Виды машин переменного тока и их устройство

Электрические машины переменного тока включают в себя:

1) синхронные машины (СМ),

2) асинхронные машины (АМ),

3) коллекторные машины переменного тока.

Машина переменного тока (МПрТ) состоит из двух основных частей: неподвижной – статора и вращающейся – ротора. Между ними имеется воздушный зазор. Все машины переменного тока работают на принципе вращающегося магнитного поля, поэтому в их теории много общего. В синхронной машине ротор вращается с той же частотой вращения и в том же направлении, что и магнитное поле. То есть в этих машинах ротор и поле вращаются синхронно. В асинхронных машинах ротор вращается с частотой вращения, отличающейся от частоты вращения поля. Другими словами, ротор вращается не синхронно (асинхронно) по отношению к полю. Коллекторные машины являются асинхронными машинами с коллектором. Синхронные машины преимущественно применяются в качестве генераторов, а также нередко – двигателями. Асинхронные машины преимущественно применяются в качестве двигателей. В устройстве статора асинхронной и синхронной машин много общего (рис. 1.1). Сердечник статора набирается из листов электротехнической стали по 0,5 мм, изолированных друг от друга. Сердечник статора запрессовывается в корпус. На внутренней цилиндрической поверхности статора размещены пазы, в которые укладывается распределенная обмотка, как правило, трехфазная.

Сердечник ротора асинхронной машины набирается также из листов электротехнической стали, которые в крупных машинах покрываются с обеих сторон масляно-канифольным изоляционным лаком, а в машины малой мощности не имеют лакового покрытия. В последнем случае изоляцией служит искусственно созданный или естественный слой окислов.

Пакет листов ротора АМ напрессовывается на вал (рис. 1.2,а) или на втулку вала. В крупных АМ он напрессовывается на крестовину (обод) (рис. 1.2,б). В пазах на наружной поверхности пакета ротора укладывается обмотка ротора. В зависимости от типа обмотки различают два различных типа АМ:

а) с фазным ротором или с контактными кольцами (АДФ);

б) с короткозамкнутым ротором (АДК).

В случае АДФ обмотка ротора выполняется, как и статорная – распределенной. Концы фаз соединяются в общую точку, а начала через контактные кольца и металлографитовые щетки выводятся наружу.

В случае АДК обмотка выполняется в виде беличьей клетки. В каждом пазу укладывается алюминиевый или медный стержень и концы всех стержней с обеих торцов ротора замыкаются накоротко алюминиевыми или медными кольцами. В АМ до 100 кВт обмотка выполняется путем заливки ротора алюминием. Что касается роторов СМ, то их конструкция существенно отличается от конструкции ротора АМ. Существуют две разновидности СМ:

а) с неявно выраженными полюсами (рис. 1.3,а);

б) с явно выраженными полюсами (рис. 1.3,б).

Следовательно, СМ делятся на неявнополюсные и явнополюсные машины.

То или иное исполнение СМ зависит от частоты вращения. Высокоскоростные СМ – неявнополюсные. Типичным представителем таких машин являются турбогенераторы (ТГ), которые выполняются двухполюсными с n = 3000 об/мин. На атомных электростанциях применяются четырехполюсные ТГ. При таких больших частотах вращения возникают большие механические напряжения в теле ротора от центробежных сил. Поэтому роторы ТГ выполняются из сплошной паковки высококачественной хромоникелевой или хромоникельмолибденовой стали. Поэтому, ротор современного ТГ имеет небольшой диаметр 1,3…1,5 метра. Для увеличения мощности приходится удлинять ротор, считаясь с ограничением по условиям гибкости и прогиба вала и связанным с этим пределом увеличения вибрации. Длина современных ТГ может достигать 7,5…8 метра. На цилиндрической поверхности ротора выфрезерованы пазы, куда укладывается обмотка возбуждения (ОВ), которая состоит из концентрических катушек, стороны которых закрепляются в пазах с помощью металлических немагнитных клиньев. Лобовые части ОВ охватываются стальным бандажным кольцом, воспринимающим усилия лобовых частей и самих бандажей. Увеличение мощности ТГ в заданных габаритах достигается интенсивным охлаждением.

При СМ выполняются явнополюсными. В этом случае на роторе размещены выступающие полюса (рис. 1.4). Сердечник полюса 2 набирается из листов электротехнической стали 1…2 мм, которые стягиваются шпильками 6. В средних и крупных СМ сердечники полюсов крепятся к остову ротора 4 с помощью Т-образных хвостов 3. Крепление осуществляется двумя парами встречных стальных клиньев 5.

Обмотка возбуждения 1 выполняется из проводников, наматываемых на ребро. В случае синхронных двигателей (СД) в наконечниках полюсов размещены стержни пусковой обмотки из материала с большим активным сопротивлением. Стержни с торцов привариваются к сегментам 7, которые образуют по окружности короткозамкнутые кольца. В синхронных генераторах (СГ) такая обмотка выполняется из медных стержней (малое активное сопротивление) – успокоительная или демпферная обмотка.

В СМ ротор вместе с ОВ называют индуктором, а статор вместе с обмоткой называют якорем. При мощности до 10–12 кВт СМ может иметь обращенную конструкцию, аналогичную конструкции машины постоянного тока, в которой индуктор неподвижен, а якорь вращается, причем коллектор заменяется тремя контактными кольцами, с которых щетки отводят трехфазный ток. Для крупных машин такая конструкция неприемлема, т.к. отвод из обмоток якоря больших токов при высоком напряжении с помощью скользящего контакта затруднен и изоляция вращающейся обмотки якоря высокого напряжения трудно осуществима. Нормальное исполнение явнополюсной СМ – с горизонтальным валом. Такое исполнение имеют СД, синхронные компенсаторы и быстроходные генераторы.

На современных ГЭС устанавливают мощные СМ с вертикальным валом – гидрогенераторы (ГГ). Это тихоходные машины с большим числом полюсов, например,

ГГ Красноярской ГЭС (500 МВт; 2р = 64).

ГГ Братской ГЭС ( 225 МВт; 2р = 48).

ГГ Саяно-Шушенская ГЭС ( 711 МВт; 2р = 42).

У таких машин диаметр якоря достигает 16, а высота до двух метров.