КОНСТРУКЦИЯ СЕРИЙНЫХ СИНХРОННЫХ МАШИН

Проектирование синхронных машин

Синхронные машины имеют широкое распространение и выпускаются в большом диапазоне мощностей и частот вращения. В энергетике их применяют в качестве генераторов на электростанциях, их мощность составляет 1500 МВт для турбогенераторов и 800 МВт для гидрогенераторов. В промышленных установках большое применение находят синхронные двигатели и генераторы.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Синхронные двигатели предназначены для привода механизмов, не требующих регулирования частоты вращения, таких, как компрессоры, насосы, шаровые мельницы, вентиляторы, двигатель-генераторные установки и т. п.

Двигатели изготовляют с неявнополюсным и с явнополюсным ротором.

В неявнополюсном исполнении синхронных двигателей — турбодвигатели — выпускают с частотой вращения 3000 об/мин мощностью от 630 до 12500 кВт. Более широкое распространение имеют явнополюсные синхронные двигатели с диапазоном частот вращения от 1500 до 100 об/мин мощностью от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч киловатт.

Шкала мощностей выпускаемых в настоящее время двигателей приведена в табл. 10.1. Двигатели выпускают с номинальными напряжениями 380,660,6000 и 10000 в [16].

В отдельных случаях допускается изготовление двигателей на напряжение 3000 В для мощностей, указанных в таблице для двигателей с номинальным напряжением 6000 В.

Синхронные генераторы выполняют с явнополюсными роторами и применяют в сопряжении с двигателями внутреннего сгорания или электродвигателями. В табл. 10.2 приведена шкала мощностей, частот вращения и напряжений для синхронных генераторов. Для дизель-агрегатов выпускают генераторы с частотой вращения 375 об/мин. Кроме того, выпускают синхронные генераторы небольших мощностей; от 4 до 100 кВт. Большинство выпускаемых генераторов работает с самовозбуждением и автоматической системой регулирования возбуждения.

Налажено серийное производство различного типа синхронных двигателей мощностью от нескольких сотен ватт до долей ватта (микродвигатели) [16].

Таблица 10.1. Шкала мощностей синхронных двигателей

Таблица 10.2. Шкала мощностей синхронных генераторов

Расчет синхронных машин каждого вида имеет свои особенности. В этой главе изложена методика расчета синхронных явнополюсных машин общего назначения.

Основное конструктивное исполнение таких машин — с горизонтальным расположением вала. По способу защиты и вентиляции — защищенные или закрытые с самовентиляцией. Охлаждение — воздушное.

В настоящее время для синхронных машин не существует жесткой увязки мощностей с установочными размерами и высотой оси вращения, как это имеется, например, у асинхронных машин.

Синхронные машины общего назначения выпускают в виде ряда серий. Каждая серия включает в себя машины в определенном диапазоне мощностей и частот вращения, их выполняют на нескольких нормализованных внешних диаметрах статора, которые определяют габарит машины. При одной и той же частоте вращения две-четыре машины близких мощностей имеют одинаковую поперечную геометрию и отличаются длиной.

Неявнополюсные синхронные двигатели общего назначения выпускают сериями СД2, СДН2, СДН3-2 и др. Серию двигателей СД2 выпускают на внешних диаметрах статора, соответствующих 13-му и 14-му габаритам, серию СДН2 — на диаметрах 16-го и 17-го габаритов, а серию СДН3-2 — на диаметрах 18—21-го габаритов. Синхронные генераторы выпускают сериями СГ2 (13-й и 14-й габариты), СГД2 (16-й и 17-й габариты) и др. Конструктивно синхронные генераторы подобны синхронным двигателям соответствующего габарита. Кроме того, выпускают синхронные генераторы серий ОС, ЕСС, ECC5 и другие в диапазоне мощностей от 4 до 100 кВт (5—9-й габариты) на напряжение 230 и 400 В при частоте вращения 1500 об/мин [15].

Турбо- и гидрогенераторы большей мощности в данном учебнике не рассматриваются.

КОНСТРУКЦИЯ СЕРИЙНЫХ СИНХРОННЫХ МАШИН

ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ

Как уже отмечалось, синхронные машины общего назначения с явнополюсным ротором выпускают в виде отдельных серий. Каждая серия включает ряд машин в определенном диапазоне мощностей, объединенных общностью конструкции. Машины различных серий могут конструктивно отличаться друг от друга, но наряду с этим в выполнении отдельных узлов иметь и много общего. Конструкции современных синхронных машин средней мощности показаны на рис. 10.1—10.4. На рис. 10.1—10.3 одинаковые детали и узлы обозначены одними и теми же цифрами.

Рис. 10.1. Синхронный двигатель серии СД2

Конструктивно машины указанных серий выполнены с различными степенями защиты персонала от соприкосновения с токоведущими или вращающимися частями и от попадания внутрь машины посторонних тел и воды. В соответствии с классификацией, предусмотренной ГОСТ, машины серии СД2 (СГ2) имеют степень защиты IP23. Основное исполнение серии СДН2 имеет степень защиты IP11, но также выпускаются модификация со степенью защиты IP43. Машины серии СДН3-2 имеют закрытое исполнение со степенью защиты IP44.

Машины различаются по способу крепления и конструкции подшипниковых узлов. В машинах серии СД2 (СГ2) подшипники размещают в подшипниковых щитах, и, следовательно, машины имеют форму исполнения IM1001. В машинах серий СДН2 и СДН3-2 применяют стояковые подшипники, и они имеют форму исполнения IM7311. Машины серии СДН2 (см. рис. 10.2) выполняют без фундаментной плиты, а стояковые подшипники 1 устанавливают на нижних подшипниковых полущитах 2, крепящихся к нижней части статора. Такое исполнение позволило сократить расстояние между подшипниками по сравнению с вариантом крепления стояковых подшипников на фундаментной плите и привело к уменьшению общей массы машины. По сравнению с вариантом расположения подшипников в подшипниковых щитах принятая конструкция также имеет преимущества, так как обеспечивает выполнение машины на подшипниках скольжения и качения с одинаковыми габаритно-установочными размерами, большую гарантию от попадания масла из подшипников скольжения в машину, уменьшает вероятность возникновения вибраций и т. д . Крепление двигателей к фундаменту производят шпильками, проходящими через отверстия в лапах станины. Двигатели серии СДН3-2 (рис. 10.3) вместе со стояковыми подшипниками 1 крепят на фундаментной плите 3 или фундаментных балках.

Рис. 10.2. Синхронный двигатель серии СДН2

Рис. 10.3. Синхронный двигатель серии СДН3-2

В машинах серии СД2 применяют подшипники качения: со стороны контактных колец — однорядные шариковые подшипники и со стороны привода — однорядные роликовые. В машинах серии СДН2 используют как подшипники скольжения, так и подшипники качения. Подшипники скольжения — стояковые с кольцевой смазкой. У применяемых подшипников сокращена осевая длина за счет отсутствия маслоуловительных козырьков. Для подшипников качения используют роликовые однорядные подшипники. В комплект подшипникового узла со стороны привода вместе с роликовым подшипником входит шариковый подшипник, который предназначен для восприятия случайных осевых нагрузок. Все машины серии СДН3-2 имеют подшипники скольжения.

Рис. 10.4. Внешний вид синхронного двигателя:

а — СД2; б — СДН2

Высота оси вращения для всех машин серий СДН2 и СДН3-2 равна 630 мм, а для машин серии СД2 (СГ2) — 450 мм у машин 13-го габарита и 500 мм у машин 14-го габарита.

Станины 4 всех машин сварные из листовой стали и состоят из стоек, соединенных между собой продольными ребрами жесткости, опорных лап и наружной обшивки. У машин серий СД2 и СДН2 в обшивке корпуса имеются окна 5 с жалюзи и решетками для выхода воздуха. У машин серии СДН3-2 обшивка корпуса глухая, в днище корпуса имеются окна для присоединения воздуховодов. На станине закрепляют коробку выводов статора с крышкой 6. Сердечник статора 7 состоит из запрессованных в корпус станины пакетов, собранных из лакированных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Между пакетами имеются вентиляционные каналы. В машинах серии СДН2 пакет собирают из целых листов, а у машин серий СДН2 и СДН3-2 — из сегментов. У машин серий СДН2 и СДН3-2 удержание магнитопровода в запрессованном состоянии обеспечивают нажимные кольца 8 и стяжные шпильки 9, а у машин СД2 (СГ2) — нажимные шайбы 10, соединенные между собой стяжками. Во всех машинах применена двухслойная петлевая обмотка 11, которую укладывают в прямоугольные пазы статора. У машин серии СД2, а также у генераторов серий СГ2 и СГД2 в эти же пазы укладывают по одному проводнику дополнительной обмотки, предназначенной для питания возбудительного устройства. Пазовую часть обмотки крепят гетинаксовыми клиньями. Лобовые части обмотки в зависимости от вылета и глубины паза крепят изолированными бандажными кольцами 12.

Роторы машин имеют два исполнения. У быстроходных машин полюсы сажают на остов, а у тихоходных — на магнитное колесо. Остов ротора 13 (см. рис. 10.3) выполняют шихтованным из листовой стали марки Ст3. У машин 13—17-го габаритов остов состоит из одного пакета, а у машин, начиная с 18-го габарита, подразделяется на несколько пакетов длиной 100 мм с промежутками между ними в 15…25 мм. Магнитное колесо 14 (см. рис. 10.2) выполняют сварным из листовой стали марки Ст3.

Полюсы быстроходных машин устанавливают на остов ротора Т-образными хвостовиками, а в некоторых машинах — хвостовиками в виде ласточкина хвоста. Полюсы тихоходных машин крепят к ободу магнитного колеса шпильками и гайками.

Сердечники полюсов 15 выполняют шихтованными из листовой стали марки Ст3 толщиной 1 и 1,4 мм. Запрессовку сердечника полюса осуществляют с помощью литых нажимных щек и заклепок. Сердечники полюсов бесхвостового исполнения имеют массивный центральный стержень, в который заворачивают крепящих полюс шпилек.

Демпферную (пусковую) клетку 16 выполняют из медных стержней, расположенных в полузакрытых пазах сердечников полюсов, припаянных к дугообразным сегментам 17 и выполненных из полосовой меди, гнутой плашмя. У некоторых двигателей часть пазов заполняют латунными стержнями. Соединение короткозамыкающих сегментов соседних полюсов быстроходных машин производят встык с помощью соединительных накладок с дополнительным креплением соединения шпилькой к остову ротора. Короткозамыкающие сегменты тихоходных машин соединяют между собой внахлест.

Обмотки возбуждения 18 состоят из катушек, изготовленных из полосовой меди, намотанной на ребро. Между витками прокладывают изоляцию из асбестовой бумаги.

Контактные кольца 19 подвесного типа изготовляют из стали марки Ст3 или чугуна и крепят на конце вала за подшипниковым узлом у машин 13—17-го габаритов и между подшипниковыми стояками у машин, начиная с 18-го габарита (серия СДН3-2).

Подшипниковые щиты 20 у машин серии СД2 (СГ2) (см. рис. 10.1) сварные, которые центрируют замками в станине. В щитах имеются окна с жалюзи, через которые входит охлаждающий машину воздух. В серии СДН2 (см. рис. 10.2) нижние подшипниковые полущиты 2 в машинах 16-го габарита изготовляют литыми из чугуна, а у машин 17-го габарита приняты сварные полущиты. В полущитах предусматривают вентиляционные окна, служащие также для измерения воздушного зазора. Предохранительные щиты 21 прикрепляют к верхним торцевым частям станины, и их конструкция определяется необходимостью обеспечения заданной степени защиты машины.

При степени защиты IP11 вентиляционные окна, расположенные на цилиндрической поверхности щитов, закрыты жалюзи, окна на торцевых поверхностях — решетками, сварными из концентрически расположенных круглых прутков и радиальных ребер. Для предотвращения попадания внутрь двигателя воды, стекающей по торцевой поверхности щита, предусмотрены обтекатели. Щиты машин со степенью защиты IP43 отличаются от щитов машин исполнения IP11 только отсутствием вентиляционных окон.

В машинах серии СДН3-2 применяют плоские разъемные щиты 20 (см. рис. 10.3) из листовой стали толщиной 5 мм. Для увеличения жесткости щиты имеют горизонтальные и вертикальные ребра из полосовой стали.

Во всех сериях применяют воздушное охлаждение с самовентиляцией. В машинах серии СД2 принята согласная радиальная система вентиляции. В серии СДН2 применена согласная система вентиляции, причем при активной длине магнитопровода статора меньше 44 см используют аксиально-радиальную схему, а при длинах больше 44 см — радиальную. У закрытых машин серии СДН3-2 вентиляция происходит по замкнутому циклу через встроенный воздухоохладитель 24, который у большинства машин размещают в верхней части корпуса. Схема вентиляции для машин серии выбирают в зависимости от окружной скорости ротора и длины статора. При окружных скоростях ротора более 40 м/с применяют согласную радиальную вентиляцию с осевым вентилятором, при скоростях от 20 до 35 м/с и активной длине статора машины до 40 см — согласную аксиально-радиальную систему с коническим вентилятором, при скоростях от 20 до 30 м/с, но при длине статора свыше 41 см — согласную радиальную с коническим вентилятором. Вентиляторы машин 22 (см. рис. 10.3) прикрепляют к ободу ротора. Для направления потока воздуха к подшипниковым щитам некоторых машин прикрепляют диффузоры 23. На рис. 10.5, а в качестве примера показана схема согласной радиальной (левый рисунок) и согласной аксиально-радиальной вентиляции (правый рисунок) для защищенных машин, а на рис. 10.5, б — согласной радиальной вентиляции для закрытых машин.

Рис. 10.5. Схемы вентиляции:

а — защищенных машин СДН2; б — закрытых машин СДН3-2

На рис. 10.6, а дана конструкция синхронного генератора серии ЕСС, а на рис. 10.6, б — его внешний вид. Генераторы изготовляют в горизонтальном защищенном исполнении. По способу крепления и конструкции подшипниковых узлов генераторы имеют две формы исполнения: IM1001 (на лапах с двумя одинаковыми подшипниковыми щитами) и IM2101 (на лапах с фланцевым подшипниковым щитом со стороны вала). Станина генератора 1 — чугунная, литая. В верхней ее части имеется проем прямоугольной формы, над которым устанавливают блок регулирования напряжения 13. На внутренней поверхности станины равномерно по окружности расположены продольные ребра, на которые сажают обмотанный магнитопровод статора. Каналы, образованные между ребрами и наружной поверхностью статорного магнитопровода, служат для прохождения охлаждающего воздуха. Вентиляция генератора — аксиальная, вытяжная. Воздух забирается центробежным вентилятором 11 через отверстия в щите, расположенном со стороны контактных колец. Подшипниковые щиты 4 — чугунные, литые. В нижних частях щитов расположены окна для прохождения воздуха. Окна защищены сетками, штампованными из листовой стали. Для увеличения размеров окон нижняя часть щитов расширена.

Рис. 10.6. Синхронный генератор серии ЕСС:

а — чертеж общего вида; б — внешний вид

В подшипниковых щитах располагают подшипники 10. Со стороны привода применяют роликоподшипники, а со стороны колец — шарикоподшипники. В генераторах 5-го габарита установлены шарикоподшипники с обеих сторон.

Магнитопровод статора 2 собирают из лакированных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Собранный в пакет магнитопровод после опрессовки удерживается шестью продольными скобками, которые на торцах приваривают к нажимным кольцам. Магнитопровод впрессовывают в станину и закрепляют от проворачивания винтом.

В полузакрытых пазах статора уложена всыпная петлевая двухслойная обмотка 3 из круглого медного провода марки ПСД. Изоляция обмотки и паза соответствует классу нагревостойкости B.

Сердечник ротора 5 собирают из листов электротехнической стали, которые имеют форму звезды с числом лучей (выступов) 1, равным числу полюсов (рис. 10.7, а). Листы используют двух видов, отличающих друг от друга высотой выступов. Из той же стали, штампуют сегменты 2, имеющие форму полюсных наконечников. По длине сердечник состоит из чередующих пакетов, состоящих из листов с короткими или длинными выступами. Крайние пакеты с короткими выступами собранны из листов тонколистовой стали толщиной 2 мм.

Собранный и спрессованный магнитопровод закрепляют на валу с помощью шпонки, а с торцов — двумя пружинными кольцами.

Катушки обмоток возбуждения 6 (см. рис. 10.6, а) наматывают из прямоугольной меди и после предварительной изоляции полюсных сердечников надевают на них. Сверху и снизу катушек устанавливают изолирующие шайбы. Под нижнюю шайбу подкладывают стальную пружинящую рамку, предохраняющую от перемещения катушки относительно сердечника. После установки катушек на полюсы зашихтовывают пакеты сегментов полюсных наконечников 2 (рис. 10.7, б). Сегменты с сердечниками крепят с помощью двух продольных шпилек 3, проходящих через отверстия сегментов и высоких пакетов, при этом наружные размеры сегментов и высоких пакетов строго совпадают, образуя внешнюю поверхность ротора. Между сегментами по краю полюсов остаются воздушные промежутки, равные толщине высоких пакетов.

Рис. 10.7. Ротор синхронного генератора серии ЕСС

На выступающие из полюсов концы шпилек устанавливают силуминовые втулки, удерживающие торцевые части катушек от изгибания.

Выводные провода обмотки ротора пропускают через вал, конец которого со стороны колец полый (сверленый), и соединяют с контактными кольцами 8 (см. рис. 10.6, а), изготовленными из латуни. Кольца с контактными шпильками запрессовывают в изоляционном пресс-материале на стальную втулку, которая служит для посадки контактных колец на конец вала. Втулку на вал закрепляют от проворачивания призматической шпонкой, а от осевого смещения — установленным на валу пружинным кольцом. Кольца закрывают штампованным из листовой стали кожухом 7. На подшипниковом щите со стороны колец крепят чугунное кольцо, которое стягивает крышку подшипника. В кольцо ввинчивают одну или две шпильки, опрессованные в изоляционный пресс-материал. На шпильки крепят по две траверсы 9, каждая из которых имеет два щеткодержателя со щетками марки ЭГ-14 размером 10 12,5 мм. Блок регулирования напряжения 13 устанавливают над проемом в станине. В нем устанавливают выпрямители цепи возбуждения, трансформаторы тока, дроссель цепи компаундирования и конденсаторы для самовозбуждения.

На станине располагают коробку выводов 12 для присоединения внешних проводов [16].