Чем обеспечивается неравномерный воздушный зазор в синхронной машине

Типы синхронных машин и их устройство

Синхронная машина состоит из неподвижной части — ста­тора — и вращающейся части — ротора. Статоры синхронных машин в принципе не отличаются от статоров асинхронных дви­гателей (см. гл. 7), т. е. состоят из корпуса, сердечника и обмот­ки (см. рис. 7.1).

Конструктивное исполнение статора синхронной машины может быть различным в зависимости от назначения и габаритов машины. Так, в многополюсных машинах большой мощности при наружном диаметре сердечника статора более 900 мм плас­тины сердечника делают из отдельных сегментов, которые при сборке образуют цилиндр сердечника статора. Корпуса статоров крупногабаритных машин делают разъемными, что необходимо для удобства транспортировки и монтажа этих машин.

Роторы синхронных машин могут иметь две принципиально различающиеся конструкции: явнополюсную и неявнополюсную.В энергетических установках по производству электроэнергии переменного тока в качестве первичных (приводных) двигателей синхронных генераторов применяют в основном три вида двига­телей: паровые турбины, гидравлические турбины либо двигатели внутреннего сгорания (дизели). Применение любого из перечис­ленных двигателей принципиально влияет на конструкцию син­хронного генератора.

Если приводным двигателем является гидравлическая турби­на, то синхронный генератор называют гидрогенератором. Гидравлическая турбина обычно развивает небольшую частоту вращения (60—500 об/мин), поэтому для получения переменного тока промышленной частоты (50 Гц) в гидрогенераторе приме­няют ротор с большим числом полюсов. Роторы гидрогенераторов

Рис. 19.3. Конструкция роторов синхронных машин: а — ротор с явно выраженными полюсами; б—ротор с неявно выраженными полюсами

Рис. 19.4. Гидрогенератор Братской ГЭС (225 МВт, 15,8 кВ, 125 об/мин):

1 — корпус статора; 2 — сердечник статора; 3— полюс ротора; 4 — o6oi ротора; 5 — грузонесущая крестовина

имеют явнополюсную конструкцию, т. е. с явно выраженными полюсами, при которой каждый полюс выполняют в виде отдель­ного узла, состоящего из сердечника /, полюсного наконечника 2 и полюсной катушки 3 (рис. 19.3, а). Все полюсы ротора закреп­лены на ободе 4, являющемся также и ярмом магнитной системы машины, в котором замыкаются потоки полюсов. Гидрогенераторы обычно изготовляются с вертикальным расположением вала (рис. 19.4).

Паровая турбина работает при большой частоте вращения, поэтому приводимый ею во вращение генератор, называемый турбогенератором, является быстроходной синхронной ма­шиной. Роторы этих генераторов выполняют либо двухполюсны­ми (n1= 3000 об/мин), либо четырехполюсными (n1 =1500об/мин).

Рис. 19.5. Турбогенератор: / — возбудитель; 2 — корпус; 3 — сердечник статора; 4 — секции водородного охлажде­ния; 5 — ротор.

В процессе работы турбогенератора на его ротор действуют значительные центробежные силы. Поэтому по условиям меха­нической прочности в турбогенераторах применяют неявнлюсный ротор, имеющий вид удлиненного стального цилиндра с профрезерованными на поверхности продольными пазами для обмотки возбуждения (см. рис. 19.3, б). Сердечник неявнополюсного ротора изготовляют в виде цельной стальной поковки вмес­те с хвостовиками (концами вала) или же делают сборным. Обмотка возбуждения неявнополюсного ротора занимает лишь 2/з его поверхности (по периметру). Оставшаяся ‘/3 поверхно­сти образует полюсы. Для защиты лобовых частей обмотки ро­тора от разрушения действием центробежных сил ротор с двух сторон прикрывают стальными бандажными кольцами (каппа­ми), изготовляемыми обычно из немагнитной стали.

Турбогенераторы (рис. 19.5) и дизель-генераторы изготовля­ют с горизонтальным расположением вала. Дизель-генераторы рассчитывают на частоту вращения 600—1500 об/мин и выпол­няют с явнополюсным ротором (рис. 19.6).

Большую группу синхронных машин составляют синхронные двигатели, которые обычно изготовляются мощностью до не­скольких тысяч киловатт и предназначены для привода мощных вентиляторов, мельниц, насосов и других устройств, не требую­щих регулирования частоты вращения. Рассмотрим устройство синхронного двигателя серии СДН2 (рис. 19.7). Двигатели этой серии изготовляются мощностью от 315 до 4000 кВт при частотах вращения от 300 до 1000 об/мин и предназначены для включе­ния в сеть частотой 50 Гц при напряжении 6 кВ.

Рис. 19.6. Синхронный генератор (дизель-генератор): 1 — контактные кольца; 2 — щеткодержатели; 3 — полюсная катушка ротора; 4 — по­люсный наконечник;-5 — сердечник статора; 6 — вентилятор; 7 — вал

Сердечник статора 4, запрессованный в стальной корпус, состоит из пакетов-сегментов, собранных из штампованных лис­тов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Для лучшего охлаждения двигателя пакеты разделены радиальными вентиля­ционными каналами шириной по 10 мм. Обмотка статора

Рис. 19.7: Устройство синхронного двигателя серии СДН2двухслойная с укороченным шагом (см. гл. 7). Сердечники по­люсов 11 ротора крепятся к остову 3 шпильками 5. Обмотка ротора состоит зполюсных катушек. Контактные кольца 8 кре­пятся на конце вала. На роторе имеются лопатки 6 центробеж­ного вентилятора. Стояковые подшипники скольжения 2 и 7 уста­новлены на подшипниковых полущитах 1 и 9. Двигатель с тор­цовых сторон прикрыт стальными щитами 13. В обшивке 10

Рис. 19.8. Полюс синхронного двигателя

корпуса имеются вентиляционные окна, прикрытые жалюзи. На бо­ковой поверхности корпуса расположена коробка выводов 14. Возбуждение двигателей осуществляется от тиристорных преоб­разователей с автоматическим регулированием тока возбуждения при пуске и остановке двигателей.

На рис. 19.8 показано более подробно устройство элемента синхронного двигателя, характерное для большинства конструк­ций. На вал 1 посажен шихтованный обод 2, на котором посред­ством Т-образного хвостовика крепится сердечник полюса 3, вы­полненный заодно с полюсным наконечником. Сердечники полю­сов изготовлены из штампованных листов конструкционной стали толщиной 1,0 или 1,5 мм. Хвостовик полюса, запирается в про­дольном пазе обода посредством клиньев 9. Возможно также крепление полюсов к ободу посредством «ласточкина хвоста» (см. рис. 19.3) или шпилек (см. рис. 19.7). Стальные щеки 4, стягиваемые шпильками, предотвращают распушение пакета по­люса ротора. Щеки имеют заплечики, удерживающие полюсную катушку ротора 5.В пазах полюсных наконечников расположены латунные или медные стержни 6 пусковой (успокоительной) обмотки, замкну­тые с двух сторон сегментами 7.Между наружной поверхностью полюсного наконечника и внутренней поверхностью сердечника статора 8 имеется воздуш­ный зазор. По оси полюса этот зазор 6 минимален, а на краях — максимален 6тах- Такая конфигурация полюсного наконечника не­обходима для синусоидального распределения магнитной индук­ции в воздушном зазоре. Она достигается тем, что поверхность полюсного наконечника имеет радиус R

Источник

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Неравномерность воздушного зазора возникает из-за неточности сборки и обработки деталей, а также вследствие прогиба вала под действием веса вала в деталей на нем и реакции передачи. [1]

Неравномерность воздушного зазора вызывает неравномерность величины магнитной индукции в воздушном зазоре. Величина магнитной индукции В наибольшая в середине полюсных наконечников и убывает в обе стороны от середины. [2]

Неравномерность воздушного зазора в двухполюсных машинах может появиться только в результате эксцентричного расположения ротора относительно статора. В многополюсных генераторах она, кроме того, может возникнуть при разном расстоянии от оси ротора до поверхности полюсов. В зависимости от причины неравномерность воздушного зазора по-разному влияет на вибрацию машины. [4]

Неравномерность воздушного зазора приводит к магнитной несимметрии машины, в результате чего в рабочем режиме может возникнуть чрезмерная вибрация, которая особенно опасна для быстроходных машин. [6]

Неравномерность воздушного зазора вызывает неравномерность величины магнитной индукции в воздушном зазоре. Величина магнитной индукции В наибольшая в середине полюсных наконечников и убывает в обе стороны от середины. [7]

Ввиду неравномерности воздушного зазора ротор стремится занять такое положение относительно вращающегося поля статора, при котором магнитное сопротивление на пути потока, проходящего через воздушный зазор, было бы все время минимальным. В связи с этим ротор начинает вращаться синхронно с магнитным полем статора. [9]

Ввиду неравномерности воздушного зазора ротор стремится занять такое положение относительно вращающегося поля статора, при котором магнитное сопротивление на пути потока, проходящего через воздушный зазор, было бы все время минимальным. [11]

Из-за неравномерности воздушного зазора генератора в обмотке ротора циркулирует переменный ток, который может проходить по обмоткам реле KL1 и K. Возникающая при этом вибрация контактов снижает надежность работы реле и может привести к отказу защиты. [14]

Источник

Воздушные зазоры у электрических машин

Замеры воздушных зазоров у электрических машин постоянного тока и у синхронных машин с явно выраженными полюсами производятся под каждым полюсом против середины башмака; у асинхронных машин и у синхронных машин с неявно выраженными полюсами при небольших диаметрах ротора (до 500—600 мм) — в четырех диаметрально противоположных точках, при больших диаметрах ротора — в восьми точках.

При измерении воздушных зазоров проверяют биение ротора и эллипсность статора. Воздушные зазоры проверяют щупом с обеих сторон под одной из размеченных точек ротора при постоянном его повороте в размеченных точках статора (метод обхода одной точкой ротора). Установив оптимальное положение статора, замеряют воздушные зазоры под одной точкой статора всех размеченных точек ротора (определяют биение ротора). Результирующие воздушные зазоры должны быть в пределах, определяемых в таблице.

Тип электрической машины

Допуски значений воздушных зазоров

Машины постоянного тока

Воздушные зазоры, замеренные под серединами главных полюсов:
при зазорах 3 мм и ниже и петлевой обмотке якоря могут отличаться от среднеарифметического всех зазоров не более чем на 10%;

при зазорах выше 3 мм — не более чем на 5%;

при волновой обмотке эти допуски могут быть увеличены в 2 раза.

Воздушные зазоры, замеренные под серединами добавочных полюсов, могут отличаться
от среднеарифметического всех зазоров не более чем на 5% во всех случаях

Неравномерность зазора между статором и
ротором не более 10%

Зазоры, замеренные против середины полюсов, могут отличаться от среднеарифметического всех зазоров не более чем на 10% для тихоходных машин и на 5% для быстроходных

Регулировка зазоров производится путем подбора соответствующих металлических прокладок под лапы станин статора и разворота его в поперечном направлении относительно продольной оси.
В последнее время нашли применение электрические машины, у которых магнитное поле ротора создается обмотками возбуждения, находящимися на статоре (например, генераторы повышенной частоты). Воздушный зазор у таких машин очень мал (0,9—1,5 мм) при очень больших магнитных силах притяжения, возникающих при нарушении равномерности воздушных зазоров по окружности статора.
Устройство для измерения и контроля зазора таких машин состоит из специальных измерительных катушек, заложенных в пазы статора в диаметрально противоположных точках, и измерительного прибора. При работе генератора в катушках наводятся э. д. с, значения которых пропорциональны воздушному зазору в измеряемой точке. Сравнивая э. д. с, можно с достаточной точностью судить о равномерности воздушных зазоров. При пуске генератора, до того как нагрузить его, необходимо проверить равномерность воздушного зазора при токе возбуждения, равном 0,5 номинального.

Величина эксцентриситета ротора, задается предприятием-изготовителем для еще не работавших машин в период начального пуска, и предельное его значение во время эксплуатации, где U1 и U2 — э. д. с. в диаметрально противоположных точках. В период монтажа, до пуска машин, эксцентриситет ротора измеряется подачей возбуждения и замером наводимой э. д. с. в измерительных катушках в переходном режиме (во время включения или отключения возбуждения) милливеберметром Ml 119 или измерением магнитного поля в воздушном зазоре при помощи тесламетра Ф3354/1. Эксцентриситет подсчитывается по той же формуле и должен быть в пределах, указанных предприятием-изготовителем.
При регулировке воздушных зазоров одновременно нужно проверить положение активной стали ротора относительно активной стали статора, как показано на рис. 1.

Источник

Чем обеспечивается неравномерный воздушный зазор в синхронной машине

Электричество №3, 1980
УДК 621.313.333.001.4

КОСВЕННЫЙ КОНТРОЛЬ НЕРАВНОМЕРНОСТИ ВОЗДУШНОГО ЗАЗОРА АСИНХРОННЫХ МАШИН

Г. Г. РОГОЗИН, канд. техн. наук, Н. С. ЛАПШИНА, инж.
Донецкий государственный технический университет
mailto:rgg@elf.donntu.org

Повышение надежности асинхронных машин является одной ил актуальных задач промышленной энергетики. Большое значение при этом имеют вопросы обеспечения допусти­мой степени неравномерности воздушного зазора. Эксцентриситет определяется как мера нарушения симметрии воздушного зазора по результатам непосредственных его замеров в торцевых частях расточки статора по известной формуле

где – соответственно средняя и максимальная величины воздушного зазора.

Из-за относительной малости воздушного зазора этот показатель оказывается весьма чувствительным к деформации замков станины, подшипниковых щитов и выработке подшипников машины в процессе эксплуатации. При наличии несимметрии воздушного зазора, как известно, снижается пусковой момент, растут одностороннее магнитное притяжение и вибрация ротора, снижается из-за увеличения потерь в стали к. п. д. асинхронной машины. Указанные явления обусловливаются неравномерностью распределения приложенного напряжения между катушками фаз и нарушением симметрии фазных токов статора, что приводит к росту высших гармоник в магнитном потоке воздушного зазоре и увеличению индуктивностей машины.

В настоящей работе излагаются вопросы методики контроля несимметрии воздушного зазора, основанного на интегрировании переходной функции в опыте затухания постоянного тока в обмотке статора с помощью операционных усилителей. Рассматриваются случаи параллельного и произвольного относительного расположения осей ротора и расточки статора.

Применение интегрирующих устройств для измерения синхронных индуктивных сопротивлений существенно снижает трудоемкость и увеличивает достоверность косвенного контроля неравномерности воздушного зазора асинхронных двигателей. Сущность рассматриваемых измерений основана на следующем.

При замыкании накоротко обмотки статора асинхронной машины потокосцепление фазной обмотки статора за время спадания тока от исходного значения i0 до нуля изменится на величину:

Магнитный поток, обусловленный протеканием постоянного тока i 0 в обмотках машины, неподвижен относительно контуров ротора и, следовательно, определяет индуктивность, соответствующую синхронному индуктивному сопротивлению, npи скольжении ротора, равном нулю. Таким образом, интегрируя уравнение равновесия э. д. с при замыкании накоротко обмотки статора:
(2)
в пределах от 0 до ∞ (3)
где r – сопротивление контура затухания на фазу, Ом.

Интегральная функция в (4) измеряется вольтметром, подключенным к выходу операционного усилителя. На вход последнего, работающего в режиме интегратора, напряжение подается с шунта, включенного в контур затухания постоянного тока в обмотке статора. Схема измерений синхронного индуктивного сопротивления, требования к аппаратуре и интегрирующему устройству рассматривались в [Л. 4]. Следует отметить, что при измерении синхронного индуктивного сопротивления с использованием трех фаз обмотки статора перед началом опыта необходимо проверять равномерность распределения постоянного тока в соединённых параллельно фазных обмотках.

Как известно, изменение синхронного индуктивного сопротивления при увеличении эксцентриситета асинхронных машин имеющих одну пару полюсов или параллельное соединение катушечных групп фазных обмоток статора при число полюсов больше двух, определяется, главным образом, ростом рассеяния обмотки статора. Если катушечные группы соединены последовательно, то при числе полюсов mр>4 синхронное индуктивное сопротивление асинхронных машин при увеличении относительной неравномерности зазора на каждые 20% растет примерно на 5%.

При исследовании методики контроля неравномерности воздушного зазора асинхронных машин авторами использова­лись усилители аналоговых машин. Для анализа влияния пред­варительного подмагничивания магнитопровода асинхронных машин постоянным током интегральные измерения производи­лись при питании обмотки статора по двухфазной и трехфаз­ной схемам. Это влияние оказывается весьма значительным. Например, для двигателя A02-51-2 (10 кВт, 380 В, 19.4 А, cosφ– 0,89) припитании фаз АС и изменении тока предварительного подмагничивания с 3 до 10 А увеличение синхронного индуктивного сопротивления двигателя составило 11% (рис. 1).

Отклонение значений xε=0 измеренных при двухфазной схеме соединении фаз обмотки статора, от среднего значения при = 10 А (0.42 отн. ед.) для фаз АВ, АС и ВС соответственно равно 1.9; –1,2 и –0,6%. При оценке влияния предварительного подмагничивания в двух- и трехфазной схемах соединений обмотки статора учитывалось, что равенство и. с. от тока статора п этих схемах выполняется при соблюдении следующего известного условия:

Приведенные данные указывают на необходимость сопоставления базовых (исходных) и контрольных результатов измерений, проводимых для оценки неравномерности зазора, только при одинаковых схемах соединении обмотки статора.

Влияние неравномерности воздушного зазора на синхронное индуктивное сопротивление двигателей с числом полюсов равным и больше двух показано на рис. 2. Опыты проводи­лись при снятых крышках двигателей и различных величинах эксцентриситета при параллельном расположения осей расточки статора и ротора. Один из опытов выполнялся при установке ротора непосредственно на сталь расточки статора. Из-за наличия технологических отклонений в размерах внутреннего диаметра листов стали пакета статора и некоторого смещения отдельных листов друг относительно друга значение эксцентриситета в последнем случае принималось равным 90%.

Были выполнены также измерения синхронного индуктив­ного сопротивления при перекосе оси ротора двигателей в вер­тикальной плоскости относительно объемного центра расточки статора. Предельный перекос в этом случае по величине приращения синхронного индуктивного сопротивления (10,8%) эквивалентен эксцентриситету при параллельном смещении осей ротора и расточки статора, примерно равному 45%.

Величина эксцентриситета в приведенном выражении является функцией коорди­наты сечения расточки статора по длине последней.

Как следует из анализа приведенных на рис 3 расчетных характеристик, зависимость в зоне угловых значений 0 – 45° изменяется мало; при 180°≥α≥45° характер кривой близок к линейной зависимости.

Минимальная величина повышения синхронного индуктивного с учетом всех возможных произвольных положений ротора в расточке статора при значении эксцентриситета в одном из торцевых сечений, равном 100%, составляет около 8%. Последняя соответствует значению в во втором торцевом сечении расточки, равному 50% (кривая 3). Кри­вые 1–5 получены при ступенчатом уменьшении (с дискретностью 25%) величины е во втором сечении от 100 до 0%.

Таким образом, допустимое значение эксцентриситета асинхронной машины с учетом установленного значения минимального повышения синхронного индуктивного сопротивления может быть косвенно оценено по формуле
, где – погрешность измерения, отн. ед.; – синхронное индуктивное сопротивление исходного опыта при эксцентриситете, равном нулю, отн. ед.; – коэффициент запаса.

Неточности обработки конструктивных узлов отдельных машин в процессе их изготовления могут приводить к разли­чию в синхронных индуктивных сопротивлениях, что под­тверждается разбросом (до 10%) значений тока х. х. у одно­типных асинхронных двигателей. Это обстоятельство, в свою очередь, может обусловливать низкую корреляционную связь между эксцентриситетом и величиной синхронного индуктивно­го сопротивления при использовании метода для технической диагностики асинхронных машин на заключительной стадии их производства.

Однозначная связь указанных характеристик устанавли­вается в эксплуатации путем экспериментального определения синхронного индуктивного сопротивления отдельных машин при заданных начальных условиях в опыте затухания постоян­ного тока и ε=0.

Метод интегральных измерений целесообразно использо­вать а первую очередь при организации периодического кон­троля неравномерности воздушного зазора асинхронных ма­шин тех механизмов, к которым предъявляются повышенные требования по надежности эксплуатации. При этом измерения для контроля воздушного зазора могут осуществляться также через кабельные линии из помещений электрических распреде­лительных устройств, что важно, например, при установке дви­гателей в зонах повышенной активности атомных промышлен­ных установок.

Источник

nataliyatovmach.pro

Измерение и регулировка воздушного зазора

Зазор между ротором и статором (между полюсами и якорем) измерить калибровочными щупами с длиной пластин не менее 250 мм. Щуп необходимо направлять параллельно оси машины, так чтобы он соприкасался со сталью статора и ротора (полюсов якоря).

При длине ротора (якоря) 300 мм и более замеры произвести с двух сторон: со стороны муфты и со стороны контактных колец (коллектора). При меньшей длине ротора (якоря) замеры можно производить с одной стороны.

Средним зазором в машине является среднее арифметическое значение всех измеренных зазоров. Наибольшее отклонение от среднего зазора ( неравномерность воздушного зазора) не должно превышать 10%.

Зазор между ротором и статором отрегулировать толщиной и количеством прокладок под лапами статора и передвижением статора по горизонтали.

Для выравнивания зазора по вертикали толщина подкладок под каждой из ламп должна равняться половине разности зазоров в двух диаметрально противоположных точках по вертикали. Точно так же для выравнивания зазора по горизонтали статор необходимо передвинуть в требуемую сторону на величину, равную половине разности зазоров по горизонтальному диаметру.

Если необходимо выравнять воздушный зазор между сталью статора и ротора (якоря) в небольших пределах, то там, где воздушный зазор больше, убрать прокладку соответствующей толщины и подложить ее под лапу со стороны меньшего зазора. При этом способе оси контрольных шпилек не смещаются и не требуется их пересверловка.

При монтаже рекомендуется статор опустить вниз на 0,1-0,3 мм(в пределах допустимой неравномерности) для получения внизу несколько большего зазора в расчете на пришабровку вкладышей на валу и их приработку в пусковой период. После регулирования зазора статор закрепить на фундаментной плите болтами и установить контрольные штифты.

Если во всех точках получаются значительные отклонения величина зазоров при различных положениях ротора, то нужно проверить цилиндричность поверхностей статора и ротора.

Для проверки формы расточки статора окружность последнего необходимо разбить на 6, 8, 12 и т. д. частей в зависимости от диаметра статора. В машинах постоянного тока взять число точек, равное числу полюсов. К каждой точке статора или к каждому полюсу подвести одну и ту же точку ротора или якоря и измерить зазор.

Для проверки цилиндричности поверхности ротора поступить аналогично, разделив на столько же равных частей окружность ротора; в синхронных двигателях число точек будет равным числу полюсов. Каждую из этих точек ротора подвести к одной и той же точке статора и произвести измерения.

По данным измерений судят о форме расточки статора и ротора.

Источник