Демпферная обмотка генератора назначение

Демпферная (пусковая) обмотка

Демпферная обмотка полюсов синхронных машин выполняет ряд функций. В генераторах она служит для снижения уровня динамических перенапряжений в обмотке ротора при несимметричных коротких замыканиях, гашения обратного синхронного поля, улучшения формы ЭДС и симметрии напряжений при несимметричных нагрузках отдельных фаз, успокоения качаний и повышения динамической устойчивости работы. Генераторы малой мощности (до 100 кВт) обычно не имеют демпферной обмотки.

Синхронные двигатели выполняют с демпферной обмоткой, которая служит в качестве пусковой при асинхронном пуске, а так же для успокоения качаний в процессе работы. Демпферную обмотку обычно изготовляют из стержней круглого сечения, закладываемых в круглые пазы, равномерно расположенные по дуге полюсных наконечников. Концы стержней замыкают пластинами (сегментами), расположенными вдоль полюсной дуги с обеих сторон полюса. Эти сегменты соединяют между собой по междуполюсному пространству пластинами, образуя коротко замыкающие кольца. Параметры демпферной обмотки устанавливают с учетом следующих условий. Для улучшения демпфирующего эффекта обмотка должна иметь малое активное сопротивление. Поэтому стержни, короткозамыкающие сегменты и соединительные пластины обычно выполняют из меди.

Суммарную площадь поперечного сечения стержней демпферной обмотки на один полюс целесообразно принимать близкой к 15% суммарной площади поперечного сечения меди обмотки статора, приходящейся на одно полюсное деление (мм 2 )

.(11-53)

Для уменьшения добавочных потерь и пульсаций ЭДС обмотки статора желательно принимать зубцовое деление полюсного наконечника ротора близким к зубцовому делению статора . При , равном целому числу, а также при или целесообразно выбирать . При целесообразно принимать в генераторах , а в двигателях (чтобы исключить возможность проявления эффекта «прилипания») должно быть несколько меньше или больше . В приведенных выражениях — несократимая дробь.

Предварительное количество стержней демпферной обмотки на один полюс (шт.)

(11-54)

Количество стержней демпферной обмотки на полюс выбирают так, чтобы минимальная ширина крайнего зубца полюсного наконечника была не менее 3 мм и не превышала 0,5 .

Предварительный диаметр стержня демпферной обмотки (мм)

; (11-55)

принимают значение , равное ближайшему целому числу, и определяют соответствующее этому диаметру сечение стержня .

Уточненное значение зубцового деления полюсного наконечника (мм)

(11-56)

Диаметр круглой части паза полюсного наконечника (мм)

(11-57)

Размеры шлица паза демпферной обмотки генераторов выбирают так, чтобы ширина и высота (рис. 11-13) были примерно одинаковыми (около 3 мм); в двигателях (для увеличения вращающего момента) высоту шлица принимают 1,5—2 мм.

Рис. 11-13. Эскиз полюсного

наконечника с пазами демпферной обмотки:

1 — полюс; 2 — стержень демпферной обмотки;

3 — короткозамыкающий сегмент.

Для обеспечения механической прочности кромок полюсного наконечника должно соблюдаться условие . При малых высотах кромок полюсных наконечников крайние пазы демпферной обмотки выполняются закрытыми; при этом

Предварительная длина стержня демпферной обмотки

(11-58)

затем ее уточняют при проработке конструкции машины.

Размеры короткозамыкающих сегментов выбирают такими, чтобы их высота , толщина а площадь поперечного сечения составляла около половины суммарной площади поперечного сечения стержней одного полюса (мм 2 ), т. е.

(11-59)

Окончательно размеры сегмента в поперечном сечении а также его площадь в этом сечении следует выбрать по приложению 2.

Площадь поперечного сечения перемычки между сегментами разных полюсов принимают не менее 0,5 , а площадь контакта между перемычкой и сегментом — не менее 5 .

Что такое электрическое демпфирование, демпферные витки и обмотки

Демпфирование — увеличение потерь энергии в системе с целью повышения затухания колебаний в ней.

Механическое демпфирование

Демпфирование применяется в измерительных приборах для уменьшения колебаний указательной стрелки и в других устройствах. Механическое демпфирование осуществляется путем увеличения трения или увеличения сопротивления среды, в которой движется система. Например, к вращающейся системе прибора прикрепляется легкий поршенек, который движется в трубке, замедляя движение подвижной системы.

Электрические аппараты, имеющие подвижные части, всегда имеют в том или ином виде тормозящие устройства, так как движение подвижной части где-то должно быть остановлено и запас кинетической энергии поглощен. Прежде всего во всякой подвижной системе существуют силы трения, всегда направленные против движения.

Если кинетическая энергия велика, прибегают к специальным тормозящим устройствам, в которых поглощается избыток кинетической энергии. В ряде аппаратов (например в реле) тормозящие устройства предназначены не только для поглощения избытка кинетической энергии подвижных частей (при подходе к уnopу во избежание сильного удара), но и для замедления действии аппарата.

В первом случае, когда тормозящее устройство предназначено только для поглощения избытка кинетической энергии в конце хода, оно обычно носит название буферного устройства и в большинстве случаев к моменту начала работы этого устройства сила, двигающая части аппарата, прекращается. Во втором случае тормозящее устройство действует во время существования движущей силы в аппарате и носит название демпферного.

Демпфирование в электрических аппаратах

Электрическое демпфирование может осуществляться путем взаимодействия между магнитным полем и токами, индуцируемыми в проводниках, движущихся в этом магнитном поле, так как по закону Ленца в этом случае всегда должна возникать сила, препятствующая этому движению. Например, к подвижной системе прибора прикрепляется пластинка из проводящего материала, которая движется между полюсами магнита. При этом в ней возникают вихревые токи, взаимодействие которых с магнитным полем тормозит движение системы.

Демпферные витки — витки на магнитопроводе, служащие для демпфирования подвижной части магнитной системы. Например, такие витки из меди устанавливаются на магнитопровод магнитного пускателя или контактора с краев плоскостей соприкосновения якоря и сердечника.

Любой электромагнит переменного тока имеет силу тяги, изменяющуюся по времени, причем в моменты прохода магнитного потока через нуль она также равна нулю. Это обстоятельство ведет к тому, что якорь электромагнита не может устойчиво находиться в своем конечном положении, а под действием противоположных сил в области нулевого значения потока якорь и связанные с ним детали стремятся отойти назад.

Быстро возрастающая сила тяти якоря не позволяет оторваться этим деталям от упора на значительное расстояние, но на небольшое расстояние они все же отходят. В результате детали аппарата, прижатые якорем к упору, не находятся в неподвижном положении, а дрожат в такт с силой тяги электромагнита.

Это вызывает дребезжание указанных деталей, расшатывание механизма, износ контактов, прижимаемых электромагнитом, шумы и прочие неприятные последствия. Одной из распространенных мер борьбы против этого явления является применение короткозамкнутой обмотки, охватывающей часть сечении сердечника.

В этом случае часть потока, пронизывающая короткозамкнутую обмотку, не совпадает по фазе с другой частью потока, а следовательно, и нулевое значение силы тяги потоков не совпадают по времени. В результате данный электромагнит переменного тока не будет иметь момента времени, в который его сила тяги равна нулю и указанное дребезжание будет отсутствовать. Обычно число витков, короткозамкнутой обмотки равно единице и ее называют соответственно короткозамкнутый виток.

В некоторых конструкциях электромагнитов постоянного тока на сердечник (или на якорь) накладывают специальную короткозамкнутую обмотку, имеющую малое электрическое сопротивление. Это делается затем, чтобы, замедлить работу электромагнита: при наличии такой обмотки нарастание потока после включения обмотки ил напряжение и слад потока после отключения тока происходит медленнее, чем без такой обмотки.

Влияние такой обмотки будет сказываться не только при неподвижном якоре в процессе неустановившегося процесса потока, но и при движении якоря, когда вследствие изменения воздушного зазора поток в электромагните стремится измениться. Такой физический процесс называется магнитным демпфированием.

Применение дополнительной обмотки для целей демпфирования процессов в электромагните переменного тока не достигает целей и поэтому не используется.

Магнитное демпфирование часто применяется для замедления срабатывания и отпускания электромагнитных реле и реле времени постоянного тока. При этом происходит замедление нарастания и убывания магнитного потока в сердечнике. Для этого на магнитопроводе реле размещают короткозамкнутые витки. Благодаря этому техническому решению получают выдержку времени от 0,2 до 10 сек. Иногда магнитное демпфирование осуществляют не применением короткозамкнутых витков, а замыканием накоротко рабочей катушки реле.

Электромагнитные реле с магнитным демпфированием: а — с медной втулкой; б — с медным кольцом у рабочего зазора.

Существует ряд практических случаев, когда время действия электромагнитов и электромагнитных аппаратов (реле, пускателей, контакторов) нужно иметь как можно меньше. В этом случае наличие короткозамкнутых обмоток, массивных частей магнитопровода, металлических каркасов катушки и короткозамкнутых витков, образованных из крепежных и прочих деталей аппарата, лежащих на пути потока, является недопустимым, так как они будут увеличивать время действия электромагнита.

Демпфирование в электрических машинах

Почти все синхронные двигатели, компенсаторы и преобразователи, а также многие явнополюсные синхронные генераторы снабжаются успокоительными обмотками. В ряде случаев они находят применение из-за влияния на устойчивость системы, но большей частью предназначаются для других целей. Однако вне зависимости от причин применения успокоительных обмоток они в большей или меньшей степени влияют на устойчивость.

Принципиально различаются два типа успокоительных обмоток: полные или замкнутые и неполные или разомкнутые. В обоих случаях обмотка состоит из уложенных в пазах на поверхности полюсов стержней, концы которых на каждой стороне полюса соединены.

В полной успокоительной обмотке концы стержней замыкаются кольцами, соединяющими стержни всех полюсов. В неполной обмотке стержни замыкаются дугами, каждая из которых соединяет стержни только одного полюса. В последнем случае успокоительная обмотка каждого полюса представляет собой независимую цепь.

Полные успокоительные обмотки подобны беличьим клеткам роторов асинхронных машин, за исключением того, что в успокоительных обмотках стержни расположены по окружности ротора неравномерно, так как между полюсами стержней нет. В некоторых конструкциях замыкающие кольца выполняются из отдельных участков, которые соединяются между собой болтами, чтобы облегчить снятие полюсов.

Успокоительные обмотки можно классифицировать по величине их активного сопротивления. Обмотки с малым сопротивлением создают наибольший момент при малых скольжениях, а обмотки с большим сопротивлением — при больших скольжениях. Иногда применяется двойная успокоительная обмотка. Она состоит из обмоток с малым и большим индуктивным сопротивлениями. Двойные успокоительные обмотки применяются для улучшения пусковых характеристик синхронных двигателей и облегчения их входа в синхронизм.

Назначение успокоительных обмоток у синхронных машин:

Повышение пускового момента синхронных двигателей, компенсаторов и преобразователей;

Предотвращение качаний. Для этих целей успокоительные обмотки были выполнены впервые, и отсюда они получили свое название;

Подавление колебаний, возникающих из-за толчков при коротких замыканиях или переключениях;

Предотвращения искажения формы кривой напряжения несимметричной нагрузкой, другими словами — подавление высших гармонических составляющих;

Уменьшение несимметрии фазных напряжений на выводах при несимметричной нагрузке, т.е. уменьшение напряжения обратной последовательности;

Предотвращение перегрева поверхности полюсов однофазных генераторов вихревыми токами;

Создание тормозного момента в генераторе при несимметричных коротких замыканиях и уменьшение этим избыточного момента;

Создание дополнительного момента при синхронизации генераторов;

Снижение скорости восстановления напряжения на контактах выключателей;

Уменьшение механических напряжений в изоляции обмотки возбуждения во время бросков тока в цепи якоря.

Генераторы, приводимые во вращение поршневыми первичными двигателями, имеют тенденцию к раскачиванию из-за того, что вращающий момент первичных двигателей пульсирует. Электродвигатели, приводящие во вращение нагрузку с пульсирующим моментом, подобную компрессорам, также имеют тенденцию к качаниям.

Указанные качания называют «вынужденными качаниями». Могут иметь место и «самопроизвольные качания», возникающие тогда, когда синхронные машины соединены линией, у которой соотношение активного сопротивления к индуктивному велико.

Успокоительные обмотки с малым сопротивлением значительно уменьшают амплитуды как вынужденных, так и самопроизвольных качаний.

Влияние успокоительных (демпфирующих обмоток) на устойчивость электрических систем проявляется в том, что они:

Создают демпфирующий (асинхронный) момент прямой последовательности;

Создают тормозной момент обратной последовательности во время несимметричных коротких замыканий;

Изменяя полное сопротивление обратной последовательности, влияют на отдаваемую машиной электрическую мощность прямой последовательности во время несимметричных коротких замыканий.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Демпферная обмотка генератора назначение

КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ СИНХРОННЫХ МАШИН

Сердечник статора представляет собой полый цилиндр, набранный из отдельных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. На внутренней поверхности этого цилинд­ра выштамповывают пазы для укладки обмотки якоря. Электротехническую сталь поставляют в виде листов или лент шириной не более 1 м. При внешнем диаметре сердечника менее 1 м его собирают из цельных кольцевых плас­тин, а при большем диаметре каждый кольцевой слой со­ставляют из отдельных пластин, называемых сегментами (рис. 3). Сердечник размещают в станине (корпусе) ста­тора.

Пазы, как правило, имеют прямоугольное сечение. В эти пазы укладывают двухслойные петлевые обмотки, а в более мощных машинах — одновитковые стержневые волновые обмотки. Толщина и структура изоляции пазов и проводников зависит от индуктируемой ЭДС. При большом сече­нии проводников обмоток фаз для уменьшения добавочных потерь от вихревых токов их разбивают на ряд элементар­ных проводников, которые по длине обмотки транспониру­ют между собой. Статор синхронной машины в собранном виде показан на рисунке.

По выполнению ротора машины подразделяются на явнополюсные и неявнополюсные.

Явнополюсный ротор синхронных машин имеет высту­пающие полюсы, сердечник которых в мощных машинах на­бирают из пластин конструкционной стали толщиной 1- 2 мм, а в машинах небольшой мощности — из электротех­нической стали толщиной 0,5-1 мм. На рис. 4 показаны различные способы крепления полюсов.

В машинах неболь­шой мощности полюсы крепят болтами к валу (рис. 4, г), а в тихоходных машинах большой мощности — к ободу ро­тора (рис. 4, в). В мощных и относительно быстроход­ных машинах полюсы крепят к ободу ротора с помощью хвостов, имеющих Т-образную форму или форму ласточки­на хвоста (рис. 4, а и б). Такое крепление хотя техноло­гически сложнее, но является более прочным, чем крепле­ние болтами.

Обмотку возбуждения в мощных машинах для лучшего охлаждения выполняют из неизолированных медных шин большого сечения, намотанных на ребро. Между соседними витками укладывают изоляционные прокладки, пропитан­ные в смоле. Катушку запекают и устанавливают на полю­се, на который по периметру предварительно наносят корпусную изоляцию. В машинах небольшой мощности катуш­ки обмотки возбуждения выполняют из изолированных проводников прямоугольного или круглого сечения.

На полюсах ротора часто укладывают демпферную об­мотку. Ее размещают в пазах полюсных наконечников. Медные стержни этой обмотки, уложенные в пазы, по тор­цам замыкают пластинами или кольцами так, что образу­ется клетка. Демпферные обмотки делятся на продоль­ные и продольно-поперечные.

Продольная обмотка получается путем замыкания с торцов стержней отдельно каждого полюса (рис. 5). В продольно-поперечной обмотке соединяются по торцам стержни всех полюсов (рис. 6). Демпферная обмотка об­разует контуры, оси которых совпадают в первом случае только с продольной осью (с осью полюсов), а во втором случае — как с продольной, так и с поперечной осью.

Демпферная обмотка выполняет ряд функций. В гене­раторах она ослабляет влияние несимметричной нагрузки и снижает амплитуду колебаний ротора, возникающих в не­которых случаях при параллельной работе. В двигателях она является пусковой обмоткой, а также снижает амплитуду колебаний ротора при пульса­ции нагрузки.

Явнополюсные роторы применяют в машинах большой мощности с относительно низкой частотой вращения, т. е. имеющих большое число полюсов. Синхронные машины с явнополюсным ротором и горизонтальным валом широко используют в качестве двигателей и генераторов. Общий вид ротора явнополюсной машины показан на рис. 7. Существует специальный класс синхронных явнополюсных генераторов с вертикальным валом, предназначенных для непосредственного соединения с гидравлическими турбинами. Такие генераторы называются гидрогенераторами (рис. 8).

В зависимости от мощности турбины и напора воды час­тота вращения гидрогенераторов колеблется от 50 до 600 об/мин. Для того чтобы при таких частотах вращения получить переменное напряжение частотой 50 Гц, гидрогенераторы должны иметь несколько десятков полюсов.Гидрогенераторы выполняют на большие мощности. В конструктивном отношении гидрогенераторы имеют ряд особенностей. Важным узлом у них является упорный подшипник или подпятник. Он удерживает массу вращающихся частей ротора и турбины и воспринимает давление воды на лопасти турбины. Подпятник представляет собой особый вид подшипника скольжения. Он состоит из вра­щающейся части — пяты, выполненной в виде диска, укрепленного на роторе, и неподвижной части, находящейся под пятой (собственно подпятник).

Для уменьшения потерь в пяте между ее трущимися поверхностями (пяты и собст­венно подпятника) создается слой смазки достаточной тол­щины.

Для восприятия радиальных усилий, действующих на ротор гидрогенератора, на его валу устанавливают один или два направляющих подшипника. Один подшипник устанавливают при жестком фланцевом соединении валов гидрогенератора и турбины. Вторым направляющим под­шипником в этом случае является направляющий подшип­ник турбины. Подпятник и направляющие подшипники размещаются на крестовинах, которые служат для восприятия и передачи вертикальных и радиальных усилий на фунда­мент или на корпус статора. Различают верхнюю и ниж­нюю крестовины.

В зависимости от расположения подпятника гидрогене­раторы подразделяются на подвесные и зонтичные. В под­весном гидрогенераторе (рис. 9, а) подпятник расположен над ротором на верхней крестовине и весь агрегат «подвешен» к этой крестовине и к подпятнику.

В зонтич­ном гидрогенераторе подпятник расположен на нижней крестовине (рис. 9, б) или на крышке турбины и генера­тор в виде зонта находится над подпятником. При зонтич­ном исполнении гидрогенератор имеет меньшие массу и вы­соту, чем при подвесном исполнении, за счет уменьшения размеров верхней крестовины, имеющей больший диаметр, чем нижняя.

Механическая прочность различных деталей гидрогене­раторов рассчитывается по так называемой угонной часто­те вращения, которая в 2-3 раза больше номинальной и может иметь место в результате разгона ротора при ава­рийном отключении генератора от сети.

Неявнополюсные роторы (рис. 10 и 11) применя­ют в синхронных машинах большой мощности, имеющих частоту вращения п = 1500÷3000 об/мин. Изготовление ма­шин большой мощности с такими частотами вращения при явнополюсной конструкции ротора невозможно по услови­ям механической прочности ротора и крепления полюсов и обмотки возбуждения.

Неявнополюсные роторы имеют главным образом син­хронные генераторы, предназначенные для непосредствен­ного соединения с паровыми турбинами. Такие машины на­зывают турбогенераторами. Турбогенераторы для тепловых электрических станций имеют частоту вращения 3000 об/мин и два полюса, а для атомных станций — 1500 об/мин и четыре по­люса.

Из-за больших центробежных сил, действующих на об­мотку возбуждения, ее крепление в пазах производят с по­мощью немагнитных металлических клиньев. Немагнитные клинья ослабляют магнитные потоки пазового рассеяния, которые могут вызывать насыщение зубцов и приводить к уменьшению полезного потока. Пазы большого зубца за­крывают магнитными клиньями. Лобовые части обмотки закрепляют роторными бандажами. Обмотка ротора имеет изоляцию класса В или F. Выводы от обмотки возбуждения подсоединяют к контактным кольцам на роторе.

Вдоль оси ротора по всей его длине просверливают цент­ральное отверстие, которое служит для исследования ма­териала центральной части поковки и для разгрузки по­ковки от опасных внутренних напряжений. На рис. 12 дан общий вид турбогенератора. В турбогенераторах функ­цию демпферной обмотки выполняют массивное тело рото­ра и клинья.

Кроме турбогенераторов с неявнополюсным ротором вы­пускают быстроходные синхронные двигатели большой мощности — турбодвигатели.

Демпферная обмотка синхронного генератора предназначена для. Принцип действия

Назначение и устройство синхронных генераторов

Синхронный генератор состоит из двух основных частей: неподвижного статора (якоря) с помещенной в нем обмоткой и подвижного (вращающегося) ротора (индуктора) с обмоткой возбуждения. Назначение обмотки возбуждения состоит в том, чтобы создать в генераторе первичное магнитное поле для наведения в обмотке статора электродвижущей силы (э. д. е)… Если ротор сихронного генератора привести во вращение с некоторой скоростью V и возбудить от источника постоянного тока, то поток возбуждения будет пересекать проводники обмотки статора и в фазах обмотки будут индуктироваться переменные э. д. с. При подключении нагрузки к данной обмотке в ней возникнет вращающееся магнитное поле. Это поле статора генератора будет вращаться в направлении, вращения поля ротора и с такой же скоростью, как поле ротора, в результате чего образуется общее вращающееся магнитное поле.

Скорость вращения магнитного поля синхронного генератора зависит от числа пар полюсов. При заданной частоте чем больше число пар полюсов, тем меньше скорость вращения магнитного поля, т.е. скорость вращения магнитного поля обратно пропорциональна числу пар полюсов. Так, например, при заданной частоте /=50 гц скорость вращения магнитного поля равна 3000 об/мин при числе пар полюсов р= 1, 1500 об/мин при р = 2V 1000 об/мин при р = 3 и т. д.

Статор генератора (рис. 1, а) состоит из сердечника, набранного из тонких листов электротехнической стали. Для ограничения вихревых токов листы стали изолированы пленкой лака толщиной 0,08-0,1 мм и прочно спрессованы в виде пакета, называемого пакетом активной стали. В каждом листе стали, выштампованы фигурные вырезы, благодаря чему в пакете, собранном из таких листов, образуются пазы, в которые и укладывается обмотка. Пазы для повышения электрической прочности обмотки и предохранения ее от механических -повреждений изолированы листами электрокартона с лакотканью или миканита. Пакет активной стали укреплен в чугунной или стальной станине генератора.

Рис. 1. Устройство и схема возбуждения синхронного генератора: а — статор, б — явнополюсный ротор (без обмотки полюсов), в — неявнополюсный ротор; 1 — статор (якорь), 2 — ротор (индуктор), 3- контактные кольца, 4 — полюс, 5 — полюсная катушка индуктора, 6 — возбудитель, 7 — шунтовой регулятор, 8 — щетки

Ротор синхронного генератора конструктивно может быть выполнен явнополюсным и неявнополюсным.

Явнополюсный ротор (рис. 1, б) имеет выступающие или, как говорят, явновыраженные полюсы. Такие роторы применяют в тихоходных генераторах со скоростью вращения не более 1000 об/мин. Сердечники полюсов этих роторов набирают обычно из листов электротехнической стали толщиной 1-2 мм, которые прочно скрепляют в пакет стяжными шпильками. На валу ротора полюсы крепят болтами или при помощи Т-образного хвостовика полюса, укрепляемого в специальных пазах, профре-зерованных в стальном теле ротора.

Обмотку возбуждения наматывают изолированным медным проводом соответствующего сечения. В роторах синхронных генераторов, предназначенных для работы в электроустановках, где в качестве первичных двигателей применяются дизели, предусматривается так называемая успокоительная обмотка. Успокоительная или как еще ее называют демпферная обмотка служит для успокоения свободных колебаний, возникающих при внезапных изменениях режима работы синхронных генераторов (резкие сбросы нагрузки, падение напряжения, изменение тока возбуждения и др.), особенно в тех случаях, когда несколько генераторов работают параллельно на общую сеть.

Неявнополюсным называют ротор, имеющий вид цилиндра без выступающих полюсов. Такие роторы выполняют обычно двух- или четырехполюсными.

Явнополюсные роторы для быстроходных машин не применяют из-за сложности изготовления крепления полюсов, способных выдерживать большие центробежные усилия.

Неявнополюоный ротор (рис. 1, в) состоит из вала и стальной поковки с профрезерованными в ней пазами, в которые уложена обмотка возбуждения. В остальном неявнополюсный ротор конструктивно выполнен так же, как и явнополюсный.

Конструкция проводников роторной обмотки выбирается в зависимости от типа ротора: для обмоток явнополюсных роторов применяют прямоугольные или круглые изолированные провода, а также голые медные полосы, гнутые на ребро и изолированные полосками миканита; обмотки неявнополюсных роторов выполняют из изолированных витков плоской твердокатаной меди, укладываемых в изолированные пазы роторов.

Концы обмотки ротора (индуктора) выведены и присоединены к контактным кольцам на валу ротора. К индуктору подводится постоянный ток от какого-либо внешнего источника. В качестве источника тока возбуждения синхронных генераторов мощностью до 20 кет применяют полупроводниковые выпрямители, а для более мощных генераторов — специальные машины постоянного тока (возбудители), помещаемые обычно на общем валу с ротором генератора или механически соединяемые с генератором посредством полумуфт. Возбудитель представляет собой генератор постоянного тока, мощность которого, как правило, составляет 1-3% номинальной мощности питаемого им генератора. Номинальное напряжение возбудителей невелико и у синхронных генераторов средней мощности не превышает 150 в. Постоянный ток для возбуждения синхронных генераторов может быть получен с помощью ртутных, полупроводниковых или механических выпрямителей. Для возбуждения синхронных генераторов мощностью до 20 кет чаще всего применяют селеновые или германиевые выпрямители.

§ 11-5. Демпферная (пусковая) обмотка.
Демпферная обмотка полюсов синхронных машин выполняет ряд функций. В генераторах она служит для снижения уровня динамических перенапряжений в обмотке ротора при несимметричных коротких замыканиях, гашения обратного синхронного поля, улучшения формы ЭДС и симметрии напряжений при несимметричных нагрузках отдельных фаз, успокоения качаний и повышения динамической устойчивости работы. Генераторы малой мощности (до 100 кВт) обычно не имеют демпферной обмотки.

Синхронные двигатели выполняют с демпферной обмоткой, которая служит в качестве пусковой при асинхронном пуске, а так же для успокоения качаний в процессе работы. Демпферную обмотку обычно изготовляют из стержней круглого сечения, закладываемых в круглые пазы, равномерно расположенные по дуге полюсных наконечников. Концы стержней замыкают пластинами (сегментами), расположенными вдоль полюсной дуги с обеих сторон полюса. Эти сегменты соединяют между собой по междуполюсному пространству пластинами, образуя коротко замыкающие кольца. Параметры демпферной обмотки устанавливают с учетом следующих условий. Для улучшения демпфирующего эффекта обмотка должна иметь малое активное сопротивление. Поэтому стержни, короткозамыкающие сегменты и соединительные пластины обычно выполняют из меди.

Суммарную площадь поперечного сечения стержней демпферной обмотки на один полюс целесообразно принимать близкой к 15% суммарной площади поперечного сечения меди обмотки статора, приходящейся на одно полюсное деление (мм 2)

Для уменьшения добавочных потерь и пульсаций ЭДС обмотки статора желательно принимать зубцовое деление полюсного наконечника ротора близким к зубцовому делению статора . При , равном целому числу, а также при или
целесообразно выбирать
. При
целесообразно принимать в генераторах
, а в двигателях (чтобы исключить возможность проявления эффекта «прилипания») должно быть несколько меньше или больше . В приведенных выражениях
— несократимая дробь.

Предварительное количество стержней демпферной обмотки на один полюс (шт.)

Количество стержней демпферной обмотки на полюс
выбирают так, чтобы минимальная ширина крайнего зубца полюсного наконечника
была не менее 3 мм и не превышала 0,5 .

Предварительный диаметр стержня демпферной обмотки (мм)

; (11-55)

Принимают значение , равное ближайшему целому числу, и определяют соответствующее этому диаметру сечение стержня .

Уточненное значение зубцового деления полюсного наконечника (мм)

Диаметр круглой части паза полюсного наконечника (мм)

Размеры шлица паза демпферной обмотки генераторов выбирают так, чтобы ширина
и высота
(рис. 11-13) были примерно одинаковыми (около 3 мм); в двигателях (для увеличения вращающего момента) высоту шлица принимают 1,5-2 мм.

Рис. 11-13. Эскиз полюсного

Наконечника с пазами демпферной обмотки:

1 — полюс; 2 — стержень демпферной обмотки;

3 — короткозамыкающий сегмент.
Для обеспечения механической прочности кромок полюсного наконечника должно соблюдаться условие
. При малых высотах кромок полюсных наконечников крайние пазы демпферной обмотки выполняются закрытыми; при этом

Предварительная длина стержня демпферной обмотки

(11-58)

Затем ее уточняют при проработке конструкции машины.

Размеры короткозамыкающих сегментов выбирают такими, чтобы их высота
, толщина
а площадь поперечного сечения составляла около половины суммарной площади поперечного сечения стержней одного полюса (мм 2), т. е.

(11-59)

Окончательно размеры сегмента в поперечном сечении
а также его площадь в этом сечении следует выбрать по приложению 2.

Площадь поперечного сечения перемычки между сегментами разных полюсов принимают не менее 0,5 , а площадь контакта между перемычкой и сегментом — не менее 5.

Сверхпереходная э.д.с. и сопротивление

Ротор любого современного синхронного генератора оснащается еще одной обмоткой — демпферной (иногда говорят: успокоительным контуром). Назначение обмотки понятно из ее названия — демпфировать качания ротора около синхронной частоты вращения. Благодаря ей на валу ротора возникает момент, стремящий его к синхронной скорости всякий раз, когда эта скорость начинает изменяться.

При наличии демпферных обмоток компенсация реакции статора в продольной оси машины обеспечивается токами не только в обмотке возбуждения, но и в демпферных обмотках, благодаря чему компенсация происходит полнее, чем при их отсутствии.

В демпферной обмотке возникают токи, которые затухают значительно быстрее, чем ток в обмотке возбуждения (индуктивность демпферной обмотки существенно ниже индуктивности обмотки возбуждения).

Представим, что кроме обмотки возбуждения на роторе имеется по одной демпферной обмотке в продольной и поперечной осях. Для простоты расчетов примем, что обмотки статора и обе обмотки ротора в его продольной оси связаны между собой общим потоком взаимоиндукции Фad, который определяет реактивность продольной реакции xad. В такой машине внезапное приращение потока Фad вызовет ответную реакцию ротора, которая образуется из приращений потоков обмотки возбуждения Фfd и продольной демпферной обмотки Ф1d.

Баланс результирующих потоков должен сохраняться неизменным, т. е. будут соблюдаться следующие условия приращений величин:

— для обмотки возбуждения:

,

— для продольной демпферной обмотки:

.

Приравняв левые части выражений, получим связь между приращениями токов:

.

Совместную ответную реакцию двух обмоток в начальный момент переходного процесса можно заменить аналогичной реакцией от суммарного тока в одной эквивалентной обмотке по продольной оси ротора с реактивностью рассеяния xrd:

В итоге можно получить:

Следовательно, для получения реактивного сопротивления, которым характеризуется синхронная машина в продольной оси при внезапном нарушении режима, достаточно в выражение для x’d ввести вместо xf величину xrd.

Сделав такую подстановку и произведя преобразования, получим продольную сверхпереходную реактивность:

В поперечной оси ротора, где имеется только демпферная обмотка, существует поперечная сверхпереходная реактивность (реактивное сопротивление):

Э.д.с. за этими реактивностями в поперечной E»q и продольной E»d осях называют сверхпереходными. Они сохраняют свои значения неизменными в начальный момент нарушения режима и в результате справедливы следующие выражения:

,

где напряжения и токи — составляющие предшествующего режима.

Следовательно, в начальный момент внезапного нарушения режима явнополюсная машина с демпферными обмотками характеризуется реактивными сопротивлениями x «d и x «q и э.д.с. Е»q и E»d. Приставка «сверх» указывает на то, что данные параметры учитывают влияние демпферных контуров.

Схема замещения синхронного генератора:

.

Таким образом, неявнополюсная синхронная машина с демпферными контурами в первый момент нарушения режима должна замещаться сверхпереходными сопротивлением x «d и э.д.с. E»q.

Рассчитываемый синусоидальный ток КЗ I” при этом будет носить имя начального значения сверхпереходного тока КЗ. Но состоять он будет из составляющих сверхпереходной, переходной и составляющей установившегося тока КЗ. После того как в демпферных контурах токи затухнут (постоянная времени T”d), останутся только переходная и составляющая установившегося тока КЗ. В конечном итоге затухнет и переходная составляющая (постоянная времени T’d) и останется только установившийся ток КЗ.

Если машина не имеет демпферных контуров, то начальное значение тока КЗ будет только переходным током I’, состоящим из составляющих переходной и установившегося тока КЗ. Когда первая составляющая затухнет, то, так же как и в первом случае, останется только установившийся ток КЗ.

Можно сказать, что синхронная машина проявляет себя на разных стадиях переходного процесса разными параметрами. Соответственно меняются ее схемы замещения. Это и приводит к тому, что периодический ток КЗ имеет в начальный момент нарушения режима одну величину и со временем затухает до установившегося значения.

Синхронную машину характеризуют следующие постоянные времени (определяемые при номинальной частоте вращения ротора):

• Td0 — постоянная времени обмотки возбуждения при разомкнутой обмотке статора. Это время, в течение которого напряжение разомкнутой обмотки статора затухает до 1/е = 0,368 своего начального значения после внезапного изменения режима работы машины;

• T’d — переходная постоянная времени по продольной оси при замкнутой накоротко обмотке статора. Это время, в течение которого медленно изменяющаяся составляющая продольного тока статора (переходная составляющая, связанная с изменениями потока обмотки возбуждения) затухает до 1/е = 0,368 своего начального значения после внезапного изменения режима работы машины;

• T»d — сверхпереходная постоянная времени по продольной оси при замкнутой накоротко обмотке статора. Это время, в течение которого быстро изменяющаяся составляющая продольного тока статора (сверхпереходная составляющая, связанная с изменениями потока демпферной обмотки), наблюдаемая в течение нескольких первых периодов, затухает до 1/е = 0,368 своего начального значения после внезапного изменения режима работы машины;

• Та — постоянная времени замкнутой накоротко обмотки статора. Это время, в течение которого свободная апериодическая составляющая тока КЗ затухает до 1/е = 0,368 своего начального значения после внезапного изменения режима работы машины.

Демпферная обмотка

Демпферную (пусковую) обмотку размещают в пазах полюсных наконечников ротора. Эта обмотка в двигателях необходима для асинхронного пуска и успокоения качания ротора. Расчёт демпферной обмотки заключается в определении количества и размеров стержней обмотки, а также размеров короткозамыкающих сегментов.

Короткозамыкающие сегменты замыкают все стержни с торцов полюса и соединяются с сегментами соседних полюсов, образуя кольцо. В этом случае демпферная обмотка называется продольно-поперечной. Если сегменты соседних полюсов не соединены, то обмотка называется продольной. Наиболее часто применяются продольно-поперечные обмотки. Стержни выполняются из меди или латуни круглого сечения. Чаще всего пусковую обмотку выполняют из медных стержней.

49. Число стержней пусковой обмотки на полюсе Nc=7.

50. Поперечное сечение стержня пусковой обмотки:

51. Диаметр стержня (материал — медь):

Выбираем dc=125·10 -3 , тогда qc=122·10 -6 м 2 .

52. Зубцовый шаг на роторе:

Принимаем z=0.036 м — расстояние между крайними стержнем и краем полюсного наконечника.

53. Проверяем условие:

Пазы ротора выбираем круглые, полузакрытые.

54. Диаметр паза ротора:

Раскрытие паза bsЧ hs=4Ч2 мм.

55. Длина стержня:

56. Сечение короткозамыкающего сегмента:

По таблице П3.4 выбираем прямоугольную медь 855 мм (qкз=429.1 мм 2 ).

Расчёт магнитной цепи

Расчёт магнитной цепи проводят с целью определения МДС обмотки возбуждения Ffо, необходимой для создания магнитного потока машины Ф на холостом ходу. При вращении ротора этот поток наводит в обмотке статора ЭДС. Таким образом в результате расчёта магнитной цепи может быть построена зависимость E=f(Ffо), которая называется характеристикой холостого хода.

Для магнитопровода статора выбираем сталь 1511 (ГОСТ 214273-75) толщиной 0.5 мм. Полосы ротора выполняют из стали Ст3 толщиной 1 мм. Крепление полюсов к ободу магнитного колеса осуществляют с помощью шпилек и гаек.

57. Магнитный поток в зазоре:

где w1 — число витков статора;

kоб1 — обмоточный коэффициент фазы статора;

f — частота, Гц;

kв=1.15 — коэффициент формы поля, находим по рисунку 10.21 [1], при

58. Расчётная длина статора (уточнённая):

59. Индукция в воздушном зазоре:

60. Коэффициент воздушного зазора статора:

62. Коэффициент воздушного зазора:

63. Магнитное сопряжение воздушного зазора:

64. Ширина зубца статора на высоте 1/3 hп1 от его коронки:

65. Индукция в сечении зубца на высоте 1/3 hп1:

66. Магнитное напряжение зубцов статора, А:

67. Индукция в спинке статора:

68. Магнитное напряжение спинки статора, А:

где x — коэффициент выбираемый по рисунку 10.22 [1] и учитывающий неравномерное распределение индукции по поперечному сечению спинки статора;

Длина магнитной линии в спинке статора:

69. Высота зубца ротора:

70. Ширина зубца ротора по высоте от его коронки:

71. Индукция в зубце ротора:

72. Магнитное напряжение зубцов ротора:

73. Удельная магнитная проводимость рассеяния между внутренними поверхностями сердечников полюсов:

74. Удельная магнитная проводимость между внутренними поверхностями полюсных наконечников:

75. Удельная магнитная проводимость рассеяния между торцевыми поверхностями:

76. Удельная магнитная проводимость для потока:

77. Магнитное напряжение ярма статора, зазора и зубцов полюсного наконечника:

78. Поток рассеяния полюса:

79. Поток в сечение полюса у его основания:

80. Индукция в полюсе, Тл:

81. Магнитное напряжение полюса:

где hmp=hp+hm=0.04+0.105=0.145 м

82. Магнитное напряжение стыка между полюсом и ярмом ротора, А:

83. Индукция в ободе магнитного колеса (ярма ротора), А:

84. Магнитное напряжение в ободе магнитного колеса:

85. Магнитное напряжение сердечника полюса, ярма ротора, и стыка между полюсом и ярмом, А:

86. Магнитодвижущая сила обмотки возбуждения на один полюс: