Специальные синхронные машины

Синхронные машины со сверхпроводящими обмотками возбуждения. Предельная мощность турбогенераторов с внутренним водяным охлаждением обмоток статора и ротора ограничивается 2 млн кВт. Дальнейший рост единичной мощности турбогенераторов возможен при применении сверхпроводящих обмоток возбуждения. Применение сверхпроводящих обмоток возбуждения в генераторах уже освоенных мощностей обеспечивает повышение КПД и снижение массы.

На рис. 4.82 дан поперечный разрез турбогенератора КТГ-1.5 мощностью 1500 кВ-А, 3000 об/мин. Ротор машины 1 представляет собой вращающийся криостате вакуумной изоляцией. Жидкий гелий через узел подачи поступает на периферию бандажа ротора 2, удерживающего катушки возбуждения 3, и проходит через каналы в элементах крепления обмотки ротора. Пары гелия в центральной части делятся на два потока, охлаждающие концевые зоны ротора, экран 4 и токовводы. Газообразный гелий выходит из ротора при температуре, близкой к температуре окружающей среды. Ротор вращается в вакуумированном пространстве внутри оболочки из стеклопластика 5. Вакуум обеспечивается путем применения уплотнений. Сверхпроводящая обмотка.

Рис. 4.82. Криогенный турбогенератор 1500 кВт, 3000 об/мин.

ротора выполнена из ниобий-титановой шинки 3,5×2 мм в медной матрице. Плотность тока в обмотке возбуждения может достигать 100 А/мм². Статор машины 6 шихтованный из электротехнической стали. Обмотка статора 7 выполнена из медных проводников, охлаждаемых водой.

В электрических машинах со сверхпроводящими обмотками возбуждения индукция в зазоре может достигать 1,3— 1,5 Тл, поэтому сердечник статора нецелесообразно выполнять с зубцами. Статор в криогенных электрических машинах делают беззубцовым с шихтованным ферромагнитным экраном, который концентрирует магнитное поле внутри машины. Момент в беспазовых машинах приложен к обмотке, что вызывает необходимость в более тщательном ее креплении. Крепление обмотки статора в пазовой части осуществляется с помощью системы клиньев. Лобовая часть обмотки крепится к бандажным кольцам из стеклопластика, которые устанавливаются на кронштейнах.

Синхронная машина со сверхпроводящими обмотками возбуждения может работать в генераторном и двигательном режимах. Применение криогенных двигателей обеспечивает снижение габаритов и повышение их энергетических показателей. Однако дефицит и стоимость гелия и сверхпроводящих материалов ограничивает применение криогенных машин.

Машины с постоянными магнитами. Одним из преимуществ машин со сверхпроводящими обмотками возбуждения является то, что в них электрические потери в обмотке возбуждения равны нулю. Этим преимуществом обладают и машины с постоянными магнитами, которые называются еще магнитоэлектрическими машинами. Наибольшее распространение получили микродвигатели с постоянными магнитами. В самолетах, тракторах и автомобилях применяются генераторы с постоянными магнитами |9].

Статор 1 двигателей с постоянными магнитами (рис. 4.83) ничем не отличается от статора машин общего назначения. На роторе расположены постоянные магниты 3 и пусковая короткозамкнутая обмотка 2. Постоянные магниты па втулке 4 напрессовываются на вал 5.

Выполнение ротора с постоянными магнитами может быть весьма разнообразным: в виде звездочки, цилиндра, намагниченного в радиальном или аксиальном направлении, и др. В последнее время в качестве движущейся части машины стали применять ферромагнитную резину, когда постоянные магниты вкраплены в резину, которая может иметь различную форму.

Постоянные магниты могут располагаться нс только на роторе, но и на статоре машины. Одна из конструкций синхронного двигателя с расположением постоянных магнитов на статоре 1 с ограниченным перемещением ротора 2, которая используется в моментных двигателях, показана на рис. 4.84.

Магнитоэлектрические машины по сравнению с машинами электромагнитного возбуждения имеют ряд прсиму;

Рис. 4.83. Двигатель с постоянными магнитами ществ: высокую надежность из-за отсутствия вращающихся обмоток, высокий КПД и меньшие нагревы из-за отсутствия потерь на возбуждение и в скользящем контакте, меньшие помехи радиоприему из-за отсутствия контактов.

Рис. 4.84. Моментный двигатель.

Однако эти машины обладают и рядом недостатков: генераторы не допускают обычного способа регулирования напряжения (путем изменения тока возбуждения), они уже при мощности 300—400 Вт при имеющихся на сегодня серийных постоянных магнитах имеют повышенные стоимости, массу и габариты; двигатели с постоянными магнитами имеют плохие пусковые свойства.

Основным недостатком машин с постоянными магнитами является трудность регулирования потока возбуждения. Для регулирования потока возбуждения применяют обычное электромагнитное возбуждение, а также подмагничивание спинки статора.

Конструкция машин с постоянными магнитами определяется магнитными и технологическими свойствами постоянного магнита.

Постоянные магниты характеризуются петлей гистерезиса (рис. 4.85, а). Для оценки качества постоянных магнитов основное значение имеет часть петли во втором квадранте, которая называется кривой размагничивания. Предельная кривая размагничивания В,. (Я,.) соответствует максимально возможному намагничиванию магнита.

Постоянный магнит характеризуется индукцией насыщения B_s, соответствующей ей напряженностью H_s, остаточной индукцией В, и коэрцитивной силой Н_с, а также коэффициентом возврата р и максимумом удельной магнитной энергии Л_тах.

Коэффициент возврата.

Максимум удельной магнитной энергии, Дж/м³ (рис. 4.85, б):

и соответствует индукции В_& и напряженности Я₈.

Рис. 4.85. Основные характеристики постоянных магнитов.

В электромашиностроении применяются сотни марок сталей и сплавов постоянных магнитов, имеющих остаточную индукцию В_г = 0,2-И, 5 Тл и коэрцитивную силу Н_с = = 4000-^400 000 А/м. Свойства постоянных магнитов улучшаются при легировании сплавов микродозами редкоземельных элементов. Самарий-кобальтовые постоянные магниты имеют Н_с = 8000 А/см, В_г ~ 0,8 Тл и удельную энергию (ВН)_тах = (160-^-240) • 10³ Тл-А/м. Применение постоянных магнитов с высокой удельной энергией дает возможность создать высокоиспользуемые электрические машины.

Машины с клювообразным ротором. Как уже подчеркивалось, преобразование энергии в электрических машинах происходит в воздушном зазоре — пространстве, где концентрируется энергия магнитного поля. При этом форма магнитного поля определяет в основном энергетические показатели машины. Наилучшие характеристики в машине можно получить при круговом поле.

При сосредоточенной катушечной обмотке синусоидальное распределение индукции в зазоре можно получить за счет определенного профиля воздушного зазора — его магнитной проводимости. В машинах с клювообразным ротором распределение магнитного поля в воздушном зазоре, близкое к синусоидальному, достигается за счет профиля полюсного наконечника.

Стремление упростить конструкцию и технологию изготовления синхронных машин небольшой мощности массового производства привело к созданию машин с клювообразным (когтеобразным) ротором.

Клювообразные полюсные наконечники позволяют при одной катушке возбуждения, расположенной, но оси машины, превратить аксиальное направление магнитного потока возбуждения в воздушном зазоре в радиально направленные потоки отдельных полюсов и получить многополюсную конструкцию синхронного генератора при относитель;

но небольшом диаметре ротора. Такая конструкция дает значительную экономию меди обмотки возбуждения.

Ротор с клювообразными (когтеобразными) полюсами широко применяется в генераторах, устанавливаемых на автомобилях и трак торах.

Генератор на автомобиле работает параллельно с аккумуляторной батареей, которую он должен подзаряжать, поэтому на выходе такой генератор должен иметь постоянное напряжение. Автотракторный генератор — это вентильный генератор, в котором встроен выпрямительный блок на кремниевых диодах. Обычно применяется трехфазная двухполупериодная схема выпрямления. Выпрямительный блок установлен так, что он интенсивно охлаждается потоком воздуха, охлаждающего генератор.

Другой особенностью автотракторных генераторов, позволившей достигнуть высокой технологичности генератора, является применение статора с малым числом пазов на полюс и фазу (q = ^ < 1).

Обмотки статора выполняются одноили двухслойными. При <7=1 катушка располагается на трех зубцах и в пазу лежит одна сторона катушки, при <7 < 1 — на каждом зубце и в пазу лежат две стороны катушки.

До последнего времени генераторы были трехфазными с соединением фаз в звезду. С увеличением мощности стали переходить на соединение в треугольник и применять на статоре схемы двойная звезда и двойной треугольник. Появились автотракторные генераторы на пять и больше фаз.

На рис. 4.86 представлена конструкция автомобильного генератора Г-250 с клювообразным ротором. Два клювообразных полюсных наконечника 1 образуют 12-полюспую магнитную систему. Полюсные наконечники изготовляются методом холодной штамповки. Обмотка возбуждения 2 помещается на втулке 3. Статор 4 шихтованный с 18 пазами. Обмотка статора 5 трехфазная однослойная с q = 0,5. Корпус 6 (подшипниковые щиты) выполнен из алюминиевого сплава. Трехфазное переменное напряжение преобразуется в постоянное выпрямителем 7, собранным по схеме трехфазного двухполупериодного выпрямителя. Постоянный ток на ротор подается с помощью двух колец 8 и двух щеток 9.

Индукторные синхронные машины. При рассмотрении уравнений электромеханического преобразования энергии было отмечено, что под знаком производной находятся как.

Рис. 4.86. Автомобильный генератор Г-250.

независимые переменные токи, так и коэффициенты перед переменными — параметры L и М. В уравнениях электромеханического преобразования энергии есть члены вида — Z.,.

d ^dt

и —Mi.

dt ‘

В большинстве электрических машин по гармоническим законам изменяются и токи, и параметры. Преобразование энергии происходит, если изменяются токи, а коэффициенты перед переменными — постоянные. Электромеханическое преобразование также возможно, если изменяются L и М, а токи — постоянные. Такие электрические машины называются параметрическими или индукторными машинами.

В индукторных машинах преобразование энергии происходит вследствие изменения взаимной индуктивности между ротором и статором. В индукторной машине все обмотки неподвижны, а изменение магнитного потока, пронизывающего обмотку статора, вызывается перемещением фер;

ромагнитной массы. Ротор в виде звездочки вызывает изменение проводимости зазора под зубцом статора от максимального значения, когда зубец ротора совпадает с зубцом статора, до минимального, когда впадина (паз) ротора совпадает с зубцом статора. Соответственно меняется и индукция в воздушном зазоре от максимального В_5шах до минимального значения В_6тin. Следовательно, индукторной машиной можно называть электрическую машину переменного тока, у которой в режиме холостого хода магнитная индукция в любой точке внутренней поверхности статора изменяется только по амплитуде, не изменяясь по знаку.

На рис. 4.87, а показана схема высокочастотного индукторного генератора. Статор генератора явнополюсный, на полюсных наконечниках 1 имеются пазы и зубцы, в которых располагается обмотка переменного тока 2. Обмотка возбуждения 3 катушечная, в ней протекает постоянный ток. Ротор индукторного генератора 4 массивный с числом зубцов z₂ = где Z — число зубцов на статоре.

При вращении ротора изменяется проводимость воздушного зазора (рис. 4.87, б) и индукция в воздушном зазоре изменяется по трапецеидальному закону (рис. 4.87, в). Можно разложить кривую индукции в гармонический ряд и выделить 1-ю гармонику. В обмотке переменного тока за счет изменения индукции наведется ЭДС, равная.

где.

— амплитуда 1-й гармоники (см. рис. 4.87, в).

Рис. 4.87. Схема индукторного генератора.

Действующее значение ЭДС в обмотке переменного тока.

где z₂ — число зубцов па роторе; z_s — число последовательно соединенных катушек.

Высокочастотные индукторные генераторы выполняются частотой в десятки килогерц и мощностью в сотни киловатт. Такие мощности и высокие частоты требуются для электротермических установок, для питания радиолокационных установок и высокоскоростного электропривода.

В индукторном генераторе магнитный поток пульсирует не только в зубцах, но и в ярме, так как при вращении ротора изменяется магнитное сопротивление для по тока возбуждения. Чтобы уменьшить пульсации потока в магнитопроводе, индукторные машины выполняют с двумя статорами 1 (рис. 4.88) и двумя магнитоироводами ротора 2, смещенными относительно друг друга таким образом, что общее магнитное сопротивление машины при вращении ротора практически не изменяется, а поток пульсирует только в зубцовых зонах. В индукторном генераторе с аксиальным возбуждением обмотка возбуждения 3 создает поток, замыкающийся в аксиальном направлении, а в зубцовой зоне — в радиальном. Обмотка переменного тока расположена в пазах 4. Па индукторе имеются зубцы 5, создающие пульсации индукции в зазоре машины.

Бесконтактные индукторные машины применяются в высокочастотных автономных энергетических системах и изготовляются на высокие частоты вращения. Индукторные генераторы используются в качестве возбудителей крупных турбогенераторов. Трехфазный высокочастотный возбудитель турбогенератора мощностью 2700 кВ А, соединенный с валом турбогенератора и работающий па выпрямители, показан на рис. 4.80.

Рис. 4.88. Двухпакетный индукторный генератор.

Как и все электрические машины, индукторные машины обратимы. В двигательном режиме они применяются в качестве тихоходных высокочастотных и шаговых двигателей.

Синхронная частота вращения индукторных двигателей зависит от частоты сети и числа зубцов ротора г₂:

Выполняя на роторе большое число зубцов, при/= 50 Гц и z₂ = 50, например, частоту вращения получаем 1 об/с, или 60 об/мин. При больших диаметрах ротора и мелких зубцах можно получить частоту вращения до одного оборота в сутки.

Индукторные двигатели выполняют двух-, трехи однофазными. На обмотку возбуждения подается выпрямленное напряжение или используется схема на рис. 4.81. В индукторных двигателях применяются и постоянные магниты.

В однофазных индукторных двигателях применяются все способы пуска, рассмотренные для обычных однофазных синхронных двигателей.

Индукторные синхронные двигатели серий ДСР и ОРД выпускаются мощностью до сотен ватт и частотой вращения 1,2 и 60 об/мин в трехи однофазном исполнении [2,16].

Шаговые двигатели. Шаговые, или импульсные, двигатели питаются импульсами электрической энергии, а ротор в зависимости от полярности импульсов перемещается по часовой стрелке или против часовой стрелки на определенный угол — шаг. Шаговые двигатели обычно маломощные индикаторные. Основная задача их — отрабатывать электрические импульсы, преобразуя электрические сигналы в угловые перемещения.

Для управления шаговыми двигателями используются коммутаторы на полупроводниковых элементах, формирующие импульсы, которые подаются на фазы обмотки шагового двигателя. Число фаз выбирается равным четырем или шести. Шаг двигателя может быть от 180 до Г. В специальных установках шаг может быть несколько минут.

Шаговые двигатели могут быть выполнены на основе конструкции любых синхронных двигателей. Так как основным требованием к шаговым двигателям являются точность отработки сигналов и высокая частота импульсов, предпочтительны конструкции шагового двигателя, выполненного на базе реактивных и индукторных синхронных машин.

Шаговые двигатели характеризуются предельной частотой импульсов, которые двигатель обрабатывает без пропуска шага. Пусковые свойства шаговых двигателей характеризуются частотой приемистости — максимальной частотой импульсов, при которой возможен пуск без потери шагов. В зависимости от типа шагового двигателя и нагрузки частота приемистости колеблется от 10 до 104 Гц.

Математическое описание процессов преобразования энергии при импульсном питании осуществляется по уравнениям электромеханического преобразования энергии и их видоизменениям, когда форма напряжения — импульсная [7].

Гистерезисные двигатели. Недостатком синхронных двигателей являются их плохие пусковые свойства.

Гистерезисные двигатели сочетают в себе положительные качества асинхронных двигателей (хорошие пусковые характеристики) и синхронных двигателей — высокие энергетические показатели в установившемся режиме.

Сочетание положительных качеств синхронных и асинхронных машин достигается в гистерезисных двигателях за счет применения специальных магнитных материалов, из которых выполняется ротор двигателя. Стали типа викаллой и альни ведут себя при высоких частотах как магнитомягкис, а при подходе ротора к синхронной частоте вращения, когда частота снижается, — как магнитотвердые. Поэтому при пуске потери в стали ротора небольшие и за счет вихревых токов двигатель развивает асинхронный момент. При низких частотах в роторе образуются области намагничивания и ротор втягивается в синхронизм.

Недостатком гистерезисных двигателей является то, что при нагрузках, близких к номинальным, эти области намагничивания могут «плавать», перемещаться по ротору. При этом машина выпадает из синхронизма.

Рис. 4.89. Ротор гистерезисного двигателя.

Гистерезисные двигатели выполняются на мощности до десятков ватт. Конструкция статора обычная. Ротор выполняется в виде диска или цилиндра, состоящего из втулки 1, изготовленной из магнитомягкого материала, и магнитопровода 2, изготовленного из викаллоя или другого магнитного материала, обладающего свойствами, сходными с викаллоем (рис. 4.89).

Синхронные микродвигатели выполняются с катящимся и волновым ротором. Синхронные двигатели могут быть линейными, с сегментным статором, двухмерными и многомерными. Несмотря на обилие их конструктивного выполнения, появляются новые машины. Однако в основе их работы лежат законы электромеханического преобразования энергии.

Синхронная машина двойного питания. Если в асинхронной машине с фазным ротором обмотку статора и ротора подключить к сети таким образом, чтобы поля статора и ротора вращались в противоположные стороны, то можно получить частоту вращения выше синхронной частоты вращения. Неподвижность полей статора и ротора — непреложное условие, при котором происходит электромеханическое преобразование энергии, будет тогда, когда ротор будет вращаться в сторону вращения поля статора с двойной частотой.

Недостатком машины двойного питания является то, что необходимо при пуске довести угловую скорость ротора до угловой скорости, равной 2со_с, а затем включить напряжение на ротор, т. е. синхронизировать машину. Если подключить ротор к преобразователю частоты, который дает возможность регулировать частоту выходного напряжения, то можно получить регулирование частоты вращения вниз и вверх от синхронной частоты вращения.

Машина двойного питания, хотя и имеет конструкцию асинхронной машины, работает как синхронная. Для нес могут быть построены векторная диаграмма и схема замещения.

Асинхронизированная синхронная машина. При выпадении синхронной машины из синхронизма она переходит в асинхронный режим и частота в роторе/2 = fS. Если подключить ротор к преобразователю частоты и выполнить обмотку возбуждения по продольной и поперечной осям, можно удержать машину в синхронном режиме, питая двухфазным напряжением обмотки возбуждения от преобразователя частоты. Чем меньше скольжение (отклонение от синхронной частоты вращения), тем меньше мощность преобразователя частоты.

Асинхронизированная синхронная машина сохраняет устойчивость в аварийных режимах и может рабо тать в синхронном и асинхронном режимах.

Важным применением асинхронизированной синхронной машины является ее использование в качестве электро;

Рис. 4.90. Электромеханическая вставка.

механической вставки для связи двух энергосистем, незначительно отличающихся по частоте (J * /').

Принципиальная схема электромеханической вставки показана на рис. 4.90. Синхронная машина СМ присоединена к сети с частотой/], а асинхронизированная синхронная машина ACM — к сети с частотой /₂. Валы синхронной и асинхронизированной машин жестко соединены муфтой, и частота вращения у них одинаковая. Преобразователь частоты ПЧ обеспечивает возбуждение асинхронизированной синхронной машины. При передаче энергии из сети/] в сеть /₂ синхронная машина работает в двигательном режиме, а асинхронизированная — в генераторном. При передаче энергии из сети /₂ в сеть / асинхронизированная синхронная машина работает в режиме двигателя, а синхронная — в режиме генератора. Направления мощности па рис. 4.90 показаны стрелками.

Электромеханические вставки улучшают форму кривой напряжения, сглаживают броски токов в переходных режимах. Электромеханические вставки необходимы и при питании ответственных потребителей, когда необходимо отстроиться от высших гармоник, имеющихся в сетях при использовании мощных тиристорных преобразователей и других нелинейных нагрузок.

Представляет интерес применение активных электромеханических вставок, когда синхронная и асинхронизированная машины соединены с валом паровой или гидравлической турбины. В этом случае обе машины могут работать в генераторном режиме или в режиме передачи энергии из одной сети в другую, что повышает устойчивость энергосистемы.