Вольдек А.И. Электрические машины

Подождите немного. Документ загружается.

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 синхрон-

ных генераторах и называются в этом случае успокоитель-

ными или демпферными обмотками (о роли демпфер-

ных 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 соеди-

няются проводниками в

виде планок.

Явнополюсные син-

хронные машины с гори-

зонтальным валом обыч-

но имеют аксиально-ра-

диальную вентиляцию.

У двигателя, изображен-

ного на рис. 19-9, воздух

засасывается по обоим

торцам машины с по-

мощью вентиляционных

лопаток на ободе ро-

тора, затем проходит

между полюсами и по

воздушному зазору, да-

лее 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 враща-

ется. Такие машины напоминают по устройству машины постоянного

тока, у которых коллектор заменен тремя контактными кольцами

для отвода тока из обмотки якоря. Для крупных машин обращен-

ная конструкция невыгодна, так как отвод из обмотки якоря боль-

ших 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, соеди-

няемых с дизельными двигателями внутреннего сгорания. Дизель-

генераторы обычно имеют один подшипник, вал генератора жестко

машины

1 — обмотка возбуждения; 2 — сердечник полюса

с полюсным наконечником и Т-образным хйостом;

3 — междукатушечные соединения, 4 — шпилька для

крепления междукатушечного соединения, S — пру-

жина 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-гене-

ратора 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; 2 — статор генератора; 3 — ротор генераторе; 4 — направляющий

аппарат турбины; 5 — ротор гидравлической турбины; 6 И 8 — Подшипники;

7 — вал

также синхронные двигатели, предназначенные для привода поршне"

вых компрессоров.

Синхронные генераторы, сочленяемые с гидравлическими тур-

бинами, работающими на гидроэлектростанциях, называются гидро-

генераторами. Они имеют явнополюсную конструкцию и при

мощностях до нескольких тысяч киловатт чаще всего также выпол-

няются с горизонтальным валом. В последние годы все большее

применение начинают находить так называемые капсульные гидро-

генераторы {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 низконапориых 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 гидравли-

ческими турбинами.

Гидравлические турбины в зависимости от напора воды и мощ-

ностей имеют обычно относительно малую скорость вращения

(тг = 60 -ъ 500 об!мин). Скорость вращения тем меньше, чем меньше

напор воды и чем больше мощность турбины. Гидрогенераторы

поэтому являются тихоходными машинами и имеют большие раз-

меры и веса, а также большое количество полюсов. В СССР изго-

товлены уникальные и самые крупные в мире гидрогенераторы

мощностью до 500 000 квт- Данные ряда изготовленных в СССР

гидрогенераторов приведены в табл. 19-2. В этой таблице, кроме

использованных ранее, приняты следующие обозначения; D

—

диаметр расточки статора: I — длина активной части генератора;

б — величина зазора (под серединой полюсного наконечника);

(

— вес генератора; g

— вес на единицу мощности; G

— дав-

ление на подпятник.

Весьма ответственной частью вертикального гидрогенератора

является упорный подшипник, или подпятник, который восприни-

мает веса вращающихся частей генератора и турбины, а также

давление воды на лопасти турбины. Поэтому на подпятник дей-

ствуют 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 сколкчщими поверхностями подпятника не образуется

и генератор с турбиной не «всплывают». Вследствие большой инер-

ции гидроагрегата время его выбега (остановки) при закрытии

воды и отключении от сети велико. Для уменьшения продолжи-

тельности вращения агрегата с низкой скоростью при его остановке

применяются тормоза. Кроме подпятников, гидрогенераторы имеют

также направляющие подшипники, которые воспринимают радиаль-

ные усилия.

На одном валу с гидрогенератором, в верхней его части

(рис. 19-12), в большинстве случаев устанавливаются также вспомо-

гательные машины: возбудитель генератора (иногда с подвоз-

будителем) и регуляторный генератор, который представляет

собой небольшой синхронный генератор с полюсами в виде по-

стоянных магнитов и предназначен для питания двигателей масля-

ного автоматического регулятора турбины. Подвозбудитель пред-

ставляет 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 — масло-

охладитель; 6 — подпятник, 7 — направляющий подшипник; 8 — возбудитель; 9 —

подвозбуднтель, 10 — контактные кольца, 11 — регуляторный генератор; 12 — воз-

духоохладитель, 13 — трубы для тушения пожара, 14 — фундаментные плиты; 15 —

вентиляционные крылышки

Таблица

19-2

Основные данные трехфазных гидрогенераторов завода «Электросила»

кв •

"л.н-

кв

cos <р

2р

об/мин

см

X, см

см

А,

а/см

6•

тл

, т

кг/кв • а

°п'

Гидроэлектростанция

2 700 10,5

0,8 96,9

40 150

690 75 54,2

1,3

542

0,607

291 10,8 390

Комсомольская

44 000

10,5

0,85

97,0

187,5 588 110

57,8

1,5 590

0,780

327

7,45

410

Нива

III

50 000

15,75

96,7

68,2

1047,5

145

37,4

1,7

482

0,740

834

16,7 1500

Верхне-Свирская

52 000

10,5

0,8 97,0

88,2 972

120 45,0

1,5

500

0,768

520

10,0

1200

Нарвская

66 000

10,5

0,85

97,4 16 375 390 210 76,5 2,0 534

0,779

360

5,45 480

Гюмушская

68 750

10,5

0,8

97,6

428,6

350

210

^8,5 2,0

620

0,758

310

4,50 435

Храмская

71 500

13,8

0,8 96,7 96

62,5 1292 150 42,3

2,0

504

0,674

1076 15,0

2000 Горьковская

103 500 13,8 0,8 97,5

83,3

1100 180

48,0 1,8 610

0,702

986

9,52

1030

Усть-Каменогорская

117 650

13,8 0,85 97,5

96 62,5 1430 170 46,8 2,3

553

0,720

1170

9,95

2800 Боткинская

123 500

13,8

0,85

97,4

68,2 1430

200

51,0 2,3

436

0,765

1257

10,2

3400

Куйбышевская

264 ТОО 15,75 0,85

98,2

125

1100

250 71,9 2,5

708

0,729

1300

4,9

1400

Братская

590 000 15,75 0,85

98,2

93,8 1610 175 79,1 2,6

1228

0,865

1650

2,8

2600

Красноярская

постоянным током обмотку возбуждения гидрогенератора. В круп-

ных машинах возбудитель нередко заменяют вспомогательным

синхронным генератором, который служит как для возбуждения

(вместе с ртутными выпрямителями или возбудительными агрега-

тами, состоящими из двигателя переменного тока и генератора

постоянного тока), так и для питания различных двигателей,

обслуживающих гидроагрегат, состоящий из турбины и гидро-

генератора.

По своей конструкции вертикальные гидрогенераторы подраз-

деляются на подвесные и зонтичные (рис. 19-13). В первом случае

Рис 19-13 Конструктивные схемы вертикальных гидрогенераторов подвесного

(а) н 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, Я — фундамент, 10 — направляющий подшипник, 11 —

направляющий подшипник турбины, 12

—<

нижняя крестовина

подпятник расположен в верхней части агрегата, на верхней кресто-

вине, 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 облегче-

ния верхней крестовины и этим уменьшить также вес агрегата

и расход материалов.

При аварийном отключении гидрогенератора от сети его ско-

рость 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 цилиндрйческий

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 f = 50 гц соот-

ветственно 3000 и 1500 об!мин). 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, пред-

назначенные 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-эко-

номические показатели выше. Однако для атомных электростан-

ций с водо-водяными реакторами выпускаются также четырехпо-

люсные турбогенераторы.

Таблица 19-3

Основные данные турбогенераторов на 50 гц и 3000 об/мин

THD

Нет

к»

СОЗф

f£M

см

б, см

м/сек

А,

а/см

тл

Т'2-1,5-2 1,5

6.3 0,8 95,1

100

1,4

74 460

0,634

10,4

Т2-6-2 6 6,3 0,8

96,4

70 135 1,8 104 450

0,770

Т-2-12-2

12 10,5 0,8

97,1

190

2,1

114

573

0,740 40,3

Т2-25-2 25 10,5 Л,8

97,6

98,3

270 2,8

128 660

0,750 69,6

ТВ-2-30-2 30

10,5

0,8

97,6

98,3

270

2,8 128 815 0,750 91,0

ТВ-2-100-2

100

13,8

0,85 98,78

98,9

98,5

109,5

525

4,75

157 773 0,705

256

ТВ-2-150-2

150

18,0

0,9

98,78

98,9

98,5

120

625 6,25

169

766 0,81

360

ТВФ-60-2

10,5 0,8

98,78

98,9

98,5 103,0

280

5,0

146 917

0,827

130

ТВФ-100-2 100 10,5

0,85

98,3

112,8

310

6,4

157

1095

0,822

175

ТВф-200-2

200 11,0

0,85

98,53

98,4

122

545

7,25 169

1160

0,834

340

ТВВ-150-2

150

18,0

0,85

98,53

98,4

117,0 380

8,5 157 1295

0,812

200

ТВВ-200-2 200 15,75

0,85

98,5

123,5

126,5

430 8,0

169 1335

0,850

220

ТВВ-300-2

300

0,85 98,6

123,5

126,5

600

9,5 169 1380

0,848

350

ТВВ-500-2

500

20(0

0,85

98,75

131,5

635 9,5 177 1975 0,85

389

ТВВ-800-2

800

24(0

0,9

98,75

J40,0

720

10,0 188

2045

0,96 577

Основные данные ряда выпущенных в СССР двухполюс-

ных турбогенераторов приведены в табл. 19-3, в которой v

означает линейную скорость на поверхности ротора при

п = П

то

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

} — сердечник статора, 2 — сварной корпус статора, 3 — газоохладнтель, 4 — наружный щит, 5 — внутренний щит,

— осевой венти-

лятор, 7 — обмотка статора, « — подшипниковый стояк с подшипником, 9 — контактные кольца, 10 — возбудитель, 11 — выводы

обмотки статора, 12 •— ротор

Рис. 19-1&. Концевая часть обмотанного ротцра турбогенератора мощ-

ностью 320 ООО кет (с лобовыми частями обмоткн возбуждения н без

бандажа)

380

Общие вопросы теории машин переменного тока [Разд. Ill

Ш'

У////////Л,

1ШШ.

шш;

L—4

1ШШ-

1Ш1

Роторы турбогенераторов большой мощности (рис. 19-15) изго-

товляются из цельных поковок высококачественной хромоникеле-

вой или хромоникельмолибденовой стали. Однако и при этом

предельный диаметр активной части ротора

при п

= 3000 об/мин по условиям механиче-

ской прочности из-за больших центробежных

сил не может превышать 1,20—1,30 м. В свя-

зи с этим роторы мощных машин приходится

делать длинными. В то же время увеличение

длины ротора ограничено пределом увеличе-

ния гибкости и прогиба ротора и пределом

связанного с этим увеличения его вибрации.

Наибольшая возможная активная длина ро-

тора составляет I я* 7,5—8,5 м.

Таким образом, предельные размеры турбо-

генераторов ограничены возможностями со-

временной металлургии. Поэтому увеличение

предельных мощностей турбогенераторов свя-

зано с увеличением электромагнитных нагру-

зок (линейные нагрузки и плотности тока

обмоток) и интенсификацией способов охлаж-

дения.

Обмотка ротора турбогенератора выпол-

няется в виде концентрических „катушек

(рис. 19-16) н закрепляется в пазах (рис. 19-17)

немагнитными металлическими клиньями

(дюралюминий и т. д.), которые обладают тре-

буемой механической прочностью и воспри-

нимают весьма большие центробежные силы

обмотки возбуждения. Немагнитные клинья

предотвращают возникновение больших маг-

нитных потоков рассеяния, замыкающихся

вокруг лазов через клинья и вызывающих из-

лишнее насыщение зубцов и уменьшение полез-

ного потока, проходящего через воздушный

зазор в статор. Примерно одна треть каждого

полюсного деления ротора свободна от пазод и

составляет так Называемый большой зуб.

Обмотки ротора имеют миканитовую или Дру-

гую изоляцию класса В иЛи F. Лобовые части

обмотки ротора закрываются прочным кольце-

образным стальным бандажом (рис. 19-18), рассчитанным на дей-

ствие центробежных сил лобовых частей обмотки и самого бандажа.

Весьма серьезной является проблема охлаждения турбоге-

нератора.

Рнс 19 17. Паз ротора

турбогенератора заво-

да «Электросила» с

внутренним, охлажде-

нием -проводников во-

дородйм

1 — клин, 2 и 7 — стек-

лотекстолитовые про-

кладки, 3 — медный про-

водник,

—

вентиляцион-

ный канал, 5 — витковая

изоляция (стеклотексто-

лит), 6 — пазовая нэоля

циоиная гильза (стекло?

текстолит),

8 —

отверстие

для забора (выброса) во

дороДа из зазора между

статором и ротором