§ 114. Устройство синхронных генераторов

Статор. Статор синхронного генератора, как и других машин переменного тока, состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали, в пазах которого укладывается обмотка переменного тока, и станины - чугунного или сварного из листовой стали кожуха.

В выштампованные на внутренней поверхности сердечника пазы укладывается обмотка статора. Статорная обмотка синхронного генератора состоит из трех фазных обмоток и ее выполняют по тому же принципу, что и ста-торную обмотку асинхронного двигателя. Обмотка статора выполняется из секций, изготовленных обычно из медных проводников круглого или прямоугольного сечения.

Изоляция обмотки выполняется особо тщательно, так как машина работает обычно при высоких напряжениях. В качестве изоляции применяют миканит и миканитовую ленту.

На рис. 268 дан внешний вид статора синхронного генератора.

Рис. 268. Внешний вид статора синхронного генератора

Ротор. Роторы синхронных машин по конструкции делятся на два типа: явнополюсные (т. е. с явно выраженными полюсами) и неявнополюсные (т. е. с неявно выраженными полюсами).

На рис. 269 показаны схемы устройства синхронных генераторов с явнополюсным и неявнополюсным роторами.

Рис. 269. Схема устройства синхронных генераторов с явнополюсным (а) и неявнополюсным (б) роторами

Та или иная конструкция ротора диктуется соображениями механической прочности. У современных генераторов, вращающихся от быстроходных двигателей (паровая турбина), окружная скорость ротора может достигать 100-160 м/сек. Поэтому быстроходные генераторы имеют неявнополюсный ротор. Скорость вращения быстроходных генераторов составляет 3000 об/мин и 1500 об/мин.

Явнополюсный ротор представляет собой стальную поковку. К ободу ротора прикрепляются полюсы, на которые надеваются катушки возбуждения, соединяемые последовательно между собой. Концы обмотки возбуждения присоединяются к двум кольцам, укрепленным на валу ротора. На кольца накладываются щетки, к которым присоединяется источник постоянного напряжения. На рис. 270 показан внешний вид явнополюсного ротора. Обычно постоянный ток для возбуждения ротора дает генератор постоянного тока, сидящий на одном валу с ротором и называемый возбудителем. Мощность возбудителя равна 0,25-1% от номинальной мощности синхронного генератора. Номинальные напряжения возбудителей 60-350 в.

Рис. 270. Внешний вид явнополюсного ротора

На рис. 271 показана схема возбуждения синхронной машины.

Рис. 271. Схема возбуждения синхронной машины: 1 - контактные кольца, 2 - ротор, 3 - статор, 4 - шунтовый регулятор

Имеются также синхронные генераторы с самовозбуждением. Постоянный ток для возбуждения ротора получается с помощью полупроводниковых выпрямителей, подключаемых к обмотке статора генератора. В первый момент слабое поле остаточного магнетизма вращающегося ротора индуктирует в обмотке статора незначительную переменную э.д.с. Селеновые выпрямители, подключенные к переменному напряжению, дают постоянный ток, который усиливает поле ротора, и напряжение генератора увеличивается. Неявнополюсный ротор изготовляется из целой стальной поковки, подвергаемой сложной термической и механической обработке. Для примера приведем данные ротора турбогенератора, изготовленного заводом "Электросила", мощностью 100 тыс. квт при n = n_н = 3000 об/мин. Диаметр ротора D = 0,99 м, длина l = 6,35 м. Окружная скорость ротора 155 м/сек. Поковка ротора в обработанном виде весит 46,5 m.

В осевом направлении по окружности неявнополюсного ротора фрезеруют пазы, куда укладывается обмотка возбуждения. Обмотка в пазах закрепляется при помощи металлических (стальных или бронзовых) клиньев. Лобовые части обмотки закрепляются бандажными металлическими кольцами.

На рис. 272 показан общий вид неявнополюсного ротора турбогенератора в готовом виде.

Рис. 272. Общий вид неявнополюсного ротора в сборе: 1 - обмотка возбуждения; 2 - контактные кольца, 3 - полюс, 4 - клин, 5 - проводники обмотки возбуждения, 6 - вентиляционные каналы, 7 - изоляция

При конструировании электрических машин и трансформаторов большое внимание конструкторы обращают на вентиляцию машин. Для синхронных генераторов применяется воздушное и водородное охлаждение.

Воздушное охлаждение осуществляется при помощи вентиляторов, укрепленных на валу с обеих сторон ротора (для генераторов мощностью от 1,5 до 50 тыс. квт) или расположенных под машиной в отверстии фундамента (для более мощных генераторов).

Массы холодного воздуха, поступающие для вентиляции, во избежание загрязнения машины пылью проходят через фильтры. При замкнутой системе вентиляции машина охлаждается одним и тем же объемом воздуха. Воздух, пройдя через машину, нагревается и поступает в воздухоохладители, затем снова нагнетается в машину и т. д. Для целей охлаждения служит также система вентиляционных каналов, устроенных в отдельных частях машины.

Наиболее эффективным способом охлаждения машины является водородное охлаждение. Водород, обладающий в 7,4 раза большей теплопроводностью, чем воздух, лучше отводит тепло от нагретых частей машины. Потери на трение о воздух при воздушном охлаждении составляют около 50% от суммы всех потерь в машине. Водород имеет удельный вес в 14,5 раза меньше, чем воздух. Поэтому трение о водород резко уменьшается. Водород способствует также сохранению изоляции и лаковых покрытий машины.

Внешний вид явнополюсного синхронного генератора с возбудителем показан на рис. 273, а неявнополюсного синхронного генератора мощностью 50 тыс. квт - на рис. 274.

Рис. 273. Общий вид синхронного генератора с возбудителем

Рис. 274. Внешний вид синхронного генератора мощностью 50 тыс. квт

Гидрогенераторы приводятся во вращение гидравлическими турбинами. Эти турбины чаще всего имеют вертикальный вал с низким числом оборотов. Тихоходный синхронный генератор имеет большое число полюсов и в связи с этим большие размеры.

Так, например, гидрогенератор типа СВ ¹²⁰⁰/₁₇₀ 96 мощностью 50 тыс. квт, изготовленный заводом "Электросила" им. С. М. Кирова, имеет общий вес 1142 m, диаметр статора 14-м, общую высоту 8,9 м, число полюсов 96.

На рис. 275 показана наглядная схема синхронного генератора с возбудителем, питающим силовую и осветительную нагрузку. На рис. 276 дана электрическая схема соединений синхронного генератора с нагрузкой.

Рис. 275. Схема синхронного генератора с возбудителем

Рис. 276. Электрическая схема соединений синхронного генератора с нагрузкой

Обмотки статоров синхронных генераторов, как уже указывалось, выполняются так же, как обмотки статоров асинхронных двигателей. Все шесть концов трехфазной обмотки генератора обычно выводятся на его щиток. Соединяя три конца обмоток в одну общую нулевую точку и выводя три начала обмоток во внешнюю сеть, мы получим соединение обмоток звездой. Соединяя конец первой обмотки с началом второй, конец второй с началом третьей, конец третьей с началом первой обмотки и сделав от точек соединений три отвода во внешнюю сеть, получим соединение обмоток треугольником.

Статорные обмотки трехфазных генераторов в большинстве случаев соединяют в звезду.

Качество электрической энергии, вырабатываемой генераторами переменного тока, оценивается:

частотой э.д.с., которая должна быть строго равна заданному значению f₁;

величиной напряжения на зажимах, которое должно быть равно заданной величине U_н;

форма кривой э.д.с. должна быть возможно ближе к синусоиде.

Заданное значение частоты э.д.с. обеспечивается постоянством скорости вращения первичного двигателя. Необходимая величина напряжения U_н достигается регулировкой тока возбуждения. Синусоидальная форма кривой э.д.с. достигается в явнополюсных машинах увеличением воздушного зазора под краями полюсных наконечников и другими мерами. В неявнополюсных машинах синусоидальный характер э.д.с., индуктированной в обмотке статора, обеспечивается соответствующим распределением витков обмотки возбуждения в пазах ротора.