Типы синхронных машин и их устройство

Синхронная машина состоит из неподвижной части — ста­тора — и вращающейся части — ротора. Статоры синхронных машин в принципе не отличаются от статоров асинхронных двига­телей (см. гл. 7), т. е. состоят из корпуса, сердечника и обмотки (см. рис. 7.1).

Конструктивное исполнение статора синхронной машины мо­жет быть различным в зависимости от назначения и габаритов машины. Так, в многополюсных машинах большой мощности при наружном диаметре сердечника статора более 900 мм пластины сердечника делают из отдельных сегментов, которые при сборке образуют цилиндр сердечника статора. Корпуса статоров крупно­габаритных машин делают разъемными, что необходимо для удобства транспортировки и монтажа этих машин.

Роторы синхронных машин могут иметь две принципиально различающиеся конструкции: явнополюсную и неявнополюсную.

В энергетических установках по производству электроэнергии переменного тока в качестве первичных (приводных) двигателей синхронных генераторов применяют в основном три вида двигате­лей: паровые турбины, гидравлические турбины либо двигатели внутреннего сгорания (дизели). Применение любого из перечисленных двигателей принципиально влияет на конструкцию син­хронного генератора.

Если приводным двигателем является гидравлическая турбина, то синхронный генератор называют гидрогенератором Гидравлическая турбина обычно развивает небольшую частоту вращения (60—500 об/мин), поэтому для получения переменного тока промышленной частоты (50 Гц) в гидрогенераторе применяют ротор с большим числом полюсов. Роторы гидрогенераторов имеют явнополюсную конструкцию, т. е. с явно выраженными полюсами, при которой каждый полюс выполняют в виде отдельною узла, состоящего из сердечника 1, полюсного наконечника 2 и полюсной катушки 3 (рис. 19.3, а). Все полюсы ротора закреплены на ободе 4, являющемся также и ярмом магнитной системы машины, в котором замыкаются потоки полюсов. Гидрогенераторы обычно изготовляются с вертикальным расположением вала (рис. 19.4).

Паровая турбина работает при большой частоте вращения, поэтому приводимый ею во вращение генератор, называемый турбогенератором, является быстроходной синхронной

Рис. 19.3. Конструкция роторов синхронных машин:

а — ротор с явно выраженными полюсами; б — ротор с неявно выраженными полюсами

Рис. 19.4. Гидрогенератор Братской ГЭС (225 МВт, 15,8 кВ, 125 об/мин):

1 — корпус статора; 2 — сердечник статора; 3 — полюс ротора; 4 — обод ротора; 5 — грузонесущая крестовина

машиной. Роторы этих генераторов выполняют либо двухпо­люсными (n₁ = 3000 об/мин), либо четырехполюсными (n₁ = 1500 об/мин).

В процессе работы турбогенератора на его ротор действуют значительные центробежные силы. Поэтому по условиям механи­ческой прочности в турбогенераторах применяют неявнополюсный ротор, имеющий вид удлиненного стального цилиндра с

Рис 19.5. Турбогенератор:

1 — возбудитель, 2 — корпус, 3 — сердечник статора, 4 — секции водородного

охлаждения, 5 — ротор

профрезерованными на поверхности продольными пазами для об­мотки возбуждения (см. рис. 19.3, б). Сердечник неявнополюсного ротора изготовляют в виде цельной стальной поковки вместе с хвостовиками (концами вала) или же делают сборным. Обмотка возбуждения неявнополюсного ротора занимает лишь 2/3 его по­верхности (по периметру). Оставшаяся 1/3 поверхности образует полюсы. Для защиты лобовых частей обмотки ротора от разруше­ния действием центробежных сил ротор с двух сторон прикрыва­ют стальными бандажными кольцами (каппами), изготовляемыми обычно из немагнитной стали.

Турбогенераторы (рис. 19.5) и дизельгенераторы изготовляют с горизонтальным расположением вала. Дизельгенераторы рас­считывают на частоту вращения 600—1500 об/мин и выполняют с явнополюсным ротором (рис. 19.6).

Большую группу синхронных машин составляют синхронные двигатели, которые обычно изготовляются мощностью до не­скольких тысяч киловатт и предназначены для привода мощных вентиляторов, мельниц, насосов и других устройств, не требую­щих регулирования частоты вращения. Рассмотрим устройство синхронного двигателя серии СДН2 (рис. 19.7). Двигатели этой серии изготовляются мощностью от 315 до 4000 кВт при частотах вращения от 300 до 1000 об/мин и предназначены для включения в сеть частотой 50 Гц при напряжении 6 кВ.

Сердечник статора 4, запрессованный в стальной корпус, со­стоит из пакетов-сегментов, собранных из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм.Для лучшего охлаждения двигателя пакеты разделены радиальными вентиляционны­ми каналами

Рис 19.6. Синхронный генератор (дизель-генератор):

1 — контактные кольца, 2 — щеткодержатели, 3 — полюсная катушка ротора,

4 — полюсный наконечник, 5 — сердечник статора, 6 — вентилятор, 7 — вал

шириной по 10 мм. Обмотка статора 12 двухслойная с укороченным шагом (см. гл. 7). Сердечники полюсов 11 ротора крепятся к остову 3 шпильками 5. Обмотка ротора состоит из полюсных катушек. Контактные кольца 8 крепятся на конце вала. На роторе имеются лопатки 6 центробежного вентилятора. Стояковые подшипники скольжения 2 и 7 установлены на подшипниковых полущитах 1 и 9. Двигатель с торцовых сторон прикрыт сталь­ными щитами 13. В обшивке 10 корпуса имеются вентиляционные окна, прикрытые жалюзи. На боковой поверхности корпуса расположена коробка выводов 14. Возбуждение двигателей

Рис. 19.7 Устройство синхронного двигателя серии СДН2

осуществляется от тиристорных преобразователей с автоматиче­ским регулированием тока возбуждения при пуске и остановке двигателей.

На рис. 19.8 показано более подробно устройство элемента синхронного двигателя, характерное для большинства конструк­ций. На вал 1 посажен шихтованный обод 2, на котором посредст­вом Т-образного хвостовика крепится сердечник полюса 3, выполненный

заодно с полюсным наконечником. Сердечники полюсов изготовлены из штампованных листов конструкционной стали толщиной 1,0 или 1,5 мм. Хвостовик полюса запирается в про­дольном пазе обода посредством клиньев 9. Возможно также крепление полюсов к ободу посредством «ласточкина хвоста» (см. рис. 19.3) или шпилек. Стальные щеки 4, стягиваемые шпильками, предотвращают распушение пакета полюса ротора. Щеки имеют заплечики, удерживающие полюсную катушку ротора 5.

Рис 19.8. Полюс синхронного двигателя

В пазах полюсных наконечников расположены латунные или медные стержни 6 пусковой (успокоительной) обмотки, замкнутые с двух сторон сегментами 7.

Между наружной поверхностью полюсного наконечника и внутренней поверхностью сердечника статора 8 имеется воздушный зазор. По оси полюса этот зазор δ минимален, а на краях — максимален S_max. Такая конфигурация полюсного наконечника необходима для синусоидального распределения магнитной индук­ции в воздушном зазоре. Она достигается тем, что поверхность полюсного наконечника имеет радиус R<(D_l - 2δ)/ 2, где D₁ - диаметр расточки сердечника статора.