Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины т 2

Подождите немного. Документ загружается.

Кроме гидрогенераторов

явнополюсными изготовля-

ются синхронные генерато-

ры и двигатели общего при-

менения мощностью от 5 до

10 000 кВт и частотой враще-

ния от 500 до 1500 об/мин.

Эти машины имеют ряд мо-

дификаций по конструктив-

ному исполнению и изготов-

ляются горизонтальными на

двух щитовых или стояко-

вых (рис. 51.16) подшипни-

ках. Они охлаждаются возду-

хом по разомкнутому циклу и

выполняются защищенными

или открытыми.

Явнополюсное исполне-

ние имеют и синхронные ком-

пенсаторы, предназначенные

для генерирования реактив-

ной мощности. Обычно они

выполняются восьмиполюс-

ными и при частоте напряжения 50 Гц имеют частоту вращения

750 об/мин.

Синхронные компенсаторы мощностью от 10 до 30 МBæ A выпол-

няются закрытыми с воздушным косвенным охлаждением и устанав-

ливаются в закрытом помещении. Их вентиляция осуществляется по

замкнутому циклу с охлаждением воздуха в водяных охладителях,

расположенных в фундаментной яме. Компенсаторы мощностью от

50 до 160 МВæА (рис. 51.17) имеют герметичное исполнение и охла-

ждаются водородом при избыточном давлении (1—2)10

Па. Водород

охлаждается в охладителях, размещенных в торцевых частях статора.

Следует отметить, что водородное охлаждение, обладающее боль-

шими преимуществами по сравнению с воздушным (см. § 51.3), было

впервые реализовано именно в синхронных компенсаторах. Объясня-

ется это тем, что компенсаторы работают в режиме двигателя на хо-

лостом ходу, потребляющего активную мощность из сети. Вал ком-

пенсатора не выводится за пределы его корпуса, что существенно об-

легчает разрешение проблемы уплотнения внутреннего пространства

корпуса, заполненного водородом.

Рис. 51.15. Устройство непосредственного

воздушного охлаждения обмотки ротора

гидрогенератора

Схемарасположения

вентиляционныхлопато

Направление

вращения

Рис. 51.16. Синхронная машина серии СГН (или СДН) в открытом исполнении

Рис. 51.17. Синхронный компенсатор с косвенным водородным охлаждением

51.3. Констрция неявнополюсных синхронных машин

Неявнополюсное исполнение ротора характерно для двухполюс-

ных и четырехполюсных синхронных машин с частотой вращения

1500 и 3000 об/мин. Явнополюсное исполнение ротора не подходит

для таких машин из-за трудностей в креплении сосредоточенных об-

моток возбуждения при малом числе полюсов (особенно в двухпо-

люсных машинах). Поэтому, несмотря на то что явнополюсное испол-

нение ротора дешевле, в двух- и четырехполюсных машинах приме-

няются исключительно неявнополюсные роторы.

Конструктивная компоновка типичной неявнополюсной синхрон-

ной машины — двухполюсного турбогенератора небольшой мощно-

сти с косвенным воздушным охлаждением — представлена на

рис. 51.18. Магнитопровод ротора 2 изготовляется как единое целое с

хвостовиками (концами вала) из одной стальной поковки (тело магни-

топровода играет в активной зоне роль вала). Основные элементы не-

явнополюсного ротора — магнитопровод 3 и хвостовик 6 — показа-

ны на рис. 51.19.

Для обеспечения достаточной механической прочности элементов

магнитопровода, воспринимающих центробежные силы, магнито-

провод изготавливают из наиболее прочных сталей, легированных

хромом, никелем и молибденом. Как показано на поперечном и про-

дольном разрезах ротора (рис. 51.20), на наружной цилиндрической

поверхности тела магнитопровода 1 фрезеруются пазы прямоуголь-

ной формы для катушек распределенной обмотки возбуждения 5,

принципиальная схема которой показана на рис. 22.12. Пазы равно-

мерно распределяются в двух диаметрально противоположно разме-

щенных зонах, каждая из которых охватывает 1/3 часть окружности.

Между пазами в пределах этих зон образуются малые зубцы магнито-

провода 3, между двумя зонами образуются большие зубцы магнито-

провода 2. В центре ротора имеется сквозное отверстие 4.

Проводники и изоляция обмотки возбуждения быстроходных

неявнополюсных машин испытывают действие больших центробеж-

ных сил и значительные термические напряжения. Поэтому для про-

водников 1 обмоток используется медь с присадкой серебра, имею-

щая повышенные механические прочностные свойства. Конструкция

изоляции существенно зависит от способа охлаждения обмоток.

При косвенном охлаждении (рис. 51.21, а) витковая изоляция про-

водников 2 выполняется в виде прокладок из миканита, закреплен-

ных стеклолентой. В качестве корпусной изоляции пазовых частей

катушек применяются пазовые коробки (гильзы), которые изготовля-

1110

12 13 14 156

16171819

Рис. 51.18. Неявнополюсная синхронная машина (турбогенератор) с косвенным воздушным охлаждением:

1 — корпус статора; 2 — магнитопровод ротора; 3 — пакет магнитопровода статора; 4 — стяжная шпилька; 5 — стержень обмотки

статора; 6 — нажимное кольцо; 7 — бандажное кольцо ротора; 8 — кронштейн для крепления обмотки; 9 — воздухоразделительная

перегородка с диффузором; 10 — катушка обмотки возбуждения; 11 — центрирующее кольцо; 12 — центробежный вентилятор; 13 —

траверса со щеточным устройством; 14 — крышка подшипника; 15 — вкладыш подшипника; 16 — электромашинный возбудитель;

17 — гибкая соединительная муфта; 18 — стояк подшипника; 19 — контактное кольцо; 20 — направляющий аппарат вентилятора;

21 — соединение между контактными кольцами и обмоткой возбуждения; 22 — труба системы пожаротушения; 23 — выводы об-

мотки статора; 24 — направление движения нагретого воздуха к охладителям; 25 — направление движения охлажденного воздуха;

26 — термометр охлажденного воздуха; 27 — торцевой щит; 28 — смотровой люк

ются из миканита или стеклоткани 3 методом горячей прессовки

в пресс-форме. Коробка имеет защитную оболочку 4 из стали. После

укладки витков края коробки нагревают и загибают внахлест. Перед

заклиновкой в паз поверх коробки укладывают миканитовые про-

кладки 5, а непосредственно под клин — стальную пластину 6. Кли-

нья 7 изготовляют из дюралюминия, имеющего повышенные механи-

ческие свойства.

При непосредственном водородном охлаждении (рис. 51.21, б)

витковая изоляция 2 в пазовой части катушки выполняется в виде по-

лосок стеклоткани, наклеенных на проводник 1. Пазовая коробка —

из стеклоткани 3, армированной снаружи стальной оболочкой 4. На

дно коробки укладывают профилированную стеклотекстолитовую

Рис. 51.19. Внешний вид неявнополюсного ротора:

1 — контактные кольца; 2 — бандажное кольцо; 3 — массивный магнитопровод; 4 —

немагнитный клин паза ротора; 5 — центробежный вентилятор; 6 — хвостовик

Рис. 51.20. Поперечный и продольный разрезы неявнополюсного ротора:

1 — ярмо магнитопровода ротора; 2 — большой зубец магнитопровода; 3 — ма-

лый зубец магнитопровода; 4 — осевой канал магнитопровода; 5 — катушка об-

мотки возбуждения; 6 — аксиальный канал в большом зубце; 7 — магнитный клин

канала; 8 — немагнитный клин; 9 — бандажное кольцо; 10 — центрирующее коль-

цо; 11 — соединение между обмоткой возбуждения и контактными кольцами; 12 —

контактные кольца; 13 — изоляция втулки; 14 — втулка контактных колец

прокладку 8 с каналами для охлаж-

дающего газа. Под клин 7 устанавли-

вают стеклотекстолитовую проклад-

ку 5 с пазами для прохождения газа в

каналы или из каналов на боковых по-

верхностях пазовых частей катушек.

Радиально направленные центро-

бежные силы, действующие на пазо-

вые части катушек возбуждения 5

(см. рис. 51.20), через клинья 8 пере-

даются на зубцы 2, 3 и воспринима-

ются ярмом магнитопровода 1. Цен-

тробежные силы лобовых частей об-

мотки возбуждения передаются через

изолирующие прокладки на сплошные

массивные бандажные кольца 7 (см.

рис. 51.18) или 9 (см. рис. 51.20). В не-

больших турбогенераторах применя-

ются бандажные кольца 7 (рис. 51.18)

из легированной стали повышенной

прочности, которые во избежание об-

разования замкнутого магнитного

контура вокруг лобовых частей отде-

лены воздушным промежутком от

магнитопровода и опираются только

на центрирующее кольцо 11, наса-

женное на хвостовик ротора. В круп-

ных турбогенераторах применяются

бандажные кольца 9 (рис. 51.20) из немагнитной стали, опирающиеся и

на зубцы магнитопровода 2, 3 и на центрирующее кольцо 10.

Для подведения тока от возбудителя 16 (см. рис. 51.18) к выводам

обмотки возбуждения 10 используется следующая цепочка электри-

чески соединенных элементов: щетки возбудителя, АГП, щетки кон-

тактных колец генератора 13, контактные кольца обмотки возбужде-

ния 19, соединительные шины 21.

Статор неявнополюсной синхронной машины устроен так же, как

в явнополюсной машине, и отличается лишь соотношениями между

главными размерами (см. выше). В небольших неявнополюсных ма-

шинах применяются петлевые обмотки, образованные из многовит-

ковых (обычно двухвитковых) катушек (5 на рис. 51.18); в крупных

турбогенераторах — только петлевые стержневые обмотки с двумя

стержнями в пазу.

б)

Рис. 51.21. Конструкция изоля-

ции и крепления обмоток возбу-

ждения синхронных неявнопо-

люсных машин:

а — косвенное охлаждение; б —

непосредственное охлаждение

Конструкция катушечных и стержневых обмоток описана в § 51.2

(см. рис. 51.6).

В турбогенераторе по рис. 51.18 применено косвенное охлажде-

ние с циркуляцией воздуха в замкнутой системе. Необходимый для

движения воздуха напор создается центробежными вентиляторами

12. Направление движения воздуха указано стрелками. Воздух цир-

кулирует внутри замкнутой системы вентиляции, нагреваясь при

движении вдоль активных частей машины и отдавая тепло в теплооб-

менниках, охлаждаемых водой. Теплообменники, вынесенные за пре-

делы машины, на рисунке не показаны. По числу струй нагретого воз-

духа, выбрасываемого из машины, система охлаждения по рис. 51.18

называется двухструйной.

Косвенное воздушное охлаждение применяется при мощности

турбогенератора до 25 МВт. При мощностях для охлажде-

ния турбогенераторов применяется водород, обладающий более бла-

гоприятными свойствами, чем другие газы.

В условиях эксплуатации удается поддержать чистоту водорода

около 97 % (по объему). Остальные 3 % приходятся на долю паров во-

ды и воздуха. Плотность этой газовой смеси при избыточном давле-

нии 0,05æ10

Па примерно в 8 раз меньше, чем плотность воздуха.

Коэффициент теплопередачи от охлаждаемой поверхности к водоро-

ду в 1,35 раза больше, теплопроводность примерно в 5 раз больше,

чем теплопроводность воздуха. Благодаря этим свойствам косвенное

водородное охлаждение обладает следующими преимуществами:

вентиляционные потери и потери на трение ротора об охлаждаю-

щий газ снижаются примерно в 8 раз;

вследствие значительно большей теплопроводности водорода

практически исчезают температурные перепады, связанные с нали-

чием газовых прослоек в изоляции, а также между изоляцией и стен-

кой паза. Коэффициент теплопередачи изоляции возрастает пример-

но в 1,3 раза. Одновременно увеличивается примерно в 1,35 раза ко-

эффициент теплопередачи от охлаждаемой поверхности к газу;

изоляция машин с водородным охлаждением более надежная

и долговечная благодаря отсутствию окисления, грязи и сырости,

а также вследствие того, что коронирование в водороде менее вредно

для изоляции, чем коронирование в воздухе;

отсутствует опасность пожара обмотки, так как водород не под-

держивает горения.

При водородном охлаждении водяные газоохладители встраивают

или в корпус статора (рис. 51.22), или в торцевые щиты статора (см.

рис. 51.27).

В турбогенераторах с косвенным охлаждением ротор охлаждает-

ся водородом с наружной поверхности. При этом не удается изба-

больших

′

9060

650

2850

2770

1000

1625

4350

1700

750

814

870

2700

2800

Рис. 51.22. Турбогенератор ТВС-30-2 мощностью 30 МВт, 3000 об/мин с косвенным водородным охлаждением. Продольный разрез

виться от существенных пере-

падов температуры в пазовой

изоляции. Дальнейшее сниже-

ние превышений температуры

обмоток, открывающее воз-

можность повышения мощно-

сти при сохранении основных

размеров машины, удается по-

лучить путем увеличения дав-

ления водорода в машине.

Однако увеличение давления

приводит только к снижению

перепада температуры от по-

верхности к газу и к снижению

подогрева газа (примерно об-

ратно пропорционально дав-

лению), но не сказывается на

остальных перепадах темпе-

ратуры, имеющих место при

косвенном охлаждении.

При предельных размерах

ротора (диаметр 1,1—1,15 м,

длина активной части 6,5 м),

которые определяются допус-

тимыми механическими напряжениями в материале ротора и возмож-

ностью получения приемлемых критических частот вращения (см.

§ 34.3), предельная мощность турбогенератора с косвенным водород-

ным охлаждением (при избыточном давлении 0,05æ10

Па) не пре-

восходит 150 МВт.

Увеличение давления водорода при косвенном охлаждении не по-

зволяет снизить перепад температуры в изоляции паза и стали магни-

топровода. Поэтому увеличение избыточного давления примерно

до 2æ10

Па дает возможность повысить предельную мощность тур-

богенератора с косвенным охлаждением только до 200 МВт.

Воздух

Водород

Масло

Рис. 51.23. Устройство водородно-

го уплотнения торцевого типа:

1 — вал ротора; 2 — вкладыш уп-

лотнения; 3 — баббит; 4 — нажим-

ные пружины; 5 — лабиринтное

уплотнение; 6 — уплотнительная

шайба