора двухполюсной машины при питании ее трехфазным током создает двухполюсное вращающееся магнитное поле.

При этом за один период изменения тока поле поворачивается на 2 т или 360° эл.

Скорость вращения поля

ⁿi — h об/сек,

где fi — частота тока статора.

Магнитное поле вращается в направлении чередования фаз А, В, С обмотки статора. Для изменения направления вращения поля на обратное достаточно переменить местами на зажимах обмот- У ки статора концы двух проводников, идущих от питающей сети.

При 2р = 4 полюсное деление составляет четверть окружности и каждая фаза простейшей трехфазной обмотки статора (рис. 19-6) состоит из двух витков с шагом у = х, которые сдвинуты относительно друг друга на 2т и могут быть соединены друг с другом последовательно или параллельно. Отдельные фазы и их начала А, В, С при этом также сдвинуты относительно друг друга на 120° эл. или в данном случае на ¹/₆ окружности. Из рис. 19-6 видно, что такая обмотка создает кривую распределения тока и магнитное поле с 2р = 4. Это поле также является вращающимся и за один

период тока поворачивается тоже на 2т или в данном случае на половину окружности, вследствие чего скорость поля

п_г = у, обIсек.

В общем случае можно изготовить обмотку с 2р = 6, 8, 10 и т. д. При этом будет получаться кривая распределения тока и магнитное поле с р парами полюсов. Магнитное поле вращается со скоростью

Рис. 19-6. Простейшая обмотка

статора асинхронной машины с

2р — 4 и ее магнитное поле

Линейная окружная скорость вращения поля вдоль окружности статора

При стандартной в СССР частоте промышленного тока / = 50 гц получаются скорости вращения поля, указанные в табл. 19-1.

Таблица 19-1

Скорость вращения магнитного поля обмоток с различными числами пар полюсов р при Л = 50 гц

При конструировании обмоток переменного тока стремятся к тому (см. гл. 21), чтобы распределение индукции вращающегося поля в воздушном зазоре вдоль окружности было по возможности ближе к синусоидальному.

Ниже в данной главе будет предполагать, что это распределен ление является синусвидальным.

Принцип действия асинхронной машины. Магнитный поток Ф₁₍ создаваемый обмоткой статора (рис. 19-5 и 19-6), при своем вращении пересекает проводники обмотки ротора, индуктирует в них э. д. с. е_п, и если обмотка ротора замкнута, то в ней возникают токи ц, частота которых f₂ при неподвижном роторе (я = 0) равна первичной частоте f_t.

Если обмотка ротора является трехфазной, то в ней индуктируется трехфазных ток. Этот ток создает вращающийся поток ротора Ф₂, число полюсов 2 р, направление и скорость вращения которого при п = 0

такие же, как и у потока статора. Поэтому потоки Ф_г и Ф_а вращаются синхронно и образуют общий вращающийся поток двигателя Ф. При короткозамкнутом роторе в его стержнях индуктируется многофазная система токов % со сдвигом в соседних Стержнях по фазе на угол

где Z₂ — число стержней ротора. Эти токи также создают вращающийся поток Ф₂, число полюсов, направление и скорость вращения которого являются такими же, как и у потока фазного ротора. Поэтому и в данном случае в двигателе образуется общий магнитный поток Ф. Ввиду существования общего вращающегося магнитного поля можно рассматривать э. д. с, индуктируемые в обмотках этим полем.

В результате взаимодействия токов ротора с потоком возникают действующие на проводники ротора механические силы F и вращающий электромагнитный момент М.

В верхней части рис. 19-7 показаны вращающаяся со скоростью i>i синусоидальная волна общего магнитного поля В мащины и направления э. д. с. е₂, индуктируемых этим полем в стержнях неподвижного короткозамкнутого ротора. В нижней части рис. 19-7 показаны направления токов стержней, ц и действующих на них сил F для двух случаев: когда угол сдвига фаз'фа между е, и г₂ равен нулю и когда ■ф₂ = 90 , При % = 0 все силы действуют в сторону вращения- поля. Поэтому вращающий момент

Рис 19-7. Токи в стержнях обмотки ротора и действующие на них силы

отличен от нуля и также действует в сторону вращения поля. В то же время при т|э_а = 90° силы действуют в разные стороны

и М = 0.

Отсюда следует, что вращающий момент создается только активной составляющей тока ротора

Этот вывод имеет общий характер и справедлив также для других видов машин переменного тока.

Цепь ротора асинхронного двигателя всегда обладает определенным активным сопротивлением, и поэтому при пуске двигателя {п = 0) всегда 0 < t|)₂ < 90°. В результате развиваемый момент М > Q, и если он больше статического тормозного момента на валу, то ротор двигателя придет во вращение в направлении вращения поля с некоторой скоростью п <; п_ъ т. е. будет вращаться с некоторым отставанием, или скольжением, относительно поля статора,

Относительная разность скоростей вращения поля и ротора

называется скольжением. Скольжение выражается также в процентах:

Скорость ротора п, выраженная через скольжение s, согласно формуле (19-6), равна

При пуске двигателя (п = 0) имеем s = 1, а при вращении ротора синхронного с полем статора или, как говорят, с синхронной скоростью (п = п_г) будет s = О. При п = п_х магнитное поле статора относительно ротора неподвижно и токи в роторе индуктироваться не будут, поэтому М = 0 и такой скорости вращения двигатель достичь не может. Вследствие этого в режиме двигателя всегда 0 < /г <п_х и l>s>0.

При вращении ротора в сторону поля частота пересечения полем проводников ротора пропорциональна разности скоростей tii — п и частота тока в обмотке ротора

Подставив сюда значение п из формулы (19-7) и затем значение п_х из (19-2), получим

т. е. вторичная частота пропорциональна скольжению.

При частоте тока /₂ < f_t скорость вращения поля ротора относительно самого ротора п_2р также меньше п_г и на основании выражения (19-9)

Скорость вращения поля ротора относительно статора в соответствии с выражениями (19-7) и (19-10)

т. е. скорость вращения поля ротора относительно статора при любой скорости вращения ротора п равна скорости вращения поля статора п_х. Поэтому поля статора и ротора при вращающемся роторе также вращаются всегда синхронно и образуют общее вращающееся поле.

Отметим, что представленная на рис. 19-7 картина направлений токов и механических сил действительна и при вращении ротора, когда 0 < п < п_х (двигательный режим).

Если ротор асинхронной машины с помощью внешней силы (вращающего момента) привести во вращение в направлении вращения поля статора со скоростью выше синхронной (п > п_г), то ротор будет обгонять поле и направления индуктируемых в обмотке ротора токов по сравнению с изображенными на рис. 19-7 изменяется на обратные. При этом изменяется на обратные также направления электромагнитных сил F и электромагнитного момента М. Момент М при этом будет тормозящим, а машина будет работать в режиме генератора и отдавать активную мощность в сеть. Согласно выражению (19-6), в режиме генератора s < 0.

Если ротор вращать в направлении, обратном направлению вращения поля статора (п < 0), то указанные на рис. 19-7 направления е₂, /₂ и F сохраняется. Электромагнитный момент М будет действовать в направлении вращения поля статора, но будет тормозить вращение ротора. Этот режим работы асинхронной машины называется режимом противовключения или р е-жимом электромагнитного тормоза. В этом режиме в соответствии с выражением (19-6) s> 1.

Более подробно режимы работы асинхронной машины рассматриваются в последующем разделе. Здесь, однако, надо отметить, что соотношение (19-11), как нетрудно усмотреть, сохраняется при любом режиме работы, при любом значении s, т. е. поля статора и ротора вращаются синхронно в любом режиме работы асинхронной машины.

§ 19-3. Устройство и принцип действия синхронной машины

Устройство и принцип действия. Статор синхронной машины (рис. 19-8) имеет такое же устройство, как и статор асинхронной машины. Трехфазная или в общем случае m-фазная обмотка статора синхронной машины выполняется с таким же числом полюсов, как и ротор, и называется также обмоткой якоря. Сердечник статора

вместе с обмоткой называется также якорем. На рис. 19-8 условно показаны только выводные концы А, В, С обмотки статора.

Ротор синхронной машины имеет обмотку» возбуждения, питаемую Через два контактных кольца и щетки постоянным током от постороннего источника. В качестве источника чаще всего служит генератор постоянного тока относительно небольшой мощности (0,3—3,0% от мощности синхронной машины), который называется возбудителем и устанавливается обычно на одном валу с синхронной

Рис. 19-8. Принцип устройства явнополюеной (а) и неявнопо-люсной (б) синхронной машины

/ — статор (якорь), 2 — ротор (индуктор), 31 — обмотка возбуждения

машиной. Назначение обмотки возбуждения — создание в машине первичного магнитного поля. Ротер вместе со своей обмоткой возбуждения называется также индуктором. При изготовлении синхронных машин нринимаются меры к тому, чтобы распределение индукции поля возбуждения вдоль окружности статора было по возможности близко к синусоидальному.

Если ротор синхронной машины {рис. 19-8) привести во вращение с некоторой скоростью я об/сек и возбудить его, то поток ■возбуждения Ф^ будет пересекать проводники обмотки статора и в фазах последней будут индуктироваться э. д. с, с частотой

Э. Д. с. статора составляют симметричную трехфазную систему э. д. с, и при подключении к обмотке статора симметричной на-грузйи эта обмотка нагрузится симмметричной системой токов. Машина при этом будет работать в режиме генератора.

При нагрузке обмотка статора создает такое же по своему характеру вращающееся магнитное поле, как и обмотка статора асинхронной машины (см. § 19-2). Это поле статора вращается в направлении вращения ротора со скоростью

«i = /i/P» об/сек.

Если подставить сюда /_х из формулы (19-12), то получим

% = п.

Поля статора и ротора вращаются с одинаковой скоростью и образуют, таким образом, общее вращающееся поле, как и в асинхронной машине,

Поле статора (якоря) оказывает воздействие на поле ротора (индуктора) и называется в связи с этим также полем реакции якоря.

Синхронная машина может работать и в качестве двигателя, если подвести к обмотке ее статора трехфазный ток из сети. В этом случае в результате взаимодействия магнитных полей статора и ротора поле статора увлекает за собой ротор. При этом ротор вращается ~в ту же сторону и с такой же скоростью, как и поле статора.

Из формулы (19-12) следует, что чем больше число пар полюсов синхронной машины р, тем меньше должна быть ее скорость вращения п для получения заданной частоты fi. Соотношения между рия, при 1_г = 50 гц также соответствуют данным табл. 19-1.

По своей конструкции синхронные машины подразделяются на явнополюсные (рис. 19-8, а) и неявнополюсные (рис. 19-8, б).

Явнополюсные синхронные машины (рис. 19-8, а) имеют выступающие полюсы и изготовляются с числом полюсов 2р За 4. На рис. 19-9 представлены фотографии егйтора и ротора явнополюсного синхронного двигателя.

Сердечники полюсов явнополюсных машин (рис. 19-10) набираются из листов стали толщиной 1—2 мм й стягиваются с помощью шпилек. В средних и крупных машинах полюсы крепятся к выступам вала, к втулке вала или к ободу крестовины с помощью Т-образных хвостов. В малых машинах полюсы крепятся также с помощью болтов. Обмотка возбуждения крупных машин наматывается из голой полосовой меди на ребро, и проводники обмотки изолируются друг от друга изоляционными прокладками.

В полюсных наконечниках синхронных двигателей (рис-. 19-9), в соответствующих пазах, помещаются стержни Пусковой обмотки из материала с повышенным удельным сопротивлением (латунь и др.), которые привариваются по торцам к короткозамыкающим сегментам, а последние соединяются в общие короткозамыкающие

Рис. 19-9. Ротор и статор синхронного двигателя типа ДСЗ-21-21-16 на           17 000 кв-а,

14000 кет, 10 000 в, 375 об/мин

кольца. Такая обмотка напоминает беличью клетку короткозам-кнутого асинхронного двигателя и служит для асинхронного пуска синхронного двигателя (см. § 36-1 и 37-1). Такие же по конструкции обмотки, но из медных стержней изготовляются нередко в синхронных генераторах и называются в этом случае успокоительными или демпферными обмотками (о роли демпферных обмоток см. § 39-1). В последнее время полюсы синхронных двигателей часто делают также массивными из стальных поковок, и в этом случае роль пусковой обмотки выполняют сами массивные полюсы. Торцы наконечников соседних полюсов при этом соединяются проводниками в виде планок.

Явнополюсные синхронные машины с горизонтальным валом обычно имеют аксиально-радиальную вентиляцию. У двигателя, изображенного на рис. 19-9, воздух засасывается по обоим торцам машины с помощью вентиляционных лопаток на ободе ротора, затем проходит между полюсами и по воздушному зазору, далее через радиальные каналы в сердечнике статора и выпускается наружу через окна на боковых поверхностях корпуса статора.

Явнополюсные синхронные машины мощностью до 10-12 кет имеют иногда также так называемую обращенную конструкцию, когда индуктор (полюсы) является неподвижным, а якорь вращается. Такие машины напоминают по устройству машины постоянного тока, у которых коллектор заменен тремя контактными кольцами для отвода тока из обмотки якоря. Для крупных машин обращенная конструкция невыгодна, так как отвод из обмотки якоря больших токов при высоком напряжении с помощью колец и щеток чрезвычайно затруднителен и сложно осуществить надежную изоляцию вращающейся якорной обмотки высокого напряжения.

Явнополюсные синхронные машины с горизонтальным валом широко используются в качестве двигателей и генераторов, в частности в качестве так называемых дизель-генераторов, соединяемых с дизельными двигателями внутреннего сгорания. Дизель-генераторы обычно имеют один подшипник, вал генератора жестко

Рис. 19-10. Полюсы явнополюсной синхронной машины

/ — обмотка возбуждения; 2 — сердечник полюса с полюсным наконечником и Т-образным хвостом; 3 — междукатушечные соединения, 4 — шпилька для крепления междукатушечного соединения, 5 — пружина для сжатия обмотки, 6 — клинья

соединяется с валом дизеля, и в качестве второй опоры ротора генератора используется подшипник самого дизеля. Во избежание затруднений, которые могут возникнуть при работе дизель-генератора вследствие неравномерности вращающего момента дизеля как поршневой машины (см. § 39-1), дизель-генератор снабжается маховиком или его ротор выполняется с повышенным маховым моментом (моментом инерции). Аналогичную конструкцию имеют

Рис. 19-11. Капсульный гидрогенератор

1 — капсула; S — статор генератора; 3 — ротор генератора; 4 — направляющий аппарат турбины; 5 — ротор гидравлической турбины; 6 и S — Подшипники;

7 — вал

также синхронные двигатели, предназначенные для привода поршневых компрессоров.

Синхронные генераторы, сочленяемые с гидравлическими турбинами, работающими на гидроэлектростанциях, называются гидрогенераторами. Они имеют явнополюсную конструкцию и при мощностях до нескольких тысяч киловатт чаще всего также выполняются с горизонтальным валом. В последние годы все большее применение начинают находить так называемые капсульные гидрогенераторы .(рис. 19-11), также имеющие горизонтальный вал. Такие генераторы заключаются в водонепроницаемую оболочку, или капсулу, которая с внешней стороны обтекается потоком воды, проходящим через турбину. Такая конструкция применяется для низконалорных гидростанций и позволяет отказаться от машин-

ного зала и достичь большей компактности станции, что приводит к ее удешевлению. Капсульные гидрогенераторы изготовляются на мощности до нескольких десятков тысяч киловатт.

Вертикальные гидрогенераторы (рис. 19-12) представляют собой особый класс явнополюсных синхронных машин, которые имеют вертикальный вал и соединяются непосредственно с гидравлическими турбинами.

Гидравлические турбины в зависимости от напора воды и мощностей имеют обычно относительно малую скорость вращения (п — 60 ■*- 500 об/мин). Скорость вращения тем меньше, чем меньше напор воды и чем больше мощность турбины. Гидрогенераторы поэтому являются тихоходными машинами и имеют большие размеры и веса, а также большое количество полюсов. В СССР изготовлены уникальные и самые крупные в мире гидрогенераторы мощностью до 500 000 квш- Данные ряда изготовленных в СССР гидрогенераторов приведены в табл. 19-2. В этой таблице, кроме использованных ранее, приняты следующие обозначения; D_a — диаметр расточки статрра: / — длина активной части генератора; б — величина зазора (под серединой полюсного наконечника); G_t — вес генератора; g_t — вес на единицу мощности; G_n — давление на подпятник.

Весьма ответственной частью вертикального гидрогенератора является упорный подшипник, или подпятник, который воспринимает веса вращающихся частей генератора и турбины, а также давление воды на лопасти турбины. Поэтому на подпятник действуют огромные усилия (см. табл. 19-2). Особенно трудны условия работы подпятника при пуске и тем более при остановке агрегата, так как при малой скорости вращения масляный клин (пленка) между скодагчщими поверхностями подпятника не образуется и генератор с, турбиной не «всплывают». Вследствие большой инерции гидроагрегата время его выбега (остановки) при закрытии воды и отключении от сети велико. Для уменьшения продолжительности вращения агрегата с низкой скоростью при его остановке применяются тормоза. Кроме подпятников, гидрогенераторы имеют также направляющие подшипники, которые воспринимают радиальные усилия.

На одном валу с гидрогенератором, в верхней его части (рис. 19-12), в большинстве случаев устанавливаются также вспомогательные машины: возбудитель генератора (иногда с подвоз-будителем) и регуляторный генератор, который представляет собой небольшой синхронный генератор с полюсами в виде постоянных магнитов и предназначен для питания двигателей масля-нсго автоматического регулятора турбины. Подвозбудитель представляет собой небольшой генератор постоянного тока, который служит для возбуждения основного возбудителя, питающего

Рис. 19-12. Вертикальный гидрогенератор зонтичного типа

/ — статор, 2 — ротор; 3 — тормоз-домкрат; 4 — грузонесущая крестовина; 5 — маслоохладитель; 6 — подпятник, 7 — направляющий подшипник; 8 — возбудитель; 9 — подвозбудитель, 10 — контактные кольца, // — регуляторный генератор; 12 — воздухоохладитель, 13 — трубы для тушения пожара, 14 — фундаментные плиты; 15 —

вентиляционные крылышки

Таблица 19-2

Основные данные трехфазных гидрогенераторов завода «Электросила»

постоянным током обмотку возбуждения гидрогенератора. В крупных машинах возбудитель нередко заменяют вспомогательным синхронным генератором, который служит как для возбуждения (вместе с ртутными выпрямителями или возбудительными агрегатами, состоящими из двигателя переменного тока и генератора постоянного тока), так и для питания различных двигателей, обслуживающих гидроагрегат, состоящий из турбины и гидрогенератора.

По своей конструкции вертикальные гидрогенераторы подразделяются на подвесные и зонтичные (рис. 19-13). В первом случае

Рис Ш-13 Конструктивные схемы вертикальных гидрогенераторов подвесного (с) и зонтичного (б) исполнения

/ — верхний направляющий подшипник, 2 — нижний направляющий подшипник,

3 — фланец вала, 4 — турбина, 5 — нижняя крестовина, 6 — ротор, 7 — верхняя

крестовина, 8 — подпятник, 9 — фундамент, 10 — направляющий подшипник, // —

направляющий подшипник турбины, 12 — нижняя крестовина

подпятник расположен в верхней части агрегата, на верхней крестовине, и весь агрегат «подвешен» к этой крестовине и к подпятнику. Во втором случае- подпятник находится на нижней крестовине генератора или на крышке турбины и генератор в виде «зонта» расположен над подпятником. При зонтичной конструкции иногда удается снизить высоту агрегата и машинного зала за счет облегчения верхней крестовины и этим уменьшить также вес агрегата и расход материалов.

При аварийном отключении гидрогенератора от сети его скорость сильно возрастает, так как быстрое прекращение доступа большой массы воды в турбину невозможно, а подача энергии в сеть прекращается Достигаемая при этом максимальная, так называемая у г о н н а я, скорость может в два и более раз превы-мить номинальную Поэтому механическая прочность машины рассчитывается на эту скорость.

С вертикальным валом изготовляются также мощные синхронные двигатели для привода больших гидравлических насосов.

Неявнополюсные синхронные машины имеют цилиндрический ротор, выполняемый обычно из массивной стальной поковки. В роторе фрезируются пазы для укладки обмотки возбуждения. Эти машины выпускаются с числом полюсов 2р = 2 и 2р = 4 и имеют поэтому большие скорости вращения (при / = 50 гц соответственно 3000 и 1500 обIмин). Изготовление крупных машин с такими скоростями вращения при явнополюсной конструкции по условиям механической прочности ротора и крепления его полюсов и обмотки возбуждения невозможно.

Основными представителями неявнополюсных машин являются турбогенераторы (рис. 19-14), т. е. синхронные генераторы, предназначенные для непосредственного соединения с работающими на тепловых электростанциях паровыми турбинами. В настоящее время большинство турбогенераторов выполняется двухполюсными, так как паровые турбины являются в принципе быстроходными машинами и при больших скоростях вращения их технико-экономические показатели выше. Однако для атомных электростанций с водо-водяными реакторами выпускаются также четырехпо-люсные турбогенераторы.

Таблица 19-3 Основные данные турбогенераторов на 50 гц и 3000 об/мин

Основные данные ряда выпущенных в СССР двухполюсных турбогенераторов приведены в табл. 19-3, в которой v означает линейную скорость на поверхности ротора при

Рис. 19-14 Турбогенератор с поверхностным водородным охлаждением 30 Мет, 10 500 в, 3000 об/мин

1 — сердечник статора, 2 — сварной корпус статора, 3 — газоохладитель, 4 — наружный щит, 5 — внутреннии щит, 6 — осевой вентилятор, 7 — обмотка статора, 8 — подшипниковый стояк с подшипником, 9 — контактные кольца, 10 — возбудитель, II — выводы

обмотки статора, 12 — ротор

Рис. 19-15. Необмотанный ротор турбогенератора мощностью 320 000 кет

Часть обмотанного ротора турбогенератора мощностью 320 000 кет (с лобовыми частями обмотки возбуждения и без

бандажа)

Роторы турбогенераторов большой мощности (рис. 19-15) изготовляются из цельных поковок высококачественной хромоникеле-вой или хромоникельмолибденовой стали. Однако и при этом предельный диаметр активной части ротора при п_н = 3000 об/мин по условиям механической прочности из-за больших центробежных сил не может превышать 1,20—1,30 м. В связи с этим роторы мощных машин приходится делать длинными. В то же время увеличение длины ротора ограничено пределом увеличения гибкости и прогиба ротора и пределом связанного с этим увеличения его вибрации. Наибольшая возможная активная длина ротора составляет 1я* 7,5—8,5 м.

Таким образом, предельные размеры турбогенераторов ограничены возможностями современной металлургии. Поэтому увеличение предельных мощностей турбогенераторов связано с увеличением электромагнитных нагрузок (линейные нагрузки и плотности тока обмоток) и интенсификацией способов охлаждения.

Обмотка ротора турбогенератора выполняется в виде концентрических _катушек (рис. 19-16) и закрепляется в пазах (рис. 19-17) немагнитными металлическими клиньями (дюралюминий и т. д.), которые обладают требуемой механической прочностью и воспринимают весьма большие центробежные силы обмотки возбуждения. Немагнитные клинья предотвращают возникновение больших магнитных потоков рассеяния, замыкающихся вокруг лазов через клинья и вызывающих излишнее насыщение зубцов и уменьшение полезного потока, проходящего через воздушный зазор в статор. Примерно одна треть каждого полюсного деления ротора свободна от пааов и составляет так называемый большой зуб. Обмотки ротора имеют миканитовую мли другую изоляцию класса В или F. Лобовые части обмотки ротора закрываются прочным кольцеобразным стальным бандажом (рис. 19-18), рассчитанным на действие центробежных сил лобовых частей обмотки и самого бандажа. Весьма серьезной является проблема охлаждения Tyj)6ore-нератора.

Рис 19 17. Паз ротора турбогенератора завода «Электросила» с внутренним, охлаждением -проводников водородом

/ — клин, 2 и 7 ~ стек-лотекстолитовые прокладки, 3 — медный проводник, 4 — вентиляционной канал, 5 — витковая изоляция (стеклотекстолит), в — пазовая изоля ционная гильза (стекло? текстолит), 8 — отверстие для забора (выброса) во дорода иа зазора между статором и ротором

Турбогенераторы мощностью до 30 тыс. кет выполняются с замкнутой системой воздушного охлаждения, а При Р_в 5= 30 тыс. кет воздушная охлаждающая среда заменяется водородом с избыточным давлением около 0,05 атм во избежание засасывания воздуха через уплотнения и образования гремучей смеси. Применение водорода позволяет усилить съем тепла, повысить мощность при заданных размерах машины и уменьшить вентиляционные потери.

Рис. 19-18, Собранный ротор турбогенератора мощностью 320 000 кет

В обоих случаях схема вентиляции одинакова (рис. 19-14 и 19-19). Воздух (или водород) при этом Засасывается двумя вентиляторами, установленными по обоим концам вала внутри машины, распределяется по отдельным струям и омывает лобовые части обмоток статрр|; и ротора, стенки радиальных каналов сердечника статора, внешнюю поверхность ротора и внутреннюю поверхность сердечника статора.

В центральной части машины холодный воздух по одним группам радиальных каналов сердечника статора проходит от его внешней поверхности к воздушному зазору между Статором и ротором и по другим группам радиальных каналов возвращается к внешней поверхности статора. Пространство между внешней поверхностью сердечника статора и корпусом (кожухом) статора разделено в- осевом направлении стенками, перпендикулярными линии вала, на ряд камер холодного и горячего воздуха. В камеры холодный воздух поступает от вентиляторов, а нагретый воздух из

нижней части машины отводится к водяным охладителям, которые при воздушном охлаждении устанавливаются в фундаменте турбогенератора, а при водородном охлаждении — внутри корпуса машины. Подобная система вентиляции называется многоструйной радиальной. Для лучшего охлаждения ротора на его поверхности протачивают по винтовой линии канавки шириной и глубиной до 5—6 мм (см. рис. 19-16).

Создание турбогенераторов с Р_а > 150 000 кет требует дальнейшей интенсификации методов охлаждения. При этом идут

Рис. 19-19 Схема замкнутой системы вентиляции турбогенератора I — вентиляторы; 2 — газоохладители; 3 — зоны лобовых частей обмотки статора

по пути увеличения давления водорода в корпусе до 3—5 атм, При дальнейшем увеличении мощности (Р_н ^ 300 тыс. кет) необходимо перейти к наиболее эффективному способу съема тепла — к внутреннему охлаждению проводников обмоток водородом или водой. Для этой цели применяются полые проводники или в случае охлаждения водородом также проводники с боковыми вырезами для образования вентиляционных каналов (см. рис. 19-17). Водород для охлаждения проводников ротора в турбогенераторах завода «Электросила» забирается через специальные тангенциальные отверстия в клиньях ротора (см. рис. 19-16 и 19-17) и выпускается через такие же отверстия, направленные в обратную сторону и расположенные на другом участке по длине ротора (см. рис. 19-16). Движение водорода по каналам при этом обеспечивается напором, создаваемым в результате вращения ротора. При Р_ц ^ 500 000 кет иногда переходят к охлаждению полых проводников ротора водой. Обмотки статоров турбогенераторов выполняются с внутренним охлаждением проводников водой при Р_н ^ 300 000

(рис. 19-20, на котором видны трубки для подвода и отвода воды у лобовых частей обмотки).

Выше указаны номинальные мощности турбогенераторов, при которых необходимо переходить к более интенсивным способам охлаждения, так как в противном случае достижение этих мощностей при наибольших допустимых размерах машины невозможно. Однако переход к более интенсивным способам охлаждения целесообразен и при меньших мощностях, так как это позволяет умень-

Рис. 19-20. Статор турбогенератора с двухслойной обмоткой, охлаждаемой водой

шить размеры машины, ее вес и стоимость. Этот путь в последнее время и используется на практике. Отметим, что непосредственное охлаждение обмоток водой начинают применять также в мощных гидрогенераторах.

Предельная мощность турбогенератора при внутреннем водяном охлаждении ротора составляет 2000—2500 Mem. При переходе к еще большим мощностям необходимо использовать криогенные турбогенераторы, в которых применяются сверхпроводниковые обмотки возбуждения и чья конструкция весьма существенно отличается от конструкции обычных турбогенераторов.

С неявнополюсными роторами изготовляются также мощные синхронные двигатели при 2р = 2. По аналогии с турбогенераторами такие двигатели называют иногда также турбодвигателями или турбомоторами,

§ 19-4. Особенности устройства многофазных коллекторных машин переменного тока

В разное время был разработан целый ряд различных разновидностей трехфазных коллекторных машин переменного тока. Однако в основе действия каждой из них лежит действие коллектора как преобразователя частоты, благодаря чему частота тока во внешней цепи ротора, за коллектором, не зависит от скорости вращения ротора и всегда равна частоте тока статора. Это обстоятельство в свою очередь позволяет осуществлять электрическую связь цепей статора и ротора и путем видоизменения этой связи

придавать машине особые свойства в отношении регулирования скорости вращения и т. д.

Типичная конструкция трехфазной коллекторной машины включает в себя: 1) статор с трехфазной обмоткой, аналогичный статору асинхронной или синхронной машины; 2) ротор, аналогичный якорю машины постоянного тока, и с такой же обмоткой, соединенной с коллектором. На коллекторе на каждом двойном полюсном делении вместо двух щеточных пальцев, как у машины постоянного тока, устанавливаются три щеточных пальца, причем щетки щеточных пальцев каждой фазы соединяются с помощью перемычек параллельно, как и в машине постоянного тока. Кроме того, на статоре и роторе могут быть и некоторые дополнительные обмотки. Соединенная с коллектором замкнутая якорная обмотка при установке на коллекторе, как указано выше, трехфазного комплекта щеток, сдвинутых относительно друг друга на 120.° эл. (рис. 19-21), представляет собой трехфазную обмотку, соединенную в треугольник. Токи через щетки А, В, С равны разностям токов фаз i_a, i_b, i_L. При вращении якоря положение каждой фазы обмотки неизменно и секции обмотки переходят поочередно из одних фаз в другие. При установке шестифазного комплекта щеток, сдвинутых относительно друг друга на 60° эл., получается шестифазная обмотка, соединенная в многоугольник.

Поясним работу коллектора как преобразователя частоты.

На рис. 19-22 схематически изображена машина постоянного

тока. Когда ее щетки и полюсы неподвижны (п_щ = n<» = 0), а якорь

вращается со скоростью п, то в обмотке якоря индуктируются

э. д. с. (ток) частоты

f, = pn.                                    (19-13)

в то время как во внешней цепи якоря и щеток частота /_щ = 0. Таким образом, в данном случае коллектор превращает ток с частотой /_я внутри якоря в ток с частотой /_щ = 0 во внешней цепи или наоборот.

Если теперь с помощью подходящего механизма привести щетки во вращение со скоростью я_щ, то полярность щеток будет меняться с частотой

/_щ = рл_щ                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  (19-14)

и во внешней цепи получим ток частоты /_щ. Таким образом, теперь коллектор преобразовывает ток с частотой /_я внутри якоря в ток с частотой /_щ Ф О во внешней цепи или наоборот. Очевидно, что частота /_щ во внешней цепи не изменится, если вместо щеток вращать полюсы со скоростью Пф = п_щ. При этом изменятся лишь частота в самой обмотке якоря

и величина индуктируемой в ней э. д.с. Такое преобразование частот будет происходить и тогда, когда вместо машины постоянного тока с вращающимися полюсами будем иметь статор многофазной машины переменного тока, который питается током с частотой /; и создает магнитное поле со скоростью вращения

Подставив п_Ф = п_т из (19-16) в (19-14), получим [_щ — /₁₍ т. е. частоты тока статора и тока внешней цепи ротора равны, как это и указывалось в начале данного параграфа.

Таким образом, частота на щетках многофазной коллекторной машины определяется скоростью вращения магнитного потока относительно неподвижных щеток.

Отметим, что знак плюс в выражении (19-15) относится к случаю встречных направлений вращения ротора и поля, а знак минус — к случаю согласных направлений их вращения.

Особенности работы различных видов коллекторных машин переменного тока весьма индивидуальны и здесь не рассматриваются.

Содержание
Предыдущий § Следующий