Меню

Лобовая часть обмотки статора генератора



Обмотки статора и ротора электрических машин переменного тока

Обмотка электротехнического изделия (устройства) — совокупность определенным образом расположенных и соединенных витков или катушек, предназначенная для создания или использования магнитного поля, или для получения заданного значения сопротивления электротехнического изделия (устройства). Катушка обмотки электротехнического изделия (устройства) — обмотка электротехнического изделия (устройства) или ее часть, выполненные в виде отдельной конструктивной единицы (ГОСТ 18311-80).

В статье рассказано про устройство обмоток статора и ротора электрических машин переменного тока.

Пространственное расположение обмоток статора:

Статор с двенадцатью пазами, в каждый из которых уложено по одному проводнику, схематично показан на рис. 1, а. Соединения между проводниками, уложенными в пазах, указаны только для одной из трех фаз; начала фаз А, В, С обмотки обозначены С1, С2, С3; концы — С4, С5, С6. Части обмотки, уложенные в пазах (активная часть обмотки), условно показаны в виде стержней, а соединения между проводниками, находящимися в пазах (лобовые соединения),— сплошной линией.

Сердечник статора имеет вид полого цилиндра, представляющего собой пакет или ряд пакетов (разделенных вентиляционными каналами) из листов электротехнической стали. Для машин малой и средней мощности каждый лист штампуется в виде кольца с пазами вдоль внутренней окружности. На рис. 1,б дан лист статора с пазами одной из применяемых форм.

Рис. 1. Расположение обмотки в пазах статора и распределение токов в проводниках

Пусть мгновенное значение тока iA первой фазы в некоторый момент времени максимально и ток направлен от начала С1 фазы к ее концу С4. Будем считать такой ток положительным.

Определяя мгновенные токи в фазах как проекции вращающихся векторов на неподвижную ось ON (рис. 1, в), получим, что токи фаз В и С в данный момент времени отрицательны, т. е. направлены от концов фаз к началам.

Проследим по рис. 1, г образование вращающегося магнитного поля. В рассматриваемый момент времени ток фазы А направлен от ее начала к концу, т. е. если в проводниках 1 и 7 он идет от нас за плоскость чертежа, то в проводниках 4 и 10 он идет из-за плоскости чертежа к нам (см. рис. 1, а и г).

В фазе В ток в этот момент времени идет от конца фазы к ее началу. Соединив проводники второй фазы по образцу первой, можно получить, что ток фазы В проходит по проводникам 12, 9, 6, 3; при этом по проводникам 12 и 6 ток идет от нас за плоскость чертежа, а по проводникам 9 и 3 — к нам. Картину распределения токов в фазе С получим по образцу фазы В.

Направления токов даны на рис. 1,г; штриховыми линиями показаны магнитные линии поля, создаваемого токами статора; направления линий определены по правилу правого винта. Из рисунка видно, что проводники образуют четыре группы с одинаковыми направлениями тока и число полюсов 2р магнитной системы получается равным четырем. Участки статора, где магнитные линии выходят из него, представляют собой северные полюсы, а участки, где магнитные линии входят в статор, — южные полюсы. Дуга окружности статора, занятая одним полюсом, называется полюсным делением.

Магнитное поле в различных точках окружности статора различно. Картина распределения магнитного поля вдоль окружности статора повторяется периодически через каждое двойное полюсное деление. Угол дуги 2 принимается за 360 электрических градусов. Так как вдоль окружности статора размещается р двойных полюсных делений, то 360 геометрических градусов равны 360р электрическим градусам, а один геометрический градус равен р электрическим градусам.

На рис. 1, г показаны магнитные линии для некоторого фиксированного момента времени. Если же рассмотреть картину магнитного поля для ряда последовательных моментов времени, можно убедиться в том, что поле вращается с постоянной скоростью.

Найдем скорость вращения поля. По истечении времени, равного половине периода переменного тока, направления всех токов изменяются на обратные, поэтому магнитные полюсы меняются местами, т. е. за половину периода магнитное поле поворачивается на часть оборота. Скорость вращения магнитного поля статора, т. е. синхронная скорость, равна (в оборотах в минуту)

Число р пар полюсов может быть только целым, поэтому при частоте, например, 50 Гц синхронная скорость может равняться 3000; 1500; 1000 об/мин и т. д.

Рис. 2. Развернутая схема трехфазной однослойной обмотки

Обмотки машин переменного тока можно разделить на три группы:

К специальным обмоткам относятся:

а) короткозамкнутая обмотка в виде беличьей клетки;

б) обмотка асинхронного двигателя с переключением на разные числа полюсов;

в) обмотка асинхронного двигателя с противосоединеннями и т. д.

Кроме вышеуказанного деления, обмотки отличаются по ряду других признаков, а именно:

1) по характеру исполнения — ручные, шаблонные и полушаблонные;

2) по расположению в пазу — однослойные и двухслойные;

3) по числу пазов на полюс и фазу — обмотки с целым числом q пазов на полюс и фазу и обмотки с дробным числом q .

Витком называется контур, образованный двумя последовательно соединенными проводниками. Секция, или катушка, представляет собой ряд последовательно соединенных витков, лежащих в двух пазах и имеющих общую изоляцию от корпуса.

Секция имеет две активные стороны. Левую активную сторону называют началом секции (катушки), а правую — концом секции. Расстояние между активными сторонами секции называют шагом секции. Его можно измерять или числом зубцовых делений или в долях полюсного деления.

Шаг секции называют диаметральным, если он равен полюсному делению и сокращенным, если он меньше полюсного деления, так как шаг секции больше полюсного деления не делают.

Характерной величиной, определяющей выполнение обмотки, является число пазов на полюс и фазу, т. е. число пазов, занимаемых обмоткой каждой фазы в пределах одного полюсного деления:

где z— число пазов статора.

Обмотка, приведенная на рис. 1, а, имеет следующие данные:

Читайте также:  Диодный мост генератора шевроле эванда

Даже для этой простейшей обмотки пространственный чертеж проводников и их соединений получается сложным, поэтому он обычно заменяется развернутой схемой, где проводники обмотки изображаются расположенными не на цилиндрической поверхности, а на плоскости (цилиндрическая поверхность с пазами и обмоткой «развертывается» в плоскость). На рис. 2, а дана развернутая схема рассмотренной обмотки статора.

На предыдущем рисунке было для простоты показано, что часть фазы А обмотки, уложенная в пазах 1 и 4, состоит всего из двух проводников, т. е. из одного витка. В действительности же каждая такая часть обмотки, приходящаяся на один полюс, состоит из w витков, т. е. в каждой паре пазов помещается по w проводников, объединенных в одну катушку. Поэтому при обходе по развернутой схеме, например, фазы А от паза 1 нужно w раз обойти пазы 1 и 4, прежде чем перейти к пазу 7. Расстояние между сторонами витка одной катушки, или шаг обмотки, у показан на рис. 1, г; он обычно выражается в числах пазов.

Рис. 3. Щиток асинхронной машины

Приведенная на рис. 1 и 2 обмотка статора называется однослойной, так как она укладывается в каждом пазу в один слой. Для того чтобы разместить лобовые части, пересекающиеся на плоскости, их изгибают по разным поверхностям (рис. 2, б). Однослойные обмотки выполняются с шагом, равным полюсному делению (рис. 2, а), или этот шаг равен в среднем полюсному делению для разных катушек одной фазы, если y > 1 , y . В настоящее время более распространены двухслойные обмотки.

Начало и конец каждой из трех фаз обмотки выводятся на щиток машины, где имеется шесть зажимов (рис. 3). К верхним зажимам C1, С2, СЗ (начала фаз) подводятся три линейных провода от трехфазной сети. Нижние зажимы С4, С5, С6 (концы фаз) либо соединяются в одну точку двумя горизонтальными перемычками, либо каждый из этих зажимов соединяется вертикальной перемычкой с лежащим над ним верхним зажимом.

В первом случае три фазы статора образуют соединение звездой, во втором — треугольником. Если, например, одна фаза статора рассчитана на напряжение 220 В, то линейное напряжение сети, в которую включается двигатель, должно быть 220 В в случае включения статора треугольником; при включении его звездой линейное напряжение сети должно быть

При соединении статора звездой нейтральный провод не подводится, так как двигатель является для сети симметричной нагрузкой.

Ротор асинхронной машины набирается из штампованных листов изолированной электротехнической стали на валу или на специальной несущей конструкции. Радиальный зазор между статором и ротором делается возможно меньшим для обеспечения малого магнитного сопротивления на пути магнитного потока, пронизывающего обе части машины.

Наименьший зазор, допустимый по технологическим требованиям, составляет от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров в зависимости от мощности и габаритов машины. Проводники обмотки ротора располагают в пазах вдоль образующих ротора непосредственно у его поверхности с тем, чтобы обеспечить наибольшую связь обмотки ротора с вращающимся полем.

Асинхронные машины выпускаются как с фазным, так и с короткозамкнутым ротором.

Рис. 4. Фазный ротор

Фазный ротор имеет, как правило, трехфазную обмотку, выполняемую, подобно статорной, с тем же числом полюсов. Обмотка соединяется звездой или треугольником; три конца обмотки выводятся на три изолированных контактных кольца, вращающихся вместе с валом машины. Через щетки, укрепленные на неподвижной части машины и скользящие по контактным кольцам, в ротор включается трехфазный пусковой или регулировочный реостат, т. е. в каждую фазу ротора вводится активное сопротивление. Внешний вид фазного ротора представлен на рис. 4, на левом конце вала видны три контактных кольца. Асинхронные двигатели с фазным ротором применяются там, где требуется плавное регулирование скорости приводимого в движение механизма, а также при частых пусках двигателя под нагрузкой.

Конструкция короткозамкнутого ротора значительно проще, чем фазного. Для одной из конструкций на рис. 5, а показана форма листов, из которых набирается сердечник ротора. При этом отверстия вблизи наружной окружности каждого листа составляют в сердечнике продольные пазы. В эти пазы заливается алюминий, после его затвердения в роторе образуются продольные токопроводящие стержни. По обоим торцам ротора заодно отливаются алюминиевые кольца, замыкающие накоротко алюминиевые стержни. Полученная при этом токопроводящая система обычно называется беличьей клеткой.

Рис. 5. Короткозамкнутый ротор

Короткозамкнутый ротор с беличьей клеткой представлен на рис. 5,б. На торцах ротора видны вентиляционные лопатки, отливаемые заодно с короткозамыкающими кольцами. В данном случае пазы скошены на одно пазовое деление вдоль ротора. Беличья клетка проста, не имеет скользящих контактов, поэтому трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором наиболее дешевы, просты и надежны; они наиболее распространены.

Источник

ООО «ДиАйрис»

Проблемы с обмотками статоров генераторов с воздушным охлаждением

Повсеместное использование турбогенераторов с воздушным охлаждением снизило общую стоимость современных электростанций на газовом топливе и с комбинированным циклом. Однако за последнее время в обмотках статора некоторых таких генераторов появились проблемы. А именно износ и порча изоляции в пазах статора из-за вибрации стержней (витков). Такая проблема проявляется в статорах, как с обычной, так и с глобальной вакуумной пропиткой. В дополнение к этому на некоторых агрегатах встречаются проблемы с ЧР в лобовой части обмотки и районе питающих кабелей, из-за неадекватного расстояния между высоковольтными компонентами. В этой статье представлены примеры этих проблем и возможные способы ремонта.

Введение

Большое количество новых генераторов, вве­денных в эксплуатацию, приводятся от газовых турбин, или маленьких паровых турбин, часто в комбинированном исполнении. Генераторы, требуемые для таких турбин, обычно имеют номинальные значения от 25 МВА до 300 МВА. Рынок обеспечения этими меньшими турбогенераторами стал крайне конкурентоспособным, кроме того, существует громадное давление на производителей оборудования по снижению стоимости производства.

Производители генераторов выработали несколько подходов, чтобы сделать свое оборудование более рентабельным:

Читайте также:  Опель мерива натяжитель ремня генератора

1. Один из наиболее часто применимых подходов – производить турбогенераторы с воздушным охлаждением. Здесь, в отличие от традиционного водородного охлаждения, преобладавшего в прошлом на высокооборотных агрегатах номиналом более 100 МВА, используется воздух для непосредственного или косвенного охлаждения обмоток ротора и статора. Выгода состоит в том, что оборудование для работы с водородом больше не требуется, из-за чего цена снижается. Недостатком воздушного охлаждения является то, что при таком способе охлаждения ЧР в обмотке статора проявляются гораздо интенсивней, так как напряжение пробоя у воздуха гораздо ниже, чем у водорода, находящегося под высоким давлением.

2. Другой подход, связанный с новыми турбогенераторами, заключается в изменении некоторых исходных параметров. Например, увеличение проектной электрической стойкости корпусной изоляции, что уменьшает толщину корпуса. Благодаря этому пазы статора уменьшаются. Соответственно уменьшается и весь агрегат, снижая стоимость (за счет меньшего расхода материалов – медь, сталь, изоляция) практически на 20 %. Другой плюс заключается в том, что более тонкая корпусная изоляция отводить тепло от нагревающегося медного проводника на корпус генератора (теплоотвод) гораздо более эффективно, таким образом, уменьшая температуру статора. В дополнение, чтобы улучшить диэлектрические свойства, некоторые производители используют современную эпоксидно-слюдяную корпусную изоляцию, обладающую лучшими термическими свойствами. Это позволяет уменьшить количество используемой меди (увеличивая тепловые потери проводника), стали (увеличивая тепловые потери корпуса) и/или уменьшить длину лобовой части обмотки (уменьшая эффективность лобовой части обмотки как теплоотвода). Следствием этого являются более высокие рабочие температуры. Однако следует помнить, что продолжительность работы материалов класса F при температуре 155ºС составляет 20000 часов (около трех лет). Используя зависимость ?Аххрениуса?, по которой время работы увеличивается почти в два раза с понижением рабочей температура на 10 градусов, пользователь может получить представление о времени «жизни» обмотки, если рабочая температура близка к «номинальной» — 155ºС.

3. Третий способ уменьшить стоимость производства современных обмоток статора заключается в упрощении системы используемой для закрепления стержней (витков) в пазах статора. В больших турбогенераторах используются сложные многосоставные клинья, волнистые прокладки и/или подобные уплотнительные материалы в попытке исключить вибрацию стержней (витков) в пазах под действием переменного магнитного поля с частотой изменения 100/120 Гц. Такие системы дороги и требуют существенных временных затрат на установку. Так как агрегаты, о которых идёт речь, имеют более низкие номинальные характеристики, то токи стержней (витков) также ниже и соответственно потребность в сложных системах крепления в пазах уменьшается.

Одним из решений этого вопроса был переход к статорам с глобальной вакуумной пропиткой, т. е. статор обматывают гибкими «зелеными» витками или стержнями, а затем весь статор пропитывается эпоксидной смолой в специальной емкости. Это существенно снижает стоимость труда и время производства по сравнению с проверками надежности закрепления витков в пазах.

Все эти инновации снизили стоимость генераторов. Однако, как бывает при внедрении нововведений, в процессе эксплуатации проявились некоторые проблемы со статором на недавно установленных агрегатах с воздушным охлаждением. Ниже представлены некоторые проблемы, выявленные на сегодняшний день, а также способы их возможного решения.

Ослабление витков в обычных статорах.

Долгое время вибрация в пазах была проблемой всех статоров, изоляция которых изготавливалась не методом глобальной вакуумной пропитки, а с помощью термореактивных систем изоляции, например эпоксидно-слюдяной. Первые случаи были зарегистрированы более 50 лет назад. Основная причина этой проблемы заключается в том, что витки не закреплены достаточно крепко в пазах, и при полной нагрузке переменное поле с частотой в два раза большей, чем частота сети будет расшатывать стержни (витки). Постепенно корпусная изоляция истирается о стальной корпус – очень абразивную поверхность. Сначала истирается полупроводниковое покрытие, а затем корпусная изоляция. Это сопровождается разрядами в пазах, потому что после истирания полупроводникового слоя проявляются ЧР между поверхностью стержня (витка) и корпусом, ускоряя тем самым дальнейшее разрушение. Сначала в турбогенераторах с водородным охлаждением, а затем и в гидрогенераторах, производители разработали методы укрепления витков в пазах, с учетом усадки изоляции и других составляющих паза в процессе старения.

Как говорилось выше, в производстве современных турбогенераторов прослеживается тенденция к снижению стоимости производства и сложности системы крепления в пазах. К сожалению, бывают случаи, когда обмотка двигается в пазах из-за некачественного изготовления или ослабляется в процессе эксплуатации, особенно в присутствии масла?. Как результат – отказы связанные с разрядами в пазах. На рис. 1 изображен виток генератора 40 МВА где около 30% толщины корпусной изоляции истерлось из-за вибрации, предшествующей отказу. Предположительно витки не были достаточно надежно укреплены в пазах в процессе производства. Чем больше агрегат в общем, тем больше магнитные силы воздействующие на витки/стержни, и таким образом сокращается время до отказа.

рис. 1

Своевременное обнаружение такой проблемы крайне важно, если не сказать больше. Во время ближайшего извлечения ротора, необходимо произвести переукладку и переклиновку, желательно с использованием волнистых прокладок и/или двухсоставных клиньев. Если есть возможность произвести ремонт до того, как сотрется полупроводниковый слой, то чаще всего обмотка может быть восстановлена до первоначального состояния. К сожалению, если полупроводниковый слой стирается и обнажается эпоксидно-слюдяная изоляция, то частичный разряд постепенно разрушает корпусную изоляцию. Введение в пазы углеродистых varnishes, силикона или эпоксидной смолы могут в какой то мере восстановить полупроводниковое покрытие, но ЧР все равно будут появляться в тех местах, где такое введение было неполным.

Ослабление витков в агрегатах с глобальной вакуумной пропиткой.

В статорах, с глобальной вакуумной пропиткой обмотки, стержни (витки) изготавливаются немного увеличенными, чтобы они плотно сидели в пазах. Используется очень простая система клиньев, которая, по большей части, служит для удержания стержней (витков) в пазах до пропитки.

После сборки статор помещается в большую емкость, которая затем вакуумизируется. Затем в емкость заливается эпоксидная смола для пропитки всей системы изоляции стержней статора. Это также делается для того, чтобы заполнить все пустоты в пазах между стержнями и корпусом и зафиксировать стержни на месте, так как за пропиткой следует вулканизация смолы.

Читайте также:  Генератор инвертор 220 вольт

Однако когда агрегат вводится в эксплуатацию и подвергается циклическим температурным, механическим и электрическим нагрузкам, стержни «пытаются» двигаться в пазах. Все материалы, входящие в состав паза: железо, медь и изоляция, имеет различные коэффициенты расширения и часто колебания температуры может привести к разрушению смолы в точке соприкосновения стержня и корпуса. Это приводит к тому, что усиливающая прокладка и клинья в одиночку удерживают стержни статора на месте. После этого отказ происходит по тому же механизму, что и в статорах с обычным методом обмотки. Клинья могут не справиться с воздействием сил изменяющегося магнитного поля во время работы агрегата, и со временем может проявиться движение стержней в пазах. Если позволить этому движению проявиться, возникают пустоты между стержнями и корпусом и как следствие этого появляются ЧР, которые ускоряют механизм разрушения, увеличивая размер пустот.

рис. 2.

На рис.2 сравнивается активность ЧР на генераторах с воздушным охлаждением от двух разных производителей. У обеих подобные системы укладки стержней в пазах и глобальной вакуумной пропитки.

С увеличением амплитуды движения ЧР становятся сильнее и изоляция изнашивается. Если в какой-нибудь области изоляции присутствует слабое место, например возникшее в результате того, что туда не проникла смола в процессе производства, изоляция может полностью выйти из строя со всеми вытекающими последствиями. На рис.3 показан пример такого отказа, внешний полупроводниковый слой был полностью изношен вдоль всего стержня, не считая пазов вентиляции.

рис. 3.

После такого отказа было осуществлена генеральная проверка, чтобы оценить масштабы повреждения в агрегате. Она включала в себя высоковольтные испытания обмотки, проверка на прочность посадки клиньев в пазах, контактное сопротивление стержень-корпус и исследование бороскопом около 50% вентиляционных пазов статора. Пока результаты исследования бороскопом не были готовы, нельзя было оценить степень повреждения всей обмотки, кроме поврежденного стержня, и поэтому нельзя было оценить и сложность требуемого ремонта.

Из-за особенностей глобальной вакуумной пропитки процесс переклиновки оказывается затруднительным, так как клинья приклеены к стержням смолой. Полная перемотка, несмотря на существенные повреждения, в данном случае неэкономична. Остается только вводить полупроводниковый материал, пытаясь восстановить целостность изоляции.

ЧР в лобовой части обмотки.

Вместе с уменьшением толщины корпусной изоляции, производители в целях экономии требуют от своих разработчиков уменьшения объема самой обмотки. Таким образом, в некоторых случаях в лобовой части обмотки витков расположены очень близко друг к другу. К сожалению, недавно были выявлены случай возникновения ЧР на больших генераторах с воздушным охлаждением, как между витками, так и в области питающих кабелей. Разряды являются результатом недочетов в производстве, а именно неадекватного расстояния между витками и/или между фазными кабелями.

Маленькое расстояние приводит к появлению высокой напряженности в области сближения выводов двух фаз с соединительным кольцом. Возникающие в результате этого ЧР со временем образуют проводящую область в изоляции, что может привести к пробоям между фазами и/или фазой и землей. На рис. 4 показаны ЧР проявляющиеся в воздушном зазоре между выводами двух фаз.

рис. 4 рис. 5

На рис. 5 показан изолирующий материал, использованный для того, чтобы заполнить воздушный зазор между выводами. Рисунок демонстрирует, что не всегда такой ремонт может решить проблему. На рис. 6 представлена подобная проблема на витке в лобовой части обмотки.

рис. 6

Витки относятся к различным фазам и, следовательно, между ними наблюдается наибольший потенциал.

Теперь, когда данные проблемы были идентифицированы, рассмотрим, что может быть сделано, чтобы остановить рост активности ЧР или полностью устранить такую активность.

1. Для проблем с питающим проводом, лучшим вариантом ремонта будет увеличение зазора между фазами, это уменьшит вероятность появления ЧР. Есть две возможности увеличить расстояние: 1) заново спроектировать лобовую часть обмотки, используя другой способ соединения или 2) переделать существующий проект, уменьшив количество изоляции на фазных выводах. Второй способ требует удаления изоляции с каждого вывода и повторное нанесение изоляции.

2. Другой подход, который будет быстрее, но возможно явится лишь временным решением проблемы, заключается :

  • В заполнении пустот между выводами силиконом. Однако в самом силиконе не должно быть воздушных включений, иначе ЧР могут появиться заново. Подобным решением является установка экранов Nomex (торговая марка фирмы Dupont) между фазными выводами с заполнением всех пустот эпоксидной смолой;
  • В применении проводящего покрытия (проводящую краску), чтобы попытаться распределить электрическое напряжение в точке соприкосновения изоляции между двумя фазами. Опять же такой подход не является окончательным решением проблемы и может потребовать дальнейшего вмешательства.

Эти два варианта потребуют меньше времени и затрат, однако это лишь временные меры.

3. Что касается устранения активности ЧР между двумя смежными витками противоположных фаз, здесь вариантов не много. Так как расстояние нельзя изменить, можно лишь попытаться снизить активность ЧР путем введения изолирующего материала, например силикона, в поврежденные области.

Выводы

Современный дизайн обмотки статора и технология производства позволили снизить стоимость турбогенераторов.

Проблемы, такие как истирание витков и ЧР в лобовой части привели к появлению отказов всего через пять лет после начала эксплуатации.

Чтобы избежать описанных выше поломок, пользователи должны:

  • убедиться, что характеристики приобретаемого агрегата соответствуют требованиям производства,
  • эксплуатировать агрегат в соответствии с его характеристиками,
  • содержать обмотку в чистоте,
  • тщательно осматривать обмотку статора после года эксплуатации.

Последнее гораздо важнее для генераторов с воздушным охлаждением, чем для генераторов с водородным охлаждением. Хотя некоторые проблемы не могут быть исправлены, есть эффективные меры позволяющие замедлить процесс разрушения изоляции, если проблема обнаружена на ранней стадии.

Источник