Меню

Конструктивные особенности синхронных генераторов



Конструктивные особенности синхронных генераторов

КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ СИНХРОННЫХ МАШИН

Сердечник статора представляет собой полый цилиндр, набранный из отдельных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. На внутренней поверхности этого цилинд­ра выштамповывают пазы для укладки обмотки якоря. Электротехническую сталь поставляют в виде листов или лент шириной не более 1 м. При внешнем диаметре сердечника менее 1 м его собирают из цельных кольцевых плас­тин, а при большем диаметре каждый кольцевой слой со­ставляют из отдельных пластин, называемых сегментами (рис. 3). Сердечник размещают в станине (корпусе) ста­тора.

Пазы, как правило, имеют прямоугольное сечение. В эти пазы укладывают двухслойные петлевые обмотки, а в более мощных машинах — одновитковые стержневые волновые обмотки. Толщина и структура изоляции пазов и проводников зависит от индуктируемой ЭДС. При большом сече­нии проводников обмоток фаз для уменьшения добавочных потерь от вихревых токов их разбивают на ряд элементар­ных проводников, которые по длине обмотки транспониру­ют между собой. Статор синхронной машины в собранном виде показан на рисунке.

По выполнению ротора машины подразделяются на явнополюсные и неявнополюсные.

Явнополюсный ротор синхронных машин имеет высту­пающие полюсы, сердечник которых в мощных машинах на­бирают из пластин конструкционной стали толщиной 1- 2 мм, а в машинах небольшой мощности — из электротех­нической стали толщиной 0,5-1 мм. На рис. 4 показаны различные способы крепления полюсов.

В машинах неболь­шой мощности полюсы крепят болтами к валу (рис. 4, г), а в тихоходных машинах большой мощности — к ободу ро­тора (рис. 4, в). В мощных и относительно быстроход­ных машинах полюсы крепят к ободу ротора с помощью хвостов, имеющих Т-образную форму или форму ласточки­на хвоста (рис. 4, а и б). Такое крепление хотя техноло­гически сложнее, но является более прочным, чем крепле­ние болтами.

Обмотку возбуждения в мощных машинах для лучшего охлаждения выполняют из неизолированных медных шин большого сечения, намотанных на ребро. Между соседними витками укладывают изоляционные прокладки, пропитан­ные в смоле. Катушку запекают и устанавливают на полю­се, на который по периметру предварительно наносят корпусную изоляцию. В машинах небольшой мощности катуш­ки обмотки возбуждения выполняют из изолированных проводников прямоугольного или круглого сечения.

На полюсах ротора часто укладывают демпферную об­мотку. Ее размещают в пазах полюсных наконечников. Медные стержни этой обмотки, уложенные в пазы, по тор­цам замыкают пластинами или кольцами так, что образу­ется клетка. Демпферные обмотки делятся на продоль­ные и продольно-поперечные.

Продольная обмотка получается путем замыкания с торцов стержней отдельно каждого полюса (рис. 5). В продольно-поперечной обмотке соединяются по торцам стержни всех полюсов (рис. 6). Демпферная обмотка об­разует контуры, оси которых совпадают в первом случае только с продольной осью (с осью полюсов), а во втором случае — как с продольной, так и с поперечной осью.

Демпферная обмотка выполняет ряд функций. В гене­раторах она ослабляет влияние несимметричной нагрузки и снижает амплитуду колебаний ротора, возникающих в не­которых случаях при параллельной работе. В двигателях она является пусковой обмоткой, а также снижает амплитуду колебаний ротора при пульса­ции нагрузки.

Явнополюсные роторы применяют в машинах большой мощности с относительно низкой частотой вращения, т. е. имеющих большое число полюсов. Синхронные машины с явнополюсным ротором и горизонтальным валом широко используют в качестве двигателей и генераторов. Общий вид ротора явнополюсной машины показан на рис. 7. Существует специальный класс синхронных явнополюсных генераторов с вертикальным валом, предназначенных для непосредственного соединения с гидравлическими турбинами. Такие генераторы называются гидрогенераторами (рис. 8).

В зависимости от мощности турбины и напора воды час­тота вращения гидрогенераторов колеблется от 50 до 600 об/мин. Для того чтобы при таких частотах вращения получить переменное напряжение частотой 50 Гц, гидрогенераторы должны иметь несколько десятков полюсов.Гидрогенераторы выполняют на большие мощности. В конструктивном отношении гидрогенераторы имеют ряд особенностей. Важным узлом у них является упорный подшипник или подпятник. Он удерживает массу вращающихся частей ротора и турбины и воспринимает давление воды на лопасти турбины. Подпятник представляет собой особый вид подшипника скольжения. Он состоит из вра­щающейся части — пяты, выполненной в виде диска, укрепленного на роторе, и неподвижной части, находящейся под пятой (собственно подпятник).

Читайте также:  Каковы особенности построения генераторов низкой частоты

Для уменьшения потерь в пяте между ее трущимися поверхностями (пяты и собст­венно подпятника) создается слой смазки достаточной тол­щины.

Для восприятия радиальных усилий, действующих на ротор гидрогенератора, на его валу устанавливают один или два направляющих подшипника. Один подшипник устанавливают при жестком фланцевом соединении валов гидрогенератора и турбины. Вторым направляющим под­шипником в этом случае является направляющий подшип­ник турбины. Подпятник и направляющие подшипники размещаются на крестовинах, которые служат для восприятия и передачи вертикальных и радиальных усилий на фунда­мент или на корпус статора. Различают верхнюю и ниж­нюю крестовины.

В зависимости от расположения подпятника гидрогене­раторы подразделяются на подвесные и зонтичные. В под­весном гидрогенераторе (рис. 9, а) подпятник расположен над ротором на верхней крестовине и весь агрегат «подвешен» к этой крестовине и к подпятнику.

В зонтич­ном гидрогенераторе подпятник расположен на нижней крестовине (рис. 9, б) или на крышке турбины и генера­тор в виде зонта находится над подпятником. При зонтич­ном исполнении гидрогенератор имеет меньшие массу и вы­соту, чем при подвесном исполнении, за счет уменьшения размеров верхней крестовины, имеющей больший диаметр, чем нижняя.

Механическая прочность различных деталей гидрогене­раторов рассчитывается по так называемой угонной часто­те вращения, которая в 2-3 раза больше номинальной и может иметь место в результате разгона ротора при ава­рийном отключении генератора от сети.

Неявнополюсные роторы (рис. 10 и 11) применя­ют в синхронных машинах большой мощности, имеющих частоту вращения п = 1500÷3000 об/мин. Изготовление ма­шин большой мощности с такими частотами вращения при явнополюсной конструкции ротора невозможно по услови­ям механической прочности ротора и крепления полюсов и обмотки возбуждения.

Неявнополюсные роторы имеют главным образом син­хронные генераторы, предназначенные для непосредствен­ного соединения с паровыми турбинами. Такие машины на­зывают турбогенераторами. Турбогенераторы для тепловых электрических станций имеют частоту вращения 3000 об/мин и два полюса, а для атомных станций — 1500 об/мин и четыре по­люса.

Из-за больших центробежных сил, действующих на об­мотку возбуждения, ее крепление в пазах производят с по­мощью немагнитных металлических клиньев. Немагнитные клинья ослабляют магнитные потоки пазового рассеяния, которые могут вызывать насыщение зубцов и приводить к уменьшению полезного потока. Пазы большого зубца за­крывают магнитными клиньями. Лобовые части обмотки закрепляют роторными бандажами. Обмотка ротора имеет изоляцию класса В или F. Выводы от обмотки возбуждения подсоединяют к контактным кольцам на роторе.

Вдоль оси ротора по всей его длине просверливают цент­ральное отверстие, которое служит для исследования ма­териала центральной части поковки и для разгрузки по­ковки от опасных внутренних напряжений. На рис. 12 дан общий вид турбогенератора. В турбогенераторах функ­цию демпферной обмотки выполняют массивное тело рото­ра и клинья.

Кроме турбогенераторов с неявнополюсным ротором вы­пускают быстроходные синхронные двигатели большой мощности — турбодвигатели.

Источник

Генераторы переменного тока

Генератор — устройство, преобразующее один вид энергии в другой.
В данном случае рассматриваем преобразование механической энергии вращения в электрическую.

Различают два типа таких генераторов. Синхронные и асинхронные.

Синхронный генератор. Принцип действия

Отличительным признаком синхронного генератора является жёсткая связь между частотой f переменной ЭДС, наведённой в обмотке статора, и частотой вращения ротора n , называемой синхронной частотой вращения:

где p – число пар полюсов обмотки статора и ротора.
Обычно частота вращения выражается в об/мин, а частота ЭДС в Герцах (1/сек), тогда для количества оборотов в минуту формула примет вид:

На рис. 1.1 представлена функциональная схема синхронного генератора. На статоре 1 расположена трёхфазная обмотка, принципиально не отличающаяся от аналогичной обмотки асинхронной машины. На роторе расположен электромагнит с обмоткой возбуждения 2, получающей питание постоянным током, как правило, через скользящие контакты, осуществляемые посредством двух контактных колец, расположенных на роторе, и двух неподвижных щёток.
В некоторых случаях в конструкции ротора синхронного генератора вместо электромагнитов могут использоваться постоянные магниты, тогда необходимость в наличии контактов на валу отпадает, но существенно ограничиваются возможности стабилизации выходных напряжений.

Приводным двигателем (ПД), в качестве которого используется турбина, двигатель внутреннего сгорания либо другой источник механической энергии, ротор генератора приводится во вращение с синхронной скоростью. При этом магнитное поле электромагнита ротора также вращается с синхронной скоростью и индуцирует в трёхфазной обмотке статора переменные ЭДС EA , EB и EC , которые будучи одинаковыми по значению и сдвинутыми по фазе относительно друг друга на 1/3 периода (120°), образуют симметричную трёхфазную систему ЭДС.

Читайте также:  Генератор свободной энергии рощин годин

C подключением нагрузки к зажимам обмотки статора С1, С2 и С3 в фазах обмотки статора появляются токи IA, IB, IC , которые создают вращающееся магнитное поле. Частота вращения этого поля равна частоте вращения ротора генератора. Таким образом, в синхронном генераторе магнитное поле статора и ротор вращаются синхронно. Мгновенное значение ЭДС обмотки статора в рассматриваемом синхронном генераторе

e = 2Blwv = 2πBlwDn

Здесь: B – магнитная индукция в воздушном зазоре между сердечником статора и полюсами ротора, Тл;
l – активная длина одной пазовой стороны обмотки статора, т.е. длина сердечника статора, м;
w – количество витков;
v = πDn – линейная скорость движения полюсов ротора относительно статора, м/с;
D – внутренний диаметр сердечника статора, м.

Формула ЭДС показывает, что при неизменной частоте вращения ротора n форма графика переменной ЭДС обмотки якоря (ста- тора) определяется исключительно законом распределения магнитной индукции B в зазоре между статором и полюсами ротора. Если график магнитной индукции в зазоре представляет собой синусоиду B = Bmax sinα , то ЭДС генератора также будет синусоидальной. В синхронных машинах всегда стремятся получить распределение индукции в зазоре как можно ближе к синусоидальному.

Так, если воздушный зазор δ постоянен (рис. 1.2), то магнитная индукция B в воздушном зазоре распределяется по трапецеидальному закону (график 1). Если же края полюсов ротора «скосить» так, чтобы зазор на краях полюсных наконечников был равен δmax (как это показано на рис. 1.2), то график распределения магнитной индукции в зазоре приблизится к синусоиде (график 2), а, следовательно, и график ЭДС, индуцированной в обмотке генератора, приблизится к синусоиде. Частота ЭДС синхронного генератора f (Гц) пропорциональна синхронной частоте вращения ротора n (об/с)

где p – число пар полюсов.
В рассматриваемом генераторе (см. рис.1.1) два полюса, т.е. p = 1.
Для получения ЭДС промышленной частоты (50 Гц) в таком генераторе ротор необходимо вращать с частотой n = 50 об/с (n = 3000 об/мин).

Способы возбуждения синхронных генераторов

Самым распространенным способом создания основного магнитного потока синхронных генераторов является электромагнитное возбуждение, состоящее в том, что на полюсах ротора располагают обмотку возбуждения, при прохождении по которой постоянного тока, возникает МДС, создающая в генераторе магнитное поле. До последнего времени для питания обмотки возбуждения применялись преимущественно специальные генераторы постоянного тока независимого возбуждения, называемые возбудителями В (рис. 1.3, а). Обмотка возбуждения (ОВ) получает питание от другого генератора (параллельного возбуждения), называемого подвозбудителем (ПВ). Ротор синхронного генератора, возбудителя и подвозбудителя располагаются на общем валу и вращаются одновременно. При этом ток в обмотку возбуждения синхронного генератора поступает через контактные кольца и щётки. Для регулирования тока возбуждения применяют регулировочные реостаты, включаемые в цепи возбуждения возбудителя r1 и подвозбудителя r2 . В синхронных генераторах средней и большой мощности процесс регулирования тока возбуждения автоматизируют.

В синхронных генераторах получила применение также бесконтактная система электромагнитного возбуждения, при которой синхронный генератор не имеет контактных колец на роторе. В качестве возбудителя в этом случае применяют обращенный синхронный генератор переменного тока В (рис. 1.3, б). Трехфазная обмотка 2 возбудителя, в которой наводится переменная ЭДС, расположена на роторе и вращается вместе с обмоткой возбуждения синхронного генератора и их электрическое соединение осуществляется через вращающийся выпрямитель 3 непосредственно, без контактных колец и щёток. Питание постоянным током обмотки возбуждения 1 возбудителя В осуществляется от подвозбудителя ПВ – генератора постоянного тока. Отсутствие скользящих контактов в цепи возбуждения синхронного генератора позволяет повысить её эксплуатационную надёжность и увеличить КПД.

В синхронных генераторах, в этом числе гидрогенераторах, получил распространение принцип самовозбуждения (рис. 1.4, а), когда энергия переменного тока, необходимая для возбуждения, отбирается от обмотки статора синхронного генератора и через понижающий трансформатор и выпрямительный полупроводниковый преобразователь ПП преобразуется в энергию постоянного тока. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение генератора происходит за счёт остаточного магнетизма машины.

Читайте также:  Выпрямители силовые для генераторов

На рис. 1.4, б представлена структурная схема автоматической системы самовозбуждения синхронного генератора (СГ) с выпрямительным трансформатором (ВТ) и тиристорным преобразователем (ТП), через которые электроэнергия переменного тока из цепи статора СГ после преобразования в постоянный ток подаётся в обмотку возбуждения. Управление тиристорным преобразователем осуществляется посредством автоматического регулятора возбуждения АРВ, на вход которого поступают сигналы напряжения на входе СГ (через трансформатор напряжения ТН) и тока нагрузки СГ (от трансформатора тока ТТ). Схема содержит блок защиты (БЗ), обеспечивающий защиту обмотки возбуждения (ОВ) от перенапряжения и токовой перегрузки.

Мощность, затрачиваемая на возбуждение, обычно составляет от 0,2 до 5 % полезной мощности (меньшее значение относится к генераторам большой мощности).
В генераторах малой мощности находит применение принцип возбуждения постоянными магнитами, расположенными на роторе машины. Такой способ возбуждения даёт возможность избавить генератор от обмотки возбуждения. В результате конструкция генератора существенно упрощается, становится более экономичной и надёжной. Однако, из-за высокой стоимости материалов для изготовления постоянных магнитов с большим запасом магнитной энергии и сложности их обработки применение возбуждения постоянными магнитами ограничено машинами мощностью не более нескольких киловатт.

Синхронные генераторы составляют основу электроэнергетики, так как практически вся электроэнергия во всём мире вырабатывается посредством синхронных турбо- или гидрогенераторов.
Так же синхронные генераторы находят широкое применение в составе стационарных и передвижных электроустановок или станций в комплекте с дизельными и бензиновыми двигателями.

Асинхронный генератор. Отличия от синхронного

Асинхронные генераторы принципиально отличаются от синхронных отсутствием жесткой зависимости между частотой вращения ротора и вырабатываемой ЭДС. Разницу между этими частотами характеризует коэффициент s — скольжение.

здесь:
n — частота вращения магнитного поля (частота ЭДС).
n r — частота вращения ротора.

Более подробно с расчётом скольжения и частоты можно ознакомиться в статье: асинхронные генераторы. Частота.

В обычном режиме электромагнитное поле асинхронного генератора под нагрузкой оказывает тормозной момент на вращения ротора, следовательно, частота изменения магнитного поля меньше, поэтому скольжение будет отрицательным. К генераторам, работающим в области положительных скольжений, можно отнести асинхронные тахогенераторы и преобразователи частоты.

Асинхронные генераторы в зависимости от конкретных условий применения выполняются с короткозамкнутым, фазным или полым ротором. Источниками формирования необходимой энергии возбуждения ротора могут являться статические конденсаторы или вентильные преобразователи с искусственной коммутацией вентилей.

Асинхронные генераторы можно классифицировать по способу возбуждения, характеру выходной частоты (изменяющаяся, постоянная), способу стабилизации напряжения, рабочим областям скольжения, конструктивному выполнению и числу фаз.
Последние два признака характеризуют конструктивные особенности генераторов.
Характер выходной частоты и методы стабилизации напряжения в значительной степени обусловлены способом образования магнитного потока.
Классификация по способу возбуждения является основной.

Можно рассмотреть генераторы с самовозбуждением и с независимым возбуждением.

Самовозбуждение в асинхронных генераторах может быть организовано:
а) с помощью конденсаторов, включенных в цепь статора или ротора или одновременно в первичную и вторичную цепи;
б) посредством вентильных преобразователей с естественной и искусственной коммутацией вентилей.

Независимое возбуждение может осуществляться от внешнего источника переменного напряжения.

По характеру частоты самовозбуждающиеся генераторы разделяются на две группы. К первой из них относятся источники практически постоянной (или постоянной) частоты, ко второй переменной (регулируемой) частоты. Последние применяются для питания асинхронных двигателей с плавным изменением частоты вращения.

Более подробно рассмотреть принцип работы и конструктивные особенности асинхронных генераторов планируется рассмотреть в отдельных публикациях.

Асинхронные генераторы не требуют в конструкции сложных узлов для организации возбуждения постоянным током или применения дорогостоящих материалов с большим запасом магнитной энергии, поэтому находят широкое применение у пользователей передвижных электроустановок по причине своей простоты и неприхотливости в обслуживании. Используются для питания устройств, не требующих жёсткой привязки к частоте тока.
Техническим достоинством асинхронных генераторов можно признать их устойчивость к перегрузкам и коротким замыканиям.
С некоторой информацией по мобильным генераторным установкам можно ознакомиться на странице:
Дизель-генераторы.
Асинхронный генератор. Характеристики.
Асинхронный генератор. Стабилизация.

Замечания и предложения принимаются и приветствуются!

Источник