Исходные данные для проектирования

В качестве базовых вариантов конструкции предлагается использовать серийно выпускаемые генераторы серии СГ2 или СГД2.

Конструктивное исполнение генератора СГ2 по способу монтажа – IM1001 (генератор на лапах с двумя подшипниковыми щитами и горизонтальным валом, конец вала – цилиндрический), степень защиты генератора – IP23 (защищённая), способ охлаждения – ICA01 (с самовентиляцией).

Конструктивное исполнение генератора СГД2 по способу монтажа – IM7311 (генератор со стояковыми подшипниками на приподнятых лапах, с горизонтальным валом, конец вала – цилиндрический), степень защиты – IP11 (защищённая), способ охлаждения – ICA01 (с самовентиляцией). Частота тока – 50 Гц, cosφ = 0,8 (отстающий ток), режим работы – продолжительный, соединение трёхфазной обмотки в звезду.

Основные исходные данные (номинальные параметры): номинальная мощность , линейное напряжение и частота вращения задаются преподавателем.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Выбор главных размеров активной части генератора

Проектирование синхронного генератора, как и любой другой электрической машины, начинают с выбора главных размеров: внутреннего диаметра статора D и расчетной длины l_δ. Как указывалось, эта задача не имеет однозначного решения, поэтому для нахождения оптимальных значений D и l_δ приходится рассчитывать ряд вариантов, для сокращения числа которых целесообразно воспользоваться рекомендациями, полученными на основе накопленного опыта проектирования.

Для предварительного определения диаметра D можно воспользоваться зависимостями D=f(S'_H), рис.1.1, соответствующими усредненным диаметрам выполненных машин.

Расчетная электромагнитная мощность , кВ×А,

,

где k_Е – отношение ЭДС обмотки якоря при номинальной нагрузке Е_н к номинальному напряжению U_н, предварительно принимают k_E≈1,08; Р_н – номинальная мощность, кВт; cosφ_н – номинальный коэффициент мощности.

Рис. 1.1

Число пар полюсов р и полюсное деление τ, м, равны соответственно

Предварительное значение внешнего диаметра статора D_a , м,

D_a=k_ДD.

Значения k_Д в зависимости от 2р приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Полученное значение D_a округляют до ближайшего нормализованного диаметра (табл. 1.2). От выбранного диаметра D_a зависят габариты и высота оси вращения h проектируемой машины.

В случае корректировки D_a следует произвести пересчёт диаметра D и полюсного деления τ:

D = D_a/k_Д ;

,

в этом случае для k_Д берут среднее значение при данном 2р.

Расчетная длина l_δ машины, м,

где α_δ – расчетный коэффициент полюсного перекрытия (определяется по рис. 1.2); k_B – коэффициент формы поля (рис. 1.2);

k_об1 – обмоточный коэффициент обмотки статора; А – линейная нагрузка статора, А/м; В_δн – максимальное значение индукции в воздушном зазоре при номинальной нагрузке, Тл.

Рис. 1.2

Так как и k_B зависят от размеров и конфигурации полюсного наконечника, а также воздушного зазора δ и полюсного деления τ и пока неизвестны, то предварительно можно принять α_δ=

= 0,65–0,68; k_B= 1,16–1,14, а их произведение ·k_B= 0,75–0,78 (эти значения соответствуют = 0,68–0,72 при δ_м/δ =1,5 и δ/τ ≈ ≈0,01).

Обмоточный коэффициент k_об1 предварительно принимают равным 0,92.

Линейную нагрузку А и индукцию В_δн при U_н = 380–6600 В выбирают по рис. 1.3 и 1.4. При U_н = 10000 В величину В_δн можно также выбирать по рис. 1.4, а линейную нагрузку А следует снизить на 10–15 %, так как из-за более толстой пазовой изоляции ухудшается охлаждение обмотки якоря.

Рис 1.3

Выбранные значения А и В_δн являются предварительными и в дальнейшем при необходимости их можно изменять. При этом следует иметь в виду, что чем больше произведение А·В_δн , тем меньший активный объем D²l_δ будет иметь проектируемая машина. Однако каждая машина имеет свои верхние пределы А и В_δн.

Рис. 1.4

Приведенные на рис. 1.3 верхние значения А соответствуют серийным машинам защищенного исполнения с косвенным воздушным охлаждением, с изоляцией класса нагревостойкости В. Верхний предел индукции В_δн ограничен насыщением магнитной цепи, в основном – насыщением зубцового слоя. Кроме того, с увеличением отношения А/В_δн возрастают индуктивные сопротивления машины.

Определив расчетную длину l_δ , находят отношение

,

причем чем длиннее машина (больше λ), тем хуже условия её охлаждения, а чем короче, тем больше доля лобовых частей в длине витка обмотки и тем больше потери в обмотке. Значения λ для современных машин указаны на рис. 1.5.

Рис. 1.5

Для улучшения охлаждения сталь статора обычно разбивают на несколько пакетов длиной l_пак ≈ 4–5 см, между которыми делают радиальные вентиляционные каналы шириной b_к = 10 мм (рис. 1.6).

Рис. 1.6

При наличии вентиляционных каналов истинная длина статора будет больше расчетной и предварительно может быть принята

Длину всех пакетов чаще всего берут одинаковой. Число вентиляционных каналов в этом случае

причем n_K округляют до целого числа.

После округления n_K уточняют длину пакета

и округляют ее до одного миллиметра.

Суммарная длина пакетов сердечника

Проекции синхронного генератора приведены на рис. 1.7.

Рис. 1.7

Синхронная машина имеет радиальную систему вентиляции, обеспечиваемую вентиляционным действием полюсов ротора и вентиляционными лопатками, направляющими часть воздушного потока на лобовые части обмотки статора (рис. 1.8). Охлаждающий воздух в машинах защищённого исполнения входит через вентиляционные окна в подшипниковых щитах (рис. 1.8, а), проходит вдоль лобовых частей обмотки статора, через междуполюсное пространство ротора (охлаждая обмотку возбуждения), радиальные вентиляционные каналы статора и выходит через боковые жалюзи. Схема вентиляции машины закрытого исполнения с установленным в верхней части теплообменником показана на рис. 1.8, б.

Рис. 1.8. Схема вентиляции синхронных машин

2. Выбор типа обмотки и расчёт зубцовой зоны статора

Для статоров синхронных машин общего назначения мощностью от сотен до нескольких тысяч киловатт применяют двухслойные катушечные петлевые обмотки с числом эффективных проводников в пазу u_п более двух. По условиям технологии каждый эффективный проводник может состоять из одного или нескольких элементарных прямоугольных проводников с сечением 12–20 мм². Ток в таком составном проводнике допускается от 50 до 150, реже до 250 А. Если номинальный фазный ток машины I_нф превышает указанные пределы, то обмотку выполняют с несколькими параллельными ветвями a₁.

Номинальный фазный ток I_нф обмотки статора при рекомендуемом соединении ее в звезду равен линейному току:

Тогда число параллельных ветвей

Причём число a₁ должно быть целым и кратным 2р. В дальнейшем a₁ нужно увязать с выбранным числом пазов статора Z₁.

При необходимости ток в составном проводнике можно принимать больше 250 А. В этом случае произведение этого тока на число проводников в пазу u_п не должно превышать 3000 А.

Рис. 2.1

Число пазов Z₁ существенно влияет на технико-экономические показатели проектируемой машины, поэтому оптимальное число Z₁ можно выбрать только после расчета и сравнения между собой ряда вариантов.

Зубцовое деление статора

Определив из рис. 2.1 при полученном ранее значении τ максимальное и минимальное значения t₁ , находят соответствующие им числа пазов (зубцов) машины:

Из диапазона Z_lmax – Z_lmin выбирают такое целое число Z, при котором выполняются следующие требования:

2.1. Z_l должно быть кратным числу фаз m и числу параллельных ветвей a₁, т.е. – целое число.

2.2. Число пазов на полюс и фазу должно быть целым или дробным вида q₁=b+c/d (b – целое число, а c/d – правильная несократимая дробь, причем d не кратно m и меньше p). При 2р < 8 чаще всего выбирают целое число q₁ = 3(2) – 5 (большие значения для машин с меньшим числом полюсов). При 2р > 8 и малом τ можно выбирать обмотки с дробным q₁ ( ).

2.3. При целом q₁ отношение 2р/a₁ должно быть целым. При дробном q₁ должно быть целым числом отношение .

2.4. Для удобства сегментировки статора при D_a>0,99 м желательно, чтобы величина Z_l разлагалась на возможно большее число простых множителей (2, 3, 5).

2.5. Для машин с D_а > 3,25 м число пазов должно быть кратным числу разъемов статора, выполняемых для возможной транспортировки по железной дороге.

Из диапазона Z_lmax – Z_lmin выбирают такое Z_l , которое наиболее полно удовлетворяет указанным требованиям. Затем определяют и число эффективных проводников в пазу

которое округляют до ближайшего чётного числа.

По найденному значению u_п уточняют линейную нагрузку

.

Число пазов Z_l следует принять таким, при котором уточненное значение А отличается от выбранного в начале расчета более, чем на 10 %. Полученные таким образом значения Z₁, u_п, a₁ , q₁ и А для машин с D_а ≤ 0,99 м являются окончательными. В случае D_a > 0,99 м число пазов устанавливают после выполнения сегментировки статора.