Вольдек А.И. Электрические машины

Подождите немного. Документ загружается.

Турбогенераторы мощностью до 30 тыс. кет выполняются с зам-

кнутой системой воздушного охлаждения, а при Р

^ 30 тыс. кет

воздушная охлаждающая среда заменяется водородом с избыточ-

ным 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, распре-

деляется по отдельным струям и омывает лобовые части обмоток

статрра и ротора, стенки радиальных каналов сердечника статора,

внешнюю поверхность ротора и внутреннюю поверхность сердеч-

ника статора.

В центральной части машины холодный воздух по одним груп-

пам радиальных каналов сердечника статора проходит от его

внешней поверхности к воздушному зазору между Статором и рото-

ром и по другим группам радиальных каналов возвращается к внеш-

ней поверхности статора. Пространство между внешней поверх-

ностью сердечника статора и корпусом (кожухом) статора разде-

лено в- осевом направлении стенками, перпендикулярными линии

вала, на ряд камер холодного и горячего воздуха. В камеры холод-

ный воздух поступает от вентиляторов, а нагретый воздух из

нижней части машины отводится к водяным охладителям, которые

при воздушном охлаждении устанавливаются в фундаменте турбо-

генератора, а при водородном охлаждении — внутри корпуса ма-

шины. 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

> 150

ООО

кет требует даль-

нейшей интенсификации методов охлаждения. При этом идут

V " ?

(

-J-4-

WW WW

W|*

w w www ^

)

ТГ|

тг

-г

тг

-тг

"ТГ

-in

"Гг

-rt-

~ГГ

\г/

Х-*«-

• /

-Т-:

ifcT

\г/

Х-*«-

Рис. 19-19 Схема замкнутой системы вентиляции турбогенератора

1 — вентиляторы; 2 — газоохладители; 3 — зоны лобовых частей обмотке статора

по пути увеличения давления водорода в корпусе до 3—5 атм.

При дальнейшем увеличении мощности (Р

^ 300 тыс. кет) необ-

ходимо перейти к наиболее эффективному способу съема тепла —

к внутреннему охлаждению проводников обмоток водородом ила

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). Водо-

род для охлаждения проводников ротора в турбогенераторах за-

вода «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

^ 500 000 /свт

иногда переходят к охлаждению полых проводников ротора

водой. Обмотки статоров турбогенераторов выполняются с внут-

ренним охлаждением проводников водой при Р

^ 300 000 к§т

(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 мощно-

стей при наибольших допустимых размерах машины невозможно.

Однако переход к более интенсивным способам охлаждения целе-

сообразен и при меньших мощностях, так как это позволяет умень-

Рис. 19-20. Статор турбогенератора с двухслойной обмоткой, охлаждае-

мой 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 от-

личается от конструкции обычных турбогенераторов.

С неявнополюсными роторами изготовляются также мощные

синхронные двигатели при 2р — 2. По аналогии с турбогенера-

торами 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 разно-

видностей трехфазных коллекторных машин переменного тока.

Однако в основе действия каждой из них лежит действие коллек-

тора 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 обстоя-

тельство в свою очередь позволяет осуществлять электрическую

связь цепей статора и рртора и путем видоизменения этой связи

придавать машине особые свойства в

отношении регулирования скорости вра-

щения и т. д.

Типичная конструкция трехфазной

коллекторной машины включает в себя:

1) статор с трехфазной обмоткой, анало-

гичный статору асинхронной или син-

хронной машины; 2) ротор, аналогичный

якорю машины постоянного тока, и с та-

кой же обмоткой, соединенной с коллек-

тором. 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 комп-

лекта 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

, if,, i

. При вращении якоря положение каждой фазы обмотки

неизменно и секции обмотки переходят поочередно из одних фаз

в другие. При установке шестифазного комплекта щеток, сдвину-

тых 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

— л

= 0), а якорь

вращается со скоростью п, то в обмотке якоря индуктируются

э. д. с. (ток) частоты

h = (19-13)

Обметка

Рис 19-21 Обмотка якоря

(ротора) трехфазной коллек-

торной машины

в то время как во внешней цепи якоря и щеток частота f

= 0.

Таким образом, в данном случае коллектор превращает ток с ча-

стотой f„ внутри якоря в ток с частотой /

= 0 во внешней цепи

или наоборот.

Если теперь с помощью подходящего механизма привести

щетки во вращение со скоростью п

, то полярность щеток будет

меняться с частотой

U = рп

(19-14)

и во внешней цепи получим ток частоты /

. Таким образом, теперь

коллектор преобразовывает ток с часто-

той fx внутри якоря в ток с частотой /щ ф 0

во внешней цепи или наоборот. Очевидно,

что частота /

во внешней цепи не изме-

нится, если вместо щеток вращать полюсы

со скоростью Пф = п

. При этом изменятся

лишь частота в самой обмотке якоря

Ь = р(п±п

) (19-15)

и величина индуктируемой в ней э. д. с.

Такое преобразование частот будет проис-

ходить и тогда, когда вместо машины по-

стоянного тока с вращающимися полюсами

будем иметь статор многофазной машины

переменного тока, который питается током

с частотой Д и создает магнитное поле со скоростью вращения

= Д/р. (19-16)

Подставив Пф — п

из (19-16) в (19-14), получим = f

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 рассматри-

ваются.

Рис. 19-22. К поясне-

нию работы коллектора

как преобразователя

частоты

Глава двадцатая

ЭЛЕКТРОДВИЖУЩИЕ СИЛЫ ОБМОТОК

ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

§ 20-1. Э. д. с. обмотки от основной гармоники магнитного поля

Общие замечания. В данной главе рассматриваются э. д .е.,

индуктируемые в обмотках переменного тока.

При конструировании машин переменного тока стремятся

к тому, чтобы индуктируемые в обмотках э. д. с. были синусои-

дальными. Если э. д. с. индуктируются вращающимся магнитным

полем, то для этого необходимо, чтобы распределение магнитной

индукции вдоль воздушного зазора было также синусоидальным.

Получение вполне синусоидального распределения магнитного

поля практически невозможно, однако для приближения к этой

цели применяются различные меры конструктивного характера.

Например, для улучшения кривой поля возбуждения явнополюсных

синхронных генераторов их полюсные наконечники (рис. 20-1)

обычно выполняют с радиусом, несколько меньшим, чем радиус

воздушного зазора, в результате чего величина зазора у края

наконечника (8

) больше, чем по его середине (6). На практике

/6 = 1 -f 2 и коэффициент полюсного перекрытия а = д

/т =

= 0,60 -г- 0,75. Тем не менее и в этом случае кривая поля наряду

с основной гармоникой (v = 1) содержит другие нечетные гармо-

ники (v = 3, 5, 7 амплитуды которых уменьшаются с увели-

чением их порядка v.

Вычислим сначала э. д. е., индуктируемую в обмотке основ-

ной пространственной гармоникой вращающегося поля (v = 1).

Э. д. с. проводника. Вращающееся со скоростью v = 2тf си-

нусоидальное магнитное поле индуктирует в каждом проводнике

витка э. д. с.

p = £mn

sin at,

амплитуда которой

mnp

= B

v =

2Шьт:

(20-1)

и действующее значение

= yf = V2fB

x, (20-2)

где /в — расчетная активная длина машины и В& = В

тХ

— ампли-

туда индукции основной гармоцики поля в зазоре.

В ряде случаев как в синхронных, так и в асинхронных машинах

для улучшения формы кривой э. д. с. обмотки (см. § 20-3) и для

других целей (см. § 25-3) осуществляется скос пазов относительно

Рис. 20-1 Распределение магнитной

индукции поля возбуждения явнопо-

люсной синхронной машины вдоль

поверхности статора

Рис. 20-2. Э. д. с. про-

водника при скосе

пазов

бегущего магнитного поля. Например, в явнополюсных синхрон-

ных машинах небольшой мощности иногда выполняют скос пазов

статора относительно полюсных наконечников ротора или наоборот

(см. также § 3-2). При этом фаза э. д. е., индуктируемых в отдель-

ных участках проводника (рис. 20-2, б)

синусоидально распределенным магнитным

полем (рис. 20-2, а), беспрерывно изме-

няется вдоль проводника и элементарные

э. д. с. АЕ, индуктируемые на обоих кон-

ЛЁ ]

цах проводника, сдвинуты по фазе на

угол

где Ь

— величина скоса.

В этом случае для определения э. д. с.

проводника £

пр

необходимо сложить век-

торы э. д. с. отдельных участков проводника АЁ (рис. 20-3).

В пределе, если рассматривать бесконечно малые участки провод-

ников, А£ -> 0 и геометрическая сумма £

пр

векторов АЁ изобра-

зится дугой и будет равна хорде окружности, опирающейся на

Центральный угол у

Рис. 20-3. Определение

э. д. с. проводника при

наличии скоса пазов

При отсутствии скоса Д

складываются арифметически и их

сумма равна длине дуги на рис. 20-3. Отношение длины хорды на

on о „ „„

рис. 20-3 к ее дуге

2R sin ^ sin ^

Ry с

~YC/2~

определяет степень уменьшения э. д. с. £

пр

при наличии скоса и на-

зывается коэффициентом скоса пазов обмот-

к и. Подставив сюда приведенное выше значение угла у

, получим

• tb

я\

sm —

Ь — W

йс_

2 )

т 2

(20-3)

Очевидно, что при Ь

-> 0 будет k

= I,

Таким образом, в общем случае правую часть выражения (20-1)

нужно умножить на k

и, следовательно,

= V2 fB

lbTk

. (20-4)

Обычно скос относительно невелик И значение k

близко к еди-

нице. Например, при bjx = 1/6

oTfi 19 19

О =

—

sin 15° = -

•

0,259 = 0,989,

я я я '

2-6

т. е. э. д. с. Е

р уменьшается на 1,1%.

Э. д. с. витка и катушки. Шаг внтка и катушки обмотки пере-

менного тока у по причинам, выясняемым ниже (tM. § 20-3), чаще

всего несколько укорачивают по сравнению с полюсным делением т

(рис. 20-4), так что относительный шаг

= £ (20-5)

обычно меньше единицы.

Э. д. с. двух активных сторон витка Е'

и £"

пр

(рис. 20-4) имеют

одинаковую величину, но сдвинуты по фазе на угол рл (рис. 20-5),

так как активные проводники витка сдвинуты в магнитном поле

на такой угол. Э. д. с. витка равна геометрической разности э. д. с,

проводников:

^пр

и, согласно рис. 20-5,

£„ = 2£

sin^. (20-6)

Входящая в выражение (20-6) величина

= sin ~

(20-7)

равна отношению геометрической суммы э. д. с. проводников

витка Е

к их арифметической сумме 2£

пр

, учитывает уменьшение

э. д. с. витка в результате укорочения шага и называется к о э-ф -

фициентом укорочения

шага обмотки. Очевидно,

что величина Е

максимальна при

полном шаге {у = т, |S = 1), когда

А>

= 1.

Равенства (20-6) и (20-7) дей-

ствительны также и при удлинен-

ном шаге {у > т, 0 > 1).

Группа последовательно соеди-

ненных витков, уложенная в одни

/ ^

NrV=/

М/////ЛУ/А

т.

/ ^

NrV=/

М/////ЛУ/А

\ 7 ^

pfr^

XI ^

* /

Сцр

и=рг

t-np

Рис. 20-4. Э. д. с. проводников

витка

Рис. 20-5. Определение э. д. с.

витка

и те же пазы и имеющая, помимо изоляции отдельных витков, также

общую пазовую изоляцию от стенок паза, называется катуш-

кой. Если катушка содержит w

витков, то э. д. с. катушки

= w

на основании выражений (20-4), (20-6) и (20-7)

= 2V2 fw

Bal

(20-8)

ции

Поток одного полюса при синусоидальном распределении индук-

Ф= В^1

х = ~В

х.

(20-9)

Подставив значение

B&l&i

из этого выражения в (20-8), получим окон-

чательно

= п У2 fw*k

Ф = 4,44/ш

Ф. (20-10)

390

Общие вопросы теории машин переменного тока [Разд. III

Э. д. с. катушечной группы. На рис. 19-5 и 19-6 были представ-

лены обмотки простейшего вида, когда на каждую фазу под одним

полюсом имеется только один паз. Обычно для получения достаточ-

ного количества проводников и витков в фазе и сохранения в то же

время приемлемых размеров пазов количество пазов в машине

делают больше. При этом ряд

(q)

катушек, имеющих по одинаковому

количеству витков w

и лежащих в соседних пазах, соединяют после-

довательно (рис. 20-6, где

= 4). Такую группу катушек, принад-

лежащих одной фазе, называют катушечной группой.

Э. д. с. соседних катушек группы

сдвинуты на угол

y = 2np/Z (20-11)

соответственно сдвигу катушек от-

носительно друг друга» в магнит-

ном поле (рис. 20-7). При ' этом

вся группа из q катушек занимает

по окружности якоря угол (элек-

трический)

= qr =

(20-12)'

называемый углом фазной

зоны.

Э. д. с. катушечной группы Ё

равна геометрической сумме э. д. с.

отдельных катушек группы (рис.

20-8) и меньше арифметической

суммы э. д. с. этих катушек qE

Отношение

Рис. 20-6. Катушечная группа в

магнитном поле

А»

(20-13)

называется коэффициентом распределения об-

мотки и характеризует уменьшение э. д. с. катушечной группы

вследствие распределения ее витков qw

в q отдельных пазах.

Таким образом, согласно выражению (20-13),

= qE

. (20-14)

Вокруг фигуры рис. 20-8, образованной векторами £

, можно

описать окружность радиусом R. Тогда на основании этого рисунка

= 2Rs'm^

= 2tfsin| = 2tf sin щ.