Введение

Синхронной машиной (СМ) называется двухобмоточная электрическая машина переменного тока, одна из обмоток которой присоединена к электрической сети с постоянной частотой, а вторая – возбуждается постоянным током.

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.

У синхронного генератора (IP23) на якоре имеются обмотки, на которые подается электрический ток. Изменяя его величину, можно влиять на магнитное поле, а следовательно, и на напряжение на выходе статорных обмоток. Роль регулятора прекрасно исполняет простейшая электрическая схема с обратной связью по току и напряжению. Благодаря этому способность синхронного генератора «проглатывать» кратковременные перегрузки высока и ограничена лишь омическим (активным) сопротивлением его обмоток, т.е. легче переносят пусковые нагрузки.

Однако у такой схемы есть и недостатки. Прежде всего, ток приходится подавать на вращающийся ротор, для чего традиционно используют щеточный узел. Работая с довольно большими (особенно во время перегрузок) токами, щетки перегреваются и частично «выгорают». Это приводит к плохому их прилеганию к коллектору, к повышению омического сопротивления и к дальнейшему перегреву узла. Кроме того, подвижный контакт неизбежно искрит, а значит, становиться источником радиопомех. И самый основной недостаток низкая степень защиты от внешних воздействий таких как: пыль, грязь, вода, т. к. синхронный генератор охлаждается «протягивая» через себя воздух, соответственно все что находится в воздухе может попадать в генератор.

Если генератор щёточный, чтобы избежать преждевременного износа, рекомендуется время от времени контролировать состояние щеточного узла и при необходимости очищать либо менять щетки. Кстати, после их заменены, желательно дать им время «приработаться» к коллектору, а уж за тем нагружать станцию «по полной программе».

Многие современные синхронные генераторы снабжены безщеточными системами возбуждения тока на катушках ротора (их еще называют brash-less). Они лишены вышеуказанных недостатков связанных с щёточным узлом, а потому предпочтительнее.

• для трёхфазных синхронных генераторов допустимый перекос фаз 33%

• коэффициент нелинейных искажений 13–25% (в зависимости от производителя).

1. Данные для проектирования

Назначение	Двигатель
Номинальный режим работы	Продолжительный
Номинальная отдаваемая мощность Р2, кВт	200
Количество фаз статора m1	3
Способ соединения фаз статора	Звезда
Частота напряжения f, Гц	50
Коэффициент мощности cos φ	0,8
Номинальное линейное напряжение Uл, В	400
Частота вращения n1, об/мин	1000
Способ возбуждения	От спец. обмотки
Степень защиты от внешних воздействий	IP23
Способ охлаждения	IC01
Исполнение по способу монтажа	IM1001
Климатические условия и категория размещения	У2

2. Магнитная цепь машины. Размеры, конфигурация, материалы

2.1 Конфигурация

Принимаем изоляцию класса нагревостойкости F

Количество пар полюсов (9.1)

р=60f/n₁=60∙50/1000=3.

Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора (рисунок 11.1)

х_σ*=0,12 о.е.

Коэффициент мощности нагрузки (11.1)

к_н=

Предварительное значение КПД (рисунок 11.2)

η'=0,93 о.е.

2.2 Главные размеры

Расчетная мощность (1.11)

Р'=к_нР₂/cosφ=1,076∙200/0,8=269 кВт.

Высота оси вращения (таблица 11.1)

h=355 мм.

Допустимое расстояние от корпуса до опорной поверхности (таблица 9.2)

h₁=10 мм.

Наружный диаметр корпуса (1.27)

D_корп=2 (h-h₁)=2 (355–10)=690 мм.

Максимально допустимый наружный диаметр сердечника статора (таблица 9.2)

D_н1max=660 мм.

Выбираемый диаметр сердечника статора (§ 11.3)

D_н1=660 мм.

Внутренний диаметр сердечника статора (§ 11.3)

D₁=43+0,72 D_н1=43+0,72∙660=518,2 мм.

Предварительное значение линейной нагрузки статора (рис. 11.3)

А'₁=425 А/см.

Предварительное значение магнитной индукции в воздушном зазоре и номинальном режиме (рисунок 11.4)

В'_б=0,79 Тл.

Предварительное значение максимальной магнитной индукции в воздушном зазоре машины при х.х. (11.3)

В'_б0=В'_б/к_н=0,79/1,076=0,85 Тл.

Полюсное деление статора (1.5)

мм.

Индуктивное сопротивление машины по продольной оси (рис. 11.5)

х_d*=2,5 о.е.

Индуктивное сопротивление реакции якоря по продольной оси (11.4)

х_ad*=х_d* - х_σ*=2,5–0,12=2,38 о.е.

Коэффициент, учитывающий наличие зазоров в стыке полюса и сердечника ротора или полюсного наконечника и полюса (§ 11.3)

к'=1,05

Расчетная величина воздушного зазора между полюсным наконечником и сердечником статора (11.2)

мм.

Уточненная величина воздушного зазора (§ 11.3)

б=2,0 мм.

Форма зазора эксцентричная по рисунку 11.8

Отношение максимальной величины зазора к минимальной (§ 11.3)

б''/б'=1,5.

Воздушный зазор по оси полюса (11.13)

б'=б/1,125=2/1,125=1,8

Воздушный зазор под краем полюсного наконечника (11.14)

б''=б/0,75=2/0,75=2,7

Коэффициент полюсной дуги действительный (§ 11.3)

α=0,73–3,33∙10 ^-5∙D_н1=0,73–3,33∙10 ^-5∙660=0,7.

Коэффициент полюсной дуги расчетный (рисунок 11.9)

α'=0,66.

2.3 Сердечник статора

Марка стали 2312, изолировка листов лакировка, толщина стали 0,5 мм.

Коэффициент заполнения сердечника статора сталью (§ 9.3)

к_с=0,95.

Коэффициент формы поля возбуждения (рисунок 11.9)

к_в=1,17.

Обмоточный коэффициент (§ 9.3)

к_об1=0,92

Расчетная длина сердечника статора (1.31)

.

2.3.5 Конструктивная длина сердечника статора (§ 11.3)

ℓ₁ = ℓ'₁ =300 мм.

Отношение конструктивной длины к внутреннему диаметру сердечника статора (9.2)

λ=ℓ₁/D₁=300/518,2=0,58.

Проверка по условию λ< λ_max (рисунок 11.10)

λ_max=1,07.

Количество пазов на полюс и фазу (§ 11.3)

q₁=4.

Количество пазов сердечника статора (9.3)

z₁=2рm₁q₁=2∙3∙3∙4=72.

Проверка правильности выбора значения z₁ (11.15)

z₁/gm₁=72/(3∙3)=8 – целое число.

2.4 Сердечник ротора

Марка стали Ст3, толщина листов 1,5 мм, листы без изоляции, коэффициент заполнения стали к_с=0,98.

Длина сердечник ротора (11.20)

ℓ₂=ℓ₁+(10–20)=300+10=310 мм.

2.5 Сердечник полюса и полюсный наконечник

Марка стали Ст3, толщина листов 1,5 мм, листы без изоляции, коэффициент заполнения к_с=0,98.

Длина шихтованного сердечника полюса (11.19)

ℓ_п=ℓ₁+(10–15)= 300+10=310 мм.

Магнитная индукция в основании сердечника полюса (§ 11.3)

В'_п=1,45 Тл.

Предварительное значение магнитного потока (9.14)

Ф'=В'_бD₁∙ℓ'₁10^-6/р=0,79∙518,2∙300∙10^-6/3=40,9∙10^-3 Вб.

Ширина дуги полюсного наконечника (11.25)

b_н.п=ατ=0,7∙271,2=190 мм.

Радиус очертания полюсного наконечника при эксцентричном воздушном зазоре (11.26)

мм.

Ширина полюсного наконечника (11.28)

b'_н.п=2R_н.пsin (0.5b_н.п/R_н.п)= 2∙246∙sin (0,5∙190/246)=185 мм.

Высота полюсного наконечника (§ 11.3)

h'_н.п=15 мм.

Высота полюсного наконечника по оси полюса для машин с эксцентричным зазором (11.29)

h_н.п=h'_н.п+R_н.п – мм

Поправочный коэффициент (11.24)

к_σ=1,25h_н.п+25=1,25∙33+25=66.

Предварительное значение коэффициента магнитного рассеяния полюсов (11.22)

σ'=1+к_σ35б/τ²=1+66∙35∙2/271,2²=1,06.

Ширина сердечника полюса (11.21)

b_п=σ'Ф'∙10⁶/(к_сℓ_пВ'_п)=1,06∙40,9∙10^-3∙10 ⁶/(0,98∙310∙1,45)=98,4 мм.

Высота выступа у основания сердечника (11.32)

h'_п=10,5б'+0,18D₁=10,5∙1,8+0,18∙518,2=112 мм.

Предварительный внутренний диаметр сердечника ротора (11.33)

D'₂=d_в=к_в мм.

Высота спинки ротора (11.34)

h_с2=0,5D₁-б-h'_п-0,5D'₂=0,5∙518,2–2–112–33–0,5∙140=42 мм.

Расчетная высота спинки ротора с учетом прохождения части магнитного потока по валу (11.35)

h'_с2=h_с2+0,5D'₂=42+0,5∙140=112 мм.

Магнитная индукция в спинке ротора (11.36)

В_с2= Тл.

Рисунок 1 – Эскиз ротора

3. Обмотка статора

3.1 Принимаем двухслойную петлевую обмотку с жесткими секциями из провода марки ПЭТВП, укладываемую в прямоугольные полуоткрытые пазы

3.2 Коэффициент распределения (9.9)

к_р1= ;

где α=60/q_1.

3.3 Укорочение шага (§ 9.3)

β'₁=0,8.

3.4 Шаг обмотки (9.11)

у_п1=β₁z₁/(2p)=0,8∙72/(2∙3)=9,6;

Принимаем у_п1=10.

3.5 Укорочение шага обмотки статора по пазам (11.37)

β₁=2ру_п1/z₁=2∙3∙10/72=0,833.

3.6 Коэффициент укорочения (9.12)

к_у1=sin(β₁∙90˚)=sin (0,833∙90)=0,966.

3.7 Обмоточный коэффициент (9.13)

к_об1=к_р1∙к_у1=0,96∙0,966=0,93.

3.8 Предварительное количество витков в обмотке фазы (9.15)

w'₁= .

3.9 Количество параллельных ветвей обмотки статора (§ 9.3)