Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины т 2

Подождите немного. Документ загружается.

Иванов-Смоленский А.В.

Электрические машины: Учебник для вузов. В 2-х т. Том 2.

— 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Издательство МЭИ, 2004. —

532 [4] с.: ил.

ISBN 5-7046-0913-9 (т. 2)

ISBN 5-7046-0914-7

Излагаются основные вопросы теории и конструкций синхронных электричес-

ких машин, машин постоянного тока, вентильных и коллекторных машин перемен-

ного тока. Рассматриваются переходные процессы в машинах переменного тока

(синхронных и асинхронных).

Первое издание учебника вышло в свет в 1980 г. в издательстве «Энергия».

Для студентов вузов и инженеров электромеханических и электроэнергети-

ческих специальностей.

УДК 621.313(075.8)

ББК 31.261я73

УДК 621.313(075.8)

ББК 31.261я73

И 209

Рецензенты: докт. техн. наук, профессор,

заслуж. деят. науки и техники РСФСР В.В. Хрущев;

докт. техн. наук, профессор А.Т. Пластун

ISBN 5-7046-0913-9 (т. 2) © Издательство «Энергия», 1980 г.

ISBN 5-7046-0914-7 © А.В. Иванов-Смоленский, 2004 г.

И 209

Ч а с т ь п я т а я . СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

Глава пятьдесят первая

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИНХРОННЫХ МАШИНАХ

51.1. Назначение и области применения синхронных машин

Синхронной машиной называется двухобмоточная электрическая

машина переменного тока, одна из обмоток которой присоединена к

электрической сети с постоянной частотой ω

, а вторая — возбуж-

дается постоянным током (ω

= 0)*.

Наибольшее распространение получили синхронные машины

с трехфазной разноименнополюсной p-периодной обмоткой на ста-

торе (см. гл. 22) и с разноименнополюсной p-периодной обмоткой

возбуждения на роторе (рис. 51.1, а).

Машины этого исполнения называют просто синхронными маши-

нами, в то время как синхронные машины иных исполнений относят-

ся к специальным синхронным машинам.

a) б)

Рис. 51.1. Возможные исполнения синхронной машины:

основное (а) и обращенное (б); 1 — магнитопровод якоря; 2 — якорная трехфазная

обмотка; 3 — магнитопровод индуктора; 4 — обмотка возбуждения; 5 — токосъем-

ное устройство

* В более широком смысле синхронной называется двухобмоточная машина переменного

тока, обе обмотки которой питаются от сетей с постоянными частотами ω

и ω

(см. § 21.2).

Синхронные машины небольшой мощности (2—5 кВт) иногда из-

готовляются в обращенном исполнении с обмоткой возбуждения на

статоре и с трехфазной обмоткой на роторе (рис. 51.1, б).

Оба исполнения в электромагнитном отношении равноценны, од-

нако для крупных синхронных машин предпочтительнее основное

исполнение (рис. 51.1, а), так как в этом случае с помощью скользя-

щего контакта подводится мощность возбуждения, составляющая

0,3—2 % преобразуемой мощности, а не полная мощность, как в об-

ращенном исполнении.

Трехфазная обмотка переменного тока называется якорной обмот-

кой. Соответственно часть машины, несущая якорную обмотку, назы-

вается якорем; часть машины, несущая обмотку возбуждения,— ин-

дуктором. В основном исполнении статор является якорем, ротор —

индуктором, в обращенном исполнении — наоборот.

В синхронных машинах небольшой мощности для образования

поля возбуждения часто используются постоянные магниты.

Синхронные машины широко используются в промышленности.

Основная область их применения — преобразование механической

энергии в электрическую. Преобладающая часть электрической энер-

гии, используемой в народном хозяйстве и в бытовых целях, произво-

дится с помощью синхронных трехфазных турбогенераторов и гид-

рогенераторов. Первые приводятся во вращение паровыми или газо-

выми турбинами, вторые — гидротурбинами.

Синхронные генераторы с приводом от других типов двигателей

(дизельных, внутреннего сгорания, поршневых паровых и др.) выпол-

няются небольшой мощности для питания автономных нагрузок.

Синхронные машины применяются также в качестве двигате-

лей, особенно в крупных установках (привод поршневых компрессо-

ров, воздуходувок, гидравлических насосов), так как в отличие

от асинхронных двигателей они способны генерировать, а не по-

треблять реактивную мощность. Большое распространение получи-

ли также синхронные двигатели малой мощности (особенно син-

хронные микродвигатели с постоянными магнитами).

Обычно синхронные машины рассчитываются таким образом, что-

бы они могли генерировать реактивную мощность, примерно равную

активной мощности (соответственно около 0,6 и 0,8 полной мощно-

сти). В ряде случаев оказывается выгодным устанавливать около

крупных промышленных центров синхронные машины, предназна-

ченные исключительно для генерирования реактивной мощности.

Эти синхронные машины называются синхронными компенсаторами.

Согласно стандартам на электрические машины, турбогенерато-

ры, гидрогенераторы и синхронные компенсаторы к номинальным

данным синхронной машины относятся:

номинальная мощность (для генераторов и синхронных компенса-

торов — полная электрическая мощность, кВæ А; для двигателей —

механическая мощность на валу двигателя, кВт);

номинальный коэффициент мощности (при перевозбуждении);

номинальный КПД (только для двигателей);

схема соединения фаз обмотки статора;

номинальное линейное напряжение обмотки якоря (статора), В;

номинальная частота вращения, об/мин (для гидрогенераторов

указывается еще и угонная частота вращения);

номинальная частота тока якоря, Гц;

номинальный линейный ток якоря, А;

номинальные напряжения и ток обмотки возбуждения.

Все промышленные синхронные машины выполняются на стан-

дартизованную частоту 50 Гц*. Требуемая синхронная частота вра-

щения n, об/мин (или угловая скорость Ω, рад/с), обеспечивается вы-

бором соответствующего числа периодов обмоток

p = .

Число периодов обмоток для некоторых возможных частот враще-

ния приведено ниже:

В зависимости от мощности турбины и напора воды частота вра-

щения гидрогенераторов изменяется от 50 до 600 об/мин. Большие

частоты вращения соответствуют высоконапорным ГЭС с турбинами

небольшой мощности, меньшие частоты — низконапорным ГЭС

с крупными турбинами.

Турбогенераторы, как правило, выполняются на частоту вращения

3000 об/мин и имеют соответственно число периодов p = 1. При p = 2

изготовляются турбогенераторы для атомных электростанций (АЭС),

где при имеющихся параметрах пара иногда не удается получить час-

тоту вращения турбины более 1500 об/мин.

Особенности условий работы гидрогенератора и турбогенератора

влияют на конструкцию этих машин. Гидрогенераторы (рис. 51.2)

выполняются преимущественно с вертикальной осью вращения. Тур-

бина располагается под гидрогенератором, и ее вал, несущий рабочее

колесо, сопрягается с валом генератора с помощью фланцевого со-

единения. Так как частота вращения мала, а число полюсов велико,

p .............................. 12348163264

n, об/мин

................... 3000 1500 1000 750 375 187,5 93,7 46,9

* В США и некоторых других странах стандартизована частота 60 Гц.

60f

--------

2πf

--------

2324252627

ротор генератора выполняется с большим диаметром и малой актив-

ной длиной. Обычно ротор имеет явнополюсное исполнение (см. ни-

же). Активные части в этой тихоходной машине занимают сравни-

тельно малую долю ее общего объема. Большую часть объема зани-

мают конструктивные части: опорный подшипник — подпятник, вос-

принимающий массу вращающихся частей генератора и турбины; на-

правляющие подшипники, придающие оси ротора определенное по-

ложение в пространстве; верхняя и нижняя крестовины, несущие на

себе подпятник и подшипники, корпус статора, остов ротора, возду-

хоохладители, маслоохладители и др.

Гидроагрегаты, объединяющие турбину и гидрогенератор, являют-

ся крупнейшими из используемых в промышленности машин. Их мощ-

ность достигает 200—600 МВæА, высота 20—30 м. Гидрогенераторы,

изготовленные для Саяно-Шушенской ГЭС, являются самыми мощны-

ми в мире. Они имеют мощность 715 MBæA при частоте вращения

143 об/мин. Внешний диаметр генератора примерно 15 м, диаметр его

ротора 12 м, длина магнитопровода статора 2,75 м.

Турбогенераторы почти всегда выполняются с горизонтальной

осью вращения (см. рис. 51.5). Диаметр ротора турбогенератора зна-

чительно меньше, чем его активная длина, ротор обычно имеет неяв-

нополюсное исполнение (см. ниже). Предельный диаметр ротора при

частоте вращения 3000 об/мин по условиям механической прочности

составляет 1,2—1,25 м. Активная длина ротора по условиям механи-

ческой жесткости не превышает 6—6,5 м. Благодаря уменьшению

размеров конструктивных частей активные части занимают в турбо-

генераторе относительно больший объем.

Рис. 51.2. Явнополюсная синхронная машина (гидрогенератор) с косвенным ох-

лаждением:

1 — корпус статора; 2 — полюс ротора; 3 — пакет магнитопровода статора; 4 —

катушка обмотки возбуждения; 5 — кронштейн для крепления обмотки; 6 — мас-

лоохладитель; 7 — сегмент подпятника; 8 — сегмент верхнего направляющего

подшипника; 9 — втулка подпятника и направляющего подшипника; 10 — якорь

возбудителя; 11 — полюс возбудителя с обмоткой; 12 — коллектор возбудителя; 13

— щеточное устройство возбудителя; 14 — контактные кольца машины; 15 — ще-

точное устройство контактных колец; 16 — регуляторный генератор; 17 — станина

возбудителя; 18 — верхняя крестовина; 19 — соединение между обмоткой возбу-

ждения машины и контактными кольцами; 20 — обод ротора; 21 — нижняя кре-

стовина; 22 — вал; 23 — втулка нижнего направляющего подшипника; 24 —

сегмент нижнего направляющего подшипника; 25 — тормоз; 26 — тормозное коль-

цо ротора; 27 — осевой вентилятор; 28 — воздухоразделительный щит; 29 — об-

мотка статора; 30 — выводы обмотки статора; 31 — нажимная щека полюса

Характерное для генераторостроения постоянное стремление

к увеличению мощности в единице реализуется применительно к тур-

богенераторам главным образом за счет внедрения более интенсивных

способов охлаждения без заметного увеличения габаритных размеров.

Турбогенераторы мощностью 800—1000 МВт имеют практически

такие же габаритные размеры, как турбогенераторы мощностью

100 MBт, и отличаются от последних только тем, что в них применяет-

ся непосредственное охлаждение проводников обмоток водородом

при давлении до 5æ10

Па, дистиллированной водой или маслом.

В нашей стране освоен серийный выпуск турбогенераторов мощ-

ностью до 800 МВт.

Синхронные двигатели выпускаются серийно мощностью от

100 кВт до нескольких десятков тысяч киловатт и на частоты враще-

ния от 3000 до 100 об/мин. При частоте вращения 3000 об/мин двига-

тели выполняются с неявнополюсными роторами и их конструкции

близки к конструкциям турбогенераторов, при частотах вращения

1500 об/мин и менее двигатели выполняются с явнополюсными рото-

рами и их конструкции близки к конструкциям гидрогенераторов при

вертикальном исполнении или дизель-генераторов при горизонталь-

ном исполнении.

Освоен также серийный выпуск синхронных двигателей малой

мощности различных типов в широком диапазоне частот вращения

(от нескольких оборотов в минуту до 3000 об/мин) и мощностей

(от долей ватта до нескольких сот ватт).

Для гидроаккумулирующих электростанций применяются обрати-

мые гидрогенераторы-двигатели. Приводя в движение насос, перека-

чивающий воду в верхний резервуар, обратимые машины работают в

режиме двигателя. Наоборот, приводимые в движение турбиной,

в которую поступает вода из верхнего резервуара, эти машины рабо-

тают в режиме генератора. Мощность обратимых машин может дос-

тигать 200—300 МВт.

Синхронные компенсаторы выпускаются мощностью от 15 до

160 МВæА при частотах вращения 750—1000 об/мин. Ротор этих

машин имеет явнополюсное исполнение. Охлаждение обычно водо-

родное.

В зависимости от мощности и частоты вращения номинальное на-

пряжение обмотки якоря (статора) синхронных машин выбирается

из числа стандартных напряжений: 0,23; 0,4; 3,15; 6,3; 10,5; 13,8;

15,75 кВ (для генераторов) и 0,22; 0,38; 3; 6; 10 кВ (для двигателей).

В крупных турбогенераторах и гидрогенераторах номинальное на-

пряжение обмотки якоря иногда принимают нестандартным — от 18

до 24 кВ. Номинальное напряжение обмотки возбуждения выбирает-

ся в пределах от 24 до 400 В.

С ростом мощности и частоты вращения КПД машины увеличива-

ется. При мощности 100—4000 кВæА он составляет 0,9—0,95; в гид-

рогенераторах и турбогенераторах большой мощности он достигает

0,97—0,99. Более подробные технические данные синхронных ма-

шин приводятся в гл. 62.

51.2. Констрция синхронных явнополюсных машин

Конструкция синхронной машины и в первую очередь конструк-

ция ее ротора существенным образом зависят от заданной частоты

вращения*. При n < 1500 об/мин и соответственно при p > 2, т.е.

в гидрогенераторах, синхронных компенсаторах и тихоходных двига-

телях, применяется явнополюсной ротор. Машина с таким ротором

называется явнополюсной. При n = 3000 (1500) об/мин и соответст-

венно p = 1 (2), т.е. в турбогенераторах и турбодвигателях, применя-

ется неявнополюсный ротор и машина называется неявнополюсной.

Конструкцию явнополюсной синхронной машины рассмотрим на

примере вертикального гидрогенератора, показанного на рис. 51.2.

Статор синхронной машины не отличается по своему устройству

от статора асинхронной машины. При наружном диаметре магнито-

провода статора менее 1 м последний набирается из цельных кольце-

вых пластин электротехнической стали (см. гл. 38, рис. 38.1, 38.3,

38.6). При наружном диаметре магнитопровода статора более 1 м, т.е.

в большинстве синхронных машин, каждый кольцевой слой магнито-

провода набирается из многих пластин, называемых сегментами (та-

кая же конструкция применяется в этом случае и в асинхронных ма-

шинах).

Сегменты (рис. 51.3) штампуются из листовой или рулонной элек-

тротехнической стали толщиной 0,5 мм. На наружной поверхности

ярма сегмента предусматриваются специальные выемки, с помощью

a) б)

Рис. 51.3. Сегменты магнитопровода статора:

а — с краями по середине паза; б — с краями по середине зубца

* Конструкцию синхронных машин рассматривают здесь применительно к крупным

синхронным машинам. Сведения о конструкции синхронных машин малой мощности при-

ведены в гл. 63.