Принцип действия и конструкция вращающихся электрических машин.методические указания

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ульяновский государственный технический университет

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И КОНСТРУКЦИЯ ВРАЩАЮЩИХСЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН Методические указания к лабораторной работе №1

Составитель А. Л. Кислицын

Ульяновск 2004

УДК 621.313(076) ББК 31.261.62 я7 П 76 Рецензент: Петров В. М. – канд. техн. наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий и городов» УлГТУ Одобрено секцией методических пособий научнометодического совета университета

П 76

Принцип действия и конструкция вращающихся электрических машин : методические указания / сост. А. Л. Кислицын. – Ульяновск : УлГТУ, 2004. – 36 с. Указания составлены в соответствии с учебными планами подготовки специалистов, обучающихся по направлениям 654500 и 650900. Методические указания могут быть использованы студентами при выполнении лабораторных работах по дисциплинам «Электрические машины (шифр ОПД Ф.07) и «Электромеханика» (шифр ОПД Ф.04). В методическом пособии изложены принципы действия вращающихся электрических машин и показаны основные элементы конструкций некоторых типов электрических машин постоянного и переменного тока. Работа подготовлена на кафедре «Электропривод и АПУ».

3

УДК 621.313(076) ББК 31.261.62 я7

© Кислицин А. Л., составление, 2004 © Оформление. УлГТУ, 2004 РАБОТА № 1 ЗНАКОМСТВО С ПРИНЦИПОМ ДЕЙСТВИЯ И КОНСТРУКЦИЕЙ ВРАЩАЮЩИХСЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Ознакомиться с принципом действия и конструкцией асинхронных и синхронных машин, электрических машин постоянного тока, обозначением единых серий, условным обозначением машин на электрических схемах.

ПРОГРАММА РАБОТЫ.

1.Машины переменного тока 1.1. Объяснить принцип действия асинхронной машины при работе в двигательном и генераторном режимах. 1.2. Описать конструкцию асинхронных двигателей с короткозамкнутым и фазным роторами, выполнить эскизы продольного и поперечного сечений одного из двигателей промышленных серий [5], нанести на выполненные рисунки обозначение основных элементов конструкции, пояснить их назначение. 1.3. Ознакомиться с конструкцией обмоток статора и роторов (короткозамкнутого и фазного). 1.4. Вычертить развернутую электрическую схему однослойной или двухслойной обмотки статора для заданного числа пазов, полюсов и числа параллельных ветвей. 1.5. Объяснить принцип работы синхронной машины в двигательном и генераторном режимах, в режиме синхронного компенсатора. 1.6. Описать конструкцию турбогенератора, гидрогенератора или синхронного компенсатора в соответствии с выданным заданием. Выполнить эскизы продольного и поперечного сечений одного из вышеперечисленных типов синхронных машин, обозначить основные элементы конструкции, пояснить их назначение. 1.7. Ознакомиться с конструкцией обмотки статора и обмотки возбуждения выбранной синхронной машины. 1.8. Вычертить принципиальную схему системы возбуждения фазового или токового компаундирования, описать работу схемы при изменении тока нагрузки генератора.

4 2. Машины постоянного тока. 2.1. Объяснить принцип действия машины постоянного тока при работе в двигательном и генераторном режимах. 2.2. Описать конструкцию одного из выбранных двигателей промышленных серий [5]. Выполнить эскизы продольного и поперечного сечения двигателя, на рисунки нанести обозначения основных элементов конструкции, пояснить их назначение. 2.3. Вычертить развернутую электрическую схему простой петлевой и простой волновой обмоток для заданного числа пазов, пар полюсов и числа коллекторных пластин. 3. Составить отчет по разделам 2 и 3. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ.

Все вращающиеся электрические машины, преобразующие механическую энергию в электрическую (генераторы) или электрическую энергию в механическую (двигатели), обладают некоторыми общими свойствами. Одним из таких свойств является взаимная неподвижность магнитных полей, образованных обмотками статора и ротора, в установившемся режиме работы. В машине постоянного тока поле индуктора, создаваемое системой полюсов, неподвижно в пространстве, а протекающий в обмотке якоря переменный ток, выпрямляемый с помощью коллектора, образует вращающееся относительно якоря в обратную сторону магнитное поле с частотой ω = 2Пf , где f = pn/60, p – число пар полюсов. Магнитное поле, создаваемое токами в обмотке якоря, получило название поля реакции якоря, максимум которого ориентирован под углом α к продольной оси главных полюсов машины. При установке щеток на геометрической нейтрале угол α = П/2. Поле реакции якоря, следовательно, в установившемся режиме неподвижно относительно поля индуктора и по направлению совпадает с линией щеток. В синхронных машинах вращающееся поле индуктора, создаваемое электромагнитным путем или с помощью постоянных магнитов, и поле реакции якоря, образованное многофазной системой токов, протекающих в обмотке статора, также взаимно неподвижны. Оба магнитных поля вращаются в пространстве с синхронной скоростью n1. Взаимное расположение максимумов поля реакции якоря и поля индуктора зависит от величины и характера нагрузки. В асинхронной машине многофазная обмотка статора создает в воздушном зазоре магнитное поле, вращающееся с синхронной частотой ω1. Если ротор вращается с такой же синхронной круговой частотой, то в его обмотке при установившемся режиме не наводиться никакой ЭДС, так как амплитуда результирующего магнитного поля в установившемся режиме не меняется, а скорость поля относительно ротора равна нулю. Если же ω2 меньшей или большей синхронной, то скорость поля статора относительно ротора будет ω1 – ω2 = sω1. Величина s = 1- ω2/ ω1 называется скольжением и может теоретически принимать значения от + до . Частота ЭДС, наводимая магнитным полем статора в обмотке ротора, составляет sω1. Токи частоты sω1, протекающие в обмотке ротора, создают магнитное поле, вращающееся относительно тела ротора с частотой sω1. Относительно неподвижного статора магнитное поле ротора вращается с угловой частотой равной ω1(1 – s) + ω1s = ω1, т.е. с синхронной частотой. Следовательно, поле статора и ротора асинхронной машины в пространстве взаимно неподвижны. В любой электрической машине условно различают так называемые активные части, в которых протекают электромагнитные процессы, связанные с преобразованием энергии, и конструктивные части, которые служат для крепления или взаимного перемещения активных частей, для их охлаждения и т.п.

5 К активным частям асинхронной машины относятся электрическая (обмотки) и магнитная цепь (сердечник статора и ротора); и конструктивным – корпус статора, подшипниковые щиты, подшипники, вал и основ ротора, вентиляторы и т.п. Если через корпус или вал замыкается магнитный поток, то они относятся к активным частям. Важнейшим конструктивным преимуществом асинхронной машины является простота исполнения ротора: его обмотка не соединяется с сетью или с не зависимым источником питания и в большинстве случаев может быть выполнена в виде короткозамкнутой неизолированной клетки – “беличьего колеса”. В асинхронных двигателях с фазным ротором в цепь ротора через контактные кольца включается внешнее сопротивление, величину которого можно регулировать. С помощью этого сопротивления (реостата) снижаются пусковые токи, повышается пусковой электромагнитный момент.

Рис. 1.1. Короткозамкнутый асинхронный двигатель.

Магнитная цепь асинхронной машины имеет цилиндрическую форму (рис.1.1), хотя в специальных случаях может иметь дисковую форму – торцевые асинхронные двигатели, или плоско-линейные асинхронные двигатели [1,2]. На поверхности цилиндров

6 параллельно оси сердечников или под некоторым углом к ней располагаются пазы для размещения обмотки. Для уменьшения магнитных потерь, сердечник статора делают шихтованным из тонких листов электротехнической стали, вырубленных штампами. Хотя частота переменного тока и поля в роторе при номинальном режиме составляет обычно не более (2…3)% частоты поля в статоре, сердечники роторов в большинстве случаев так же делают шихтованными. В результате такой конструкции ротора уменьшаются поверхностные потери, снижаются потери на вихревые токи в переходных процессах. В процессе сборки шихтованного сердечника, в зависимости от длины, его один или несколько раз прессуют для уплотнения и повышения коэффициента заполнения сердечника сталью. В спрессованном состоянии сердечник удерживается нажимными устройствами, представляющими собой кольцевые плиты. В машинах небольшого размера, чтобы зубцы сердечника не “распушались”, крайние листы с обеих сторон выполняются из более толстой стали. С ростом геометрических размеров этого становиться недостаточно и нажимные плиты снабжаются пальцами, сжимающими сердечник в зубцовой зоне. Сами нажимные плиты стягиваются сквозными шпильками или закрепляются кольцевыми шпонками. Шихтованный сердечник статора и ротора в большинстве асинхронных машин общепромышленного назначения охлаждаются воздухом. Как известно, потери в стали при постоянной индукции магнитного поля пропорциональны кубу линейных размеров, а поверхность охлаждения – квадрату линейных размеров [1,2]. Электрические потери в обмотках статора и ротора пропорциональны квадрату соответствующих токов. В целях улучшения охлаждения в асинхронных двигателях средней и большой мощности сердечник делится по длине на отдельные пакеты шириной 40-50 мм, между которыми выполняются каналы шириной, чаще всего, 10 мм. Для формирования каналов применяются дистанционные распорки, которые в сечении имеют прямоугольную или двутавровую форму. Такая конструкция сердечника создает радиальную систему вентиляции.

Рис. 1.2. Асинхронный двигатель с фазным ротором.

В ряде конструкций асинхронных двигателей применена аксиальная система вентиляции, поверхность охлаждения при этом увеличивается за счет осевых каналов в ярмах сердечников. Иногда сочетают оба вида вентиляции.

7 Конструктивные элементы асинхронных машин: корпуса статоров, торцевые щиты, подшипники, валы и т.п. – практически не отличаются от таких же узлов машин другого вида. Так, например, элементы корпуса статора асинхронных двигателей массового применения относительно небольших размеров (высота вращения не выше 63 мм) выполняются литыми из алюминиевых сплавов. При высоте вращения до 100 мм применяют сочетание литой алюминиевой станины с литыми же, но чугунными щитами. При больших размерах корпус статора уже целиком изготовляют из чугуна (литой) или стали (сварной). При диаметре корпуса более 1 м корпус, как правило, изготовляются путем сварки из деталей, вырезанных из прокатного материала [4]. В этом случае, каркас корпуса представляет собой систему продольных ребер и поперечных поясов жесткости, соединенных сварными швами. К наружной поверхности каркаса приваривается обшивка, играющая роль элемента, обеспечивающего жесткости корпуса. Когда асинхронная машина спроектирована с разомкнутой схемой циркуляции воздуха, то машина выполняется открытой или защищенной, т.е. воздух из ее полости беспрепятственно может попадать наружу. Если же это нежелательно, то машина делается закрытой, обдуваемой: воздух, находящийся в ее полости, не попадает наружу, а, отводя потери и нагреваясь, отдает теплоту стенкам корпуса. Для увеличения внешней охлаждающей поверхности закрытые обдуваемые машины выполняются с оребренными корпусами, на выходном конце вала для обдува корпуса размещают вентилятор. В двигателях с короткозамкнутым ротором лопатки вентилятора отливаются заодно с кольцами “беличьей клетки” Обмотки статоров асинхронных машин относительно небольшой мощности и размеров, составляющих основную массу применяемых в промышленности, в сельском хозяйстве, в бытовой технике, выполняются по типу всыпных. Катушка всыпной обмотки (их еще называют обмотками с мягкими секциями) изготовляют из круглого провода, собственная изоляция которого является витковой изоляции. Форма пазов вырубленных в листах сердечников статора, в которых размещается обмотка, зависит от типа применяемой обмотки, от напряжения и тока питающей сети. В асинхронных машинах средней и большой мощности, где ток в одной параллельной ветви обмотки статора составляет не менее 150 А, применяются обмотки с жесткими секциями. Катушка такой обмотки состоит из нескольких (не менее двух) витков, изолированных друг от друга, каждый из которых содержит один или несколько параллельно включенных проводников [5]. В процессе изготовления катушки такой обмотки предусматривается создание витковой и корпусной изоляции. Обмотки роторов асинхронных машин выполняются двух типов: многофазные или короткозамкнутые (“беличье колесо”). Первые представляют собой изолированные от корпуса обмотки, чаще всего трехфазные, концы фаз которых выведены на контактные кольца, расположенные на валу у торцов ротора. К контактным кольцам через щетки подводятся зажимы пусковых реостатов, включенных в цепь ротора во время пуска или торможения. Обмотка фазного ротора выполняется из круглых или прямоугольных проводов, технология изготовления такой обмотки такая же, как и для обмотки статора. Обмотки короткозамкнутых роторов выполняется литыми или из его сплавов. При заливке одновременно отливаются стержни, лежащие в пазах, и короткозамыкающие кольца с размещенными на них вентиляционными лопатками. Короткозамкнутые обмотки асинхронных машин средней и большой мощности выполняются сварными. Стержни ротора из меди или латуни привариваются к короткозамыкающим кольцами, имеющими отверстия, куда перед сваркой вставляются стержни обмотки. Синхронной машиной называется такая машина переменного тока, ротор которой вращается с такой же скоростью, что и магнитное поле, создаваемое статорной многофазной обмоткой переменного тока, т.е. с синхронной скоростью n1 = 60f/p.

8 Ту часть синхронной машины, в которой наводится ЭДС, принято называть якорем. Электромагниты (полюса) вместе с замыкающим их ярмом образуют полюсную систему, называемую индуктором. В синхронных машинах обычной конструкции статор служит якорем, ротор – полюсной системой. Основные преимущества конструкции с вращающимися полюсами заключается в том, что в этом случае возможно осуществить более надежную изоляцию обмотки неподвижного якоря, более просто без скользящих контактов, соединить ее с мощной сетью переменного тока. Указанные преимущества особенно существенны для синхронных машин на большие мощности и высокие напряжения. Устройство скользящих контактов для подвода постоянного тока к вращающейся обмотке возбуждения, размещенной на полюсах, не представляет затруднений, так как мощность, подводимая к этой обмотке, составляет небольшую долю номинальной мощности синхронной машины (0,3…2,0)% РНОМ. Синхронные машины используют главным образом в качестве источников электрической энергии переменного тока, их устанавливают на мощных тепловых, гидравлических и атомных электростанциях, а также на передвижных электростанциях и транспортных установках. Конструкция синхронного генератора определяется типом привода, в зависимости от этого различают турбогенераторы, гидрогенераторы и дизель-генераторы. Турбогенераторы – быстроходные неявнополюсные машины (цилиндрический ротор) выполняются, как правило, с двумя полюсами, приводятся во вращение быстроходными паровыми или газовыми турбинами (рис.1.3). Гидрогенераторы – в большинстве случаев тихоходные явнополюсные машины, выполняемые с большим числом полюсов и вертикальным валом, приводятся во вращение гидротурбинами (рис.1.4.). Дизель-генераторы, представляющие собой в основном синхронные машины с горизонтальным валом, приводятся во вращение двигателями внутреннего сгорания. В последнее время широкое применение получили гидрогенераторы капсульной конструкции (рис.1.5).

9

Рис. 1.3. Турбогенератор.

Рис. 1.4. Общий вид гидрогенератора с вертикальным расположением вала. Рис. 1.5. Генератор капсульного типа.

Синхронные машины широко используют и в качестве электродвигателей при мощности 100 кВт и выше для привода насосов, компрессоров, вентиляторов и других механизмов, работающих при постоянной частоте вращения. Для генерирования или потребления реактивной мощности с целью улучшения коэффициента мощности сети и регулирования ее напряжения применяют синхронные компенсаторы. Статор синхронного генератора промышленной частоты по своему устройству в принципе не отличается от статора асинхронной машины. Его сердечник набирают из штампованных изолированных друг от друга листов электротехнической стали, в пазах сердечника укладывают трехфазную обмотку. Вдоль оси статор разделен вентиляционными радиальными каналами. Крайние пакеты сердечника статора укреплены нажимными плитами.

10 При частоте вращения 1500 и 3000 об/мин синхронную машину, как правило, изготовляют с неявнополюсным ротором (рис.1.3). На наружной поверхности массивной бочки, изготовленного из стальной поковки, фрезеруются пазы прямоугольной или трапециидальной формы. Обмотку возбуждения, выполненную из полосовой меди, в такой машине размещают в пазах и укрепляют немагнитными металлическими клиньями. Лобовые части обмотки, на которые воздействуют значительные центробежные силы, крепят с помощью массивных кольцевых бандажей. Для получения в воздушном зазоре приблизительно синусоидального распределения магнитной индукции обмотку возбуждения укладывают в пазы, занимающие 2/3 полюсного деления. Концы обмотки возбуждения выводят к двум контактным кольцам, расположенным на валу и изолированным как друг от друга, так и от тела ротора. Явнополюсный ротор используют в машинах с четырьмя полюсами и более (рис.1.4). Обмотку возбуждения в этом случае выполняют в виде катушек прямоугольного сечения, размещенных на сердечниках полюсов. Сердечник каждого полюса выполняют массивным или в виде пакета, набранного из листов электротехнической стали. С одной стороны он имеет шихтованный полюсный наконечник, а с другой стороны прочно закреплен на ободе ротора. Полюсный наконечник обрабатывают таким образом, что воздушный зазор между ним и поверхностью статора получается неравномерным: он минимален под серединой полюса и максимален у его краев. Неравномерный воздушный зазор позволяет приблизить к синусоиде распределение магнитной индукции в воздушном зазоре. В полюсных наконечниках явнополюсных синхронных двигателей размещают стержни пусковой обмотки, выполненной из материала с повышенным удельным электрическим сопротивлением (латуни). Такую же обмотку (типа «беличья клетка»), состоящую из медных стержней замкнутых на торцах кольцами, применяют и в синхронных генераторах. Ее называют демпферной обмоткой, так как она обеспечивает быстрое затухание колебаний ротора, возникающих в переходных режимах работы синхронной машины. В турбогенераторах роль демпферной обмотки выполняет массивное тело ротора, в котором при пуске и переходных процессах возникают вихревые токи. Синхронные машины большой мощности выполняются с независимым возбуждением или самовозбуждением. Для получения постоянного тока при независимом возбуждении применяют возбудитель-генератор постоянного тока небольшой мощности, располагаемый на одном валу с синхронной машиной. В самовозбуждаемых синхронных машинах для питания обмотки возбуждения используют выпрямители. Выполнение обмотки ротора зависит от системы охлаждения. В современных турбогенераторах применяется косвенное охлаждение водородом, непосредственное внутреннее охлаждение водородом или водой. При непосредственном внутреннем охлаждении проводники имеют внутренние каналы, по которым проходит водород или вода. В этом случае тепло от меди отводится непосредственно водородом или водой из активной зоны машины. При косвенном охлаждении тепловая энергия проходит через изоляцию обмотки, а затем отдается стальным частям машины и водороду, заполняющему внутренний объем турбогенератора. Циркуляция водорода внутри машины осуществляется за счет забора водорода в зоне впуска газа и выброса его в горячей зоне. В конструкции большинства турбогенераторов применяется многоструйная радиальная система охлаждения, перемещение водорода осуществляется с помощью вентиляторов, размещенных на роторе. Гидрогенераторы – явнополюсные синхронные машины, приводятся во вращение сравнительно тихоходными гидравлическими турбинами, частота вращения которых составляет 50÷500 об./мин., поэтому для получения напряжения частотой 50 Гц их выполняют с большим числом полюсов. В генераторах мощностью 590-640 МВ·А диаметр ротора достигает 16 м, при активной длине 1,75 м.

11 Гидрогенераторы – электрические машины индивидуального исполнения, имеющие большое многообразие конструктивных решений. Наибольшее распространение получили вертикальные гидрогенераторы подвесного типа (рис.1.6), вертикальные гидрогенераторы зонтичного типа (рис.1.7) и горизонтальные гидрогенераторы капсульного типа (рис.1.5). В гидрогенераторах вертикального исполнения вес вращающей части агрегата и давления воды на рабочее колесо турбины воспринимаются упорным подшипникомподпятником. Это самый ответственный узел гидрогенератора, так как он должен выдержать значительные усилия: в тихоходных генераторах большой мощности давление на подпятник измеряется несколькими тысячами тонн. В гидрогенераторе зонтичного типа подпятник находится ниже сердечника ротора, а подвесного типа – выше. В подвесном типе (рис.1.8,а) достигается наибольшая механическая устойчивость вращающегося ротора, но для опоры подпятника требуется массивная верхняя крестовина. Поэтому, как правило, он применяется в сравнительно быстроходных гидрогенераторах, имеющих ограниченные диаметр статора и нагрузку подпятника. Крестовины в гидрогенераторах этого типа представляют собой мощную опорную конструкцию, состоящую из центральной втулки и ряда радиальных балок. При очень больших диаметрах статора и давлении в подпятнике (тихоходные генераторы) более рациональным является зонтичный тип (рис.1.8,б). Подпятник в таких машинах опирается на нижнюю крестовину, имеющую меньшие радиальные размеры, чем верхняя крестовина. В некоторых гидрогенераторах зонтичного типа подпятник располагается непосредственно на крышке турбины. Зонтичный генератор получается несколько меньшей высоты, чем подвесной. Кроме подпятника, ротор имеет еще направляющий подшипник, воспринимающий только радиальные усилия. Ротор вертикального гидрогенератора с помощью фланца скрепляют с ротором турбины, вследствие чего роторы имеют общие подшипники (рис 1.8 а,б). В верхней части гидрогенератора на одном с ним валу обычно устанавливают вспомогательные машины: возбудитель генератора с подвозбудителем и дополнительный синхронный генератор, предназначенный для питания электродвигателей автоматического масляного регулятора турбины. В гидрогенераторах большой мощности в ряде случаев применяют непосредственное охлаждение обмоток статора, ротора и сердечника статора дистиллированной водой. При тех же основных геометрических размерах мощность гидрогенератора с водяным охлаждением можно увеличить более чем в два раза по сравнению с гидрогенератором, имеющим поверхностное воздушное охлаждение. Чаще применяют систему смешанного непосредственного охлаждения [1,2].

Рис. 1.6. Гидрогенератор подвесного типа. Рис. 1.7. Гидрогенератор зонтичного типа.

12

Рис. 1.8. Схемы гидрогенераторов подвесного (а) и зонтичного (б) типов.

Гидрогенераторы мощностью меньшей нескольких десятков мВ·А, выполняют обычно с горизонтальным валом. В последнее время значительное применение получили гидрогенераторы капсульной конструкции (рис.1.5), которые окружены водонепроницаемой оболочкой – капсулой. При таком исполнении генератор и турбина образуют единую конструкцию, а поток воды, проходящий через турбину, омывает капсулу, что способствует более интенсивному ее охлаждению. Капсульные гидрогенераторы устанавливают на низконапорных гидроэлектростанциях, что позволяет существенно уменьшить объем здания электростанции. Синхронные компенсаторы, как правило, имеют горизонтальное исполнение вала. Наиболее часто встречающиеся скорости для достаточно мощных компенсаторов – 750, 1000 об/мин, при которых машина выполняется явнополюсной. Диаметр ротора ограничен максимально допустимой скоростью на поверхности ротора и не превосходит 2.5 м. При таких размерах сердечник ротора собирается из толстых стальных листов электротехнической стали, стягиваемых в осевом направлении шпильками, и непосредственно насаживается на вал. Полюса этих машин имеют такую же конструкцию, как и в гидрогенераторах. Для синхронных компенсаторов характерно наличие роторов облегченной конструкции, так как вал ротора не должен передавать значительный вращающий момент. Синхронные компенсаторы устанавливают в помещениях или под открытым небом. Во втором случае их выполняют с герметизированным корпусом, герметизация упрощается тем, что выводить наружу конец вала в этих машинах не требуется. Компенсатор имеет принципиально ту же конструкцию статора, что и турбогенератор. При мощности до 25 МВ·А синхронные компенсаторы имеют воздушное охлаждение, а при больших мощностях – водородное. На валу компенсатора расположены вентиляторы, которые обеспечивают циркуляцию охлажденного газа. Синхронные двигатели выполняют с горизонтальным расположением вала (рис.1.9). При частотах вращения от 100 до 1000 об/мин электродвигатели выполняют явнополюсными, а при 1500 и 3000 об/мин – неявнополюсными. Эти машины изготовляются с применением щитовых или стояковых подшипников (рис.1.6). Охлаждение двигателей воздушное, с самовентиляцией. В тихоходных машинах на ободе ротора у каждого полюса устанавливаются небольшие лопатки, заменяющие собой вентилятор. На полюсах двигателей и синхронных компенсаторов, кроме обмотки возбуждения, всегда располагается демпферная обмотка, с помощью которой осуществляется пуск синхронной машины. В зависимости от условий пуска стержни дефимерной обмотки могут быть медными и латунными. Синхронные машины большой мощности выполняются с независимым возбуждением или самовозбуждением. Для получения постоянного тока при независимом

13 возбуждении применяют возбудитель-генератор постоянного тока, располагаемый на одном валу с синхронной машиной.

Рис.1.9. Синхронный двигатель с горизонтальным расположением вала.

В мощных генераторах кроме возбудителя обычно применяют подвозбудитель, представляющий собой генератор постоянного тока, служащий для возбуждения основного возбудителя. Основным возбудителем в этом случае может служить синхронный генератор совместно с полупроводниковым выпрямителем. В самовозбуждаемых синхронных машинах для питания обмотки возбуждения используют полупроводниковый выпрямитель, который подключается к обмотке якоря. В современных синхронных генераторах широко применяют так называемую бесщеточную систему возбуждения [7]. При этом в качестве возбудителя используют синхронный генератор, у которого обмотка якоря расположена на роторе, а выпрямитель укреплен непосредственно на валу. Обмотка возбуждения возбудителя получает питание от подвозбудителя, снабженного регулятором напряжения. При таком способе возбуждения синхронного генератора отсутствуют скользящие контакты, что существенно повышает надежность системы возбуждения. В настоящее время в синхронных генераторах широко применяют компаундирование, т.е. автоматическое изменение тока возбуждения при изменении нагрузки генератора. В генераторах малой и средней мощности используют систему фазного компаундирования [7,8]. В генераторах значительной мощности более точное регулирование обеспечивается системой с токовым компаундированием и корректором напряжения. Машины постоянного тока применяться в качестве электродвигателей и генераторов. Электродвигатели постоянного тока имеют хорошие регулировочные свойства, значительную перегрузочную способность и позволяют получить как жесткие, так и мягкие механические характеристики. Поэтому их широко используют для привода различных механизмов в черной металлургии (прокатные станы, кантователи, роликовые транспортеры), на транспорте (электровозы, тепловозы, электропоезда, электромобили), металлообрабатывающей, текстильной, полиграфической промышленностях. Конструкция двигателей постоянного тока сложнее и их стоимость выше, чем асинхронных двигателей. Однако в связи с широким применением автоматизированного электропривода и тиристорных преобразователей, позволяющих питать двигатели постоянного тока регулируемым напряжением от сети переменного тока- эти электродвигатели широко используют в различных отраслях народного хозяйства. Генераторы постоянного тока широко используются для питания электродвигателей постоянного тока в стационарных и передвижных установках, а так же как источники электрической энергии для заряда аккумуляторных батарей, питания электролизных и гальванических ванн. Главным недостатком машин постоянного тока, ограничивающими области их применения является наличие скользящих контактов – коллектора и щеток, снижающих надежность работы, что требует постоянного и тщательного ухода в эксплуатации. Машина постоянного тока, как и всякая электрическая машина, состоит из неподвижной (статор) и вращающихся (ротор) частей, разделенных воздушным зазором (рис.1.10). Вращающуюся часть машины постоянного тока принято называть не ротором, а якорем, так как это та часть, в которой индуктируется ЭДС. Поэтому конструкция машины постоянного тока сходна с конструкцией обращенной синхронной машины. Статор машины малой мощности состоит из станины, обычно выполняемой из цельнотянутой стальной трубы. Станина служит основанием для крепления главных

14 полюсов с катушками обмотки возбуждения и добавочных полюсов с соответствующими катушками. Станина является одним из участков магнитной цепи, по которой замыкается основной магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения. Главные плюсы, служащие для создания основного магнитного поля, состоят из сердечников и катушек возбуждения (рис.1.11). Со стороны, обращенной к якорю, сердечники имеют полюсные наконечники, которые обеспечивают нужное распределение магнитной индукции в воздушном зазоре. Катушки всех главных полюсов соединяются, образуя электрическую цепь обмотки возбуждения, так, чтобы при протекании тока полярность чередовалось. Между главными полюсами устанавливаются добавочные, которые служат для улучшения коммутации. Главные полюсы выполняют шихтованными (из стальных штампованных листов), а добавочные – массивными или также шихтованными. Полюсные наконечники главных полюсов определенно должны быть шихтованными, так как при вращении зубчатого якоря из-за пульсаций магнитного потока в воздушном зазоре в них возникают вихревые токи и потери мощности. Сердечник якоря собирают из изолированных листов электротехнической стали толщиной 0.35 или 0.5 мм, покрытых перед сборкой лаком для снижения вихревых токов, возникающих при перемагничивании якоря во время его вращения в магнитном поле, создаваемой обмоткой возбуждения.

15

Рис. 1.10. Общий вид машин постоянного тока.

В изолированные пазы сердечника якоря укладывают обмотку, которую закрепляют в пазах с помощью гетинаксовых или деревянных клиньев. Лобовые части обмотки укрепляются на якоре с помощью специальных бандажей. Обмотку якоря выполняют двухслойной, т.е. в каждом пазу одну над другой укладывают две стороны различных якорных катушек. Каждая якорная катушка включает в себя несколько секций, концы которых припаивают к соответствующим клинообразным коллекторным пластинам, изготовленным из холоднокатаной меди. Секции обмотки якоря впаивают в прорезы, имеющихся в выступающей части коллекторных пластин. Между соседними коллекторными пластинами располагают изоляционные прокладки из слюды или миканита. После сборки коллектора пластины зажимают между корпусом и нажимным фланцем и изолируют манжетами из миканита.

Рис. 1.11. Двигатель серии 2П

Внешняя цепь машины имеет цилиндрический контакт с коллектором посредством графитных, электрографитированных или металлографитных щеток, которые размещаются в обоймах щеткодержателей и прижимаются к поверхности коллектора пружинами (рис.1.11). Щеткодержатели укрепляют на щеточных пальцах и изолируют от них. Щеточные пальцы, в свою очередь, крепятся либо к подшипниковому щиту, либо к траверсе, которая позволяет при необходимости поворачивать всю систему щеток относительно полюсов машины. При вращении якоря щетки сохраняют неизменное положение относительно полюсов машины.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

16 1. МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 1.1. Принцип действия асинхронной машины объяснить при работе ее в двигательном и генераторном режимах. Указать, какие физические законы объясняют электромеханическое преобразование энергии. Описать математическую модель асинхронной машины. 1.2. Знакомство с конструкцией асинхронных двигателей общепромышленных серий начинается с выяснения основных ее частей и выполнения эскизов ее продольного и поперечного сечений, поясняющих устройство асинхронной машины. Далее следует подробно ознакомиться с каждой основной частью двигателя: отдельными конструктивными узлами, их назначением и материалом, из которого изготовлены отдельные детали. Определить степень защиты двигателя от воздействия окружающей среды. Записать паспортные данные изучаемого двигателя, расшифровать обозначение типа двигателя [1,5]. При знакомстве со статором выяснить форму станины, материал и место для посадки сердечника статора. По возможности, установить толщину листов сердечника, способы крепления листов пакета, сердечника в станине, форму пазов и их количество. При знакомстве с ротором необходимо выяснить конструктивную его разновидность: короткозамкнутый или фазный (с контактными кольцами). Установить толщину листов электротехнической стали, из которой изготовлен сердечник ротора, способы крепления листов в пакете и пакета сердечника на валу ротора. Если возможно, установить форму пазов. Ознакомиться с подшипниковыми щитами и их материалом, способом соединения подшипниковых щитов со станиной, конструкцией подшипниковых узлов. Познакомиться с конструкцией токосъемного устройства для фазного ротора. Познакомиться с элементами конструкции вентиляции при различных способах охлаждения и определить направление воздуха, охлаждающего машину. Познакомиться с вводным устройством, клеммным щитком и маркировкой выводных концов обмоток. 1.3. При знакомстве с обмотками статора и фазного ротора необходимо установить тип обмотки переменного тока, ее шаг по пазам и число пазов на полюс и фазу. Установить способ крепления обмотки в пазах в лобовой части, электрическую изоляцию между проводниками и между фазами в лобовой и пазовых частях, и изоляцию от корпуса. Установить, где находятся соединения катушечных групп и обмотки с клеммным щитком для обмотки статора и контактными кольцами обмотки ротора. Знакомясь с обмоткой короткозамкнутого ротора, установить материал обмотки, число пазов и форму паза, если это возможно. В заключении познакомиться с условными обозначениями асинхронных машин в электрических схемах. 1.4. Для заданного числа пазов и полюсов рассчитать шаги обмоток, число пазов на полюс и фазу, и вычертить развернутые схемы однослойной или двухслойной обмоток. На схемах указать фазные зоны, а также показать схему соединения катушечных групп в параллельные ветви. Уточнить число полюсов выполненной схемы обмотки. 1.5. Принцип действия синхронной машины объяснить на примере генератора. Указать, какие физические законы объясняют электромеханическое преобразование энергии. Описать математическую модель синхронной машины. 1.6. Знакомство с заданной конструкцией конкретной синхронной машины начинается с выяснения основных ее частей, выполнения эскизов конструкции, поясняющих устройство синхронной машины. Необходимо подробнее ознакомиться с каждой основной частью: отдельными конструктивными узлами, их назначением и материалом, из которого изготовлены отдельные детали. Записать паспортные данные синхронной машины, конструкция которой изучается.

17 При знакомстве с якорем (статором) установить форму станины, материал, место для посадки сердечника якоря. Определить толщину листов электротехнической стали, из которой собран сердечник, способы крепления пакета листов, сердечника в станине, форму пазов. При знакомстве с индуктором (ротором) определить толщину листов электротехнической стали, из которой изготовлены полюса, ознакомиться с конструкцией полюса и креплением его к ярму индуктора. Выяснить, как устроена демпферная (пусковая) обмотка. Ознакомиться с подшипниковыми щитами и их материалом, способом соединения подшипниковых щитов со станиной, конструкцией подшипниковых узлов. Познакомиться с конструкцией токосъемного устройства, соединяющего обмотку возбуждения с источником постоянного тока. Познакомиться с элементами конструкции вентиляции машины и определить направления воздуха, охлаждающего синхронную машину. Познакомиться с вводным устройством, клеммным щитком и маркировкой выводных конусов обмоток. 1.7. При знакомстве с обмоткой якоря необходимо установить тип обмотки переменного тока, ее шаг по пазам и число пазов на полюс и фазу. Установить способ крепления обмотки в пазах и лобовой части, электрическую изоляцию между проводниками, фазами в лобовой и пазовой частях, и изоляцию от корпуса. Установить, где находятся соединения катушечных групп и обмотки с клеммным щитком. Знакомясь с обмоткой возбуждения, необходимо определить форму катушек, их крепление на полюсе, изоляцию между проводниками и от корпуса. Выяснить, как соединены между собой катушки обмотки возбуждения, и ее соединение с контактными кольцами. 1.8. Знакомясь с источником питания обмотки возбуждения, необходимо установить его тип – машинный возбудитель или статическое полупроводниковое устройство. Если это машинный возбудитель, то необходимо установить его тип: генератор постоянного тока или синхронный генератор с выпрямителями или другой тип возбудителя. Далее кратко ознакомиться с основными частями возбудительного устройства (источник питания обмотки возбуждения). Установить, как конструктивно связано возбудительное устройство с синхронной машиной. Ознакомиться со схемой системы возбуждения. В заключении необходимо познакомиться с условными обозначениями синхронной машины в электрических цепях. 2. МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

2.1. Принцип действия машины постоянного тока объяснить на примерах ее работы в генераторном и двигательном режимах. Указать, какие физические законы объясняют электромеханические преобразования энергии, записать уравнения равновесия напряжения для якорной цепи и уравнения моментов. 2.2. Знакомство с одним из двигателей постоянного тока основных серий [5] начать с выяснения основных ее частей и выполнения эскизов ее продольного и поперечного сечений. На рисунках следует обозначить основные конструктивные узлы и элементы машины постоянного тока, в тексте отчета указать их назначение и материал, из которого изготовлены отдельные детали. Записать паспортные данные машин, характеризующие номинальный режим работы, расшифровать тип изучаемого двигателя, указать область применения двигателей этой серии. При знакомстве с якорем определить толщину листов электротехнической стали, из которых собран сердечник, способ крепления листов на валу якоря, форму пазов. Описать конструкцию коллектора и токосъемного устройства, соединяющего обмотку якоря с внешней цепью. Установить тип обмотки якоря, пояснить принцип выполнения петлевой и волновой обмотки, указать способ соединения обмотки якоря с коллектором, пояснить

18 назначение уравнительных соединений, определить количество щеток, необходимых для обеспечения нормальной коммутации в номинальном режиме работы. 2.3. Ознакомиться с подшипниковыми щитами и их материалом, способом соединения подшипниковых щитов со станиной, конструкцией подшипниковых узлов. При знакомстве с полюсной системой, определить конструкцию главных и дополнительных полюсов, описать конструкцию обмоток, размещенных на этих полюсах, указать их назначение и способ включения в электрические цепи машины постоянного тока. Познакомиться с элементами системы вентиляции и определить направление потоков воздуха, охлаждающих машину постоянного тока. В заключении необходимо познакомиться с условными обозначениями машины в электрических цепях. 3. ОТЧЕТ ПО РАБОТЕ Отчет должен содержать титульный лист, название работы с указанием имени автора. На следующей странице указывается цель работы, излагаемая программа и описывается выполнение работы. Эскизы машины, схемы ее обмоток и другие рисунки выполняются на отдельных листах и включаются в текст отчета. При сдаче отчета необходимо быть готовым к ответу не только по материалам отчета, но и по всем вопросам содержания работы, изложенным в теоретической части. Особое внимание следует обратить на объяснение принципов работы вращающихся электрических машин в двигательном и генераторном режимах.

ЛИТЕРАТУРА 1. Копылов И.П. Электрические машины – М.: Высш.шк., Логос, 2000. 607 с. 2. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. – М.: Энергия, 1980. 970 с. 3. Токарев Б.Ф. Электрические машины. – М.: Энергоатомиздат, 1990. 670 с. 4. Антонов М.В. Технология производства электрических машин. – М.: Энергоиздат, 1993. 590 с. 5. Справочник по электрическим машинам. В 2-х томах / Под общ. Ред. И.П. Копылова и Б.К. Клокова. – М.: Энергоатомиздат, 1989. 950 с. 6. Жерве

Г.К.

Промышленные

испытания

электрических

машин.

–

Л.:

Энергоатомиздат, 1984. 408 с. 7. Брускин Д.Е., Зорохович А.Е., хвостов В.С. Электрические машины (ч.II) – М.: Высш. шк. 1987. 335 с. 8. Осин И.Л., Шакарян Ю.Г. Электрические машины. Синхронные машины. – М.: Высш.шк. – 1990. 390 с.