Что такое ротор генератора и как он работает. Какую роль играет ротор в производстве электроэнергии. Как устроен ротор и из каких частей состоит. Какие бывают виды роторов в генераторах. Как проводятся испытания роторов.
Ротор генератора: основные понятия и принцип действия
Ротор является ключевым компонентом электрического генератора, отвечающим за создание вращающегося магнитного поля. Это вращающаяся часть генератора, которая приводится в движение внешним источником механической энергии.
Принцип работы ротора основан на законе электромагнитной индукции. При вращении ротора его магнитное поле пересекает обмотки неподвижного статора, индуцируя в них электрический ток. Таким образом, механическая энергия вращения преобразуется в электрическую энергию.
Из каких частей состоит ротор генератора?
Основными элементами конструкции ротора являются:
- Вал — центральная ось, на которой закреплены все остальные части
- Сердечник — магнитопровод из электротехнической стали
- Обмотка возбуждения — создает магнитное поле ротора
- Контактные кольца — для подачи тока в обмотку возбуждения
- Вентиляторы — обеспечивают охлаждение
Виды роторов в генераторах: особенности конструкции
В зависимости от типа генератора и его назначения применяются различные конструкции роторов:
Явнополюсный ротор
Используется в гидрогенераторах и синхронных двигателях. Имеет выступающие полюса с обмоткой возбуждения. Обеспечивает высокий КПД при низких скоростях вращения.
Неявнополюсный ротор
Применяется в турбогенераторах. Имеет гладкую цилиндрическую поверхность. Позволяет достичь высоких скоростей вращения до 3000 об/мин.
Ротор с постоянными магнитами
Используется в ветрогенераторах и малых гидроэлектростанциях. Не требует дополнительного питания обмотки возбуждения.
Значение ротора в работе электрического генератора
Ротор выполняет несколько важных функций в генераторе:
- Создает вращающееся магнитное поле, необходимое для индукции тока в статоре
- Преобразует механическую энергию вращения в электромагнитную энергию
- Обеспечивает регулирование выходного напряжения генератора
- Участвует в синхронизации работы генератора с энергосистемой
Без ротора генерация электроэнергии была бы невозможна. Поэтому надежность и эффективность ротора напрямую влияют на работоспособность всего генератора.
Особенности конструкции ротора внешнего типа
Ротор внешнего типа имеет ряд конструктивных отличий от традиционного внутреннего ротора:
- Статор располагается внутри, а ротор вращается снаружи
- Магнитная система ротора выполнена в виде цилиндрической «бочки»
- Постоянные магниты крепятся на внутренней поверхности ротора
- Воздушный зазор между статором и ротором имеет радиальное направление
Такая конструкция обеспечивает ряд преимуществ, особенно для ветрогенераторов с прямым приводом:
- Большой диаметр ротора позволяет увеличить крутящий момент
- Улучшается охлаждение обмоток статора
- Упрощается монтаж и обслуживание генератора
Испытания ротора генератора: виды и методики
Для проверки технического состояния ротора проводится комплекс испытаний:
Измерение сопротивления изоляции
Выполняется с помощью мегомметра. Позволяет оценить качество изоляции обмотки ротора. Нормативное значение — не менее 1 МОм.
Определение коэффициента абсорбции
Рассчитывается как отношение сопротивлений изоляции через 60 и 15 секунд после начала измерения. Характеризует увлажненность изоляции.
Измерение сопротивления обмотки постоянному току
Проводится методом вольтметра-амперметра. Позволяет выявить межвитковые замыкания, обрывы и нарушения контактов.
Испытание на виброустойчивость
Проверяется уровень вибрации ротора при различных режимах работы. Повышенная вибрация может привести к разрушению конструкции.
Обслуживание и ремонт роторов генераторов
Для обеспечения надежной работы ротора необходимо регулярное техническое обслуживание:
- Визуальный осмотр состояния изоляции и крепежных элементов
- Проверка состояния контактных колец и щеточного аппарата
- Измерение сопротивления изоляции обмотки возбуждения
- Контроль уровня вибрации и температуры подшипников
- Очистка вентиляционных каналов от загрязнений
При обнаружении дефектов проводится ремонт ротора, который может включать:
- Замену поврежденной изоляции обмотки возбуждения
- Устранение межвитковых замыканий
- Замену изношенных контактных колец
- Балансировку ротора для снижения вибрации
- Восстановление посадочных поверхностей вала
Перспективы развития конструкции роторов
Современные тенденции в разработке роторов генераторов направлены на повышение эффективности и надежности:
- Применение высокотемпературных сверхпроводников в обмотках возбуждения
- Использование композитных материалов для снижения веса и момента инерции
- Внедрение новых магнитных материалов с улучшенными характеристиками
- Оптимизация геометрии магнитной системы методами компьютерного моделирования
- Разработка активных систем магнитной подвески ротора
Эти инновации позволят создавать более мощные и компактные генераторы для различных областей энергетики.
ИСПЫТАНИЯ РОТОРА ГЕНЕРАТОРА — Sidewinders LLC
Прежде чем мы поговорим об испытании ротора генератора, давайте убедимся, что мы все согласны с тем, что делает ротор. Во-первых, давайте начнем с быстрого обсуждения терминологии. Некоторые OEM-производители, такие как GE, называют вращающуюся часть генератора полем. Другие, такие как Siemens, называют его ротором. Оба правильны, но оба имеют свои ограничения. «Ротор» удобен тем, что говорит нам о том, что это вращающийся компонент. «Поле» говорит нам, что это электромагнит постоянного тока с кратным количеством двух полюсов. «Ротор» и «поле» путаются, когда мы говорим о бесщеточном возбудителе, в котором поле (часть постоянного тока) стационарно, а якорь (часть переменного тока) является ротором. Правильный термин с точки зрения электротехники — «поле», тогда как термин «якорь» всегда относится к компоненту переменного тока, независимо от того, является ли он неподвижным или вращающимся. Ротор передает свой крутящий момент статору посредством блокировки или синхронизации вращения своего магнитного поля с вращением статора.
В агрегате на 60 Гц магнитное поле ротора совершает 60 оборотов в секунду, магнитное поле статора также совершает 60 оборотов в секунду. Если выключатель генератора разомкнут и возбуждение включено, генератор будет производить полное номинальное напряжение и нулевой ток.
При разомкнутом выключателе или если блок находится в небольшой островной сети, где он является основным или единственным генератором (изохронный режим), повышение возбуждения приведет к немедленному повышению напряжения в сети.
В отличие от статора, где практически все обмотки скрыты под множеством слоев слюдяной и эпоксидной изоляции, обмотки ротора открыты для окружающей среды и имеют минимальную изоляцию.
По этой причине роторы особенно уязвимы к замыканиям на землю и межвитковым замыканиям («закороченным виткам»).
Как и при любом тестировании генераторов, цели достаточно ясны:
- Проверить, что все изоляторы должным образом изолируют;
- Убедитесь, что все проводники работают правильно
Не более того! В конце концов, мы говорим о меди, стали и изоляции.
Существует множество тестов, которые OEM-производители требуют для роторов во время устранения неполадок или перемотки, но наиболее распространенными являются следующие тесты технического обслуживания:
- Испытание на сопротивление изоляции и поляризацию («Megger & P.I.»)
- Испытание на сопротивление постоянному току
- Испытание на сопротивление переменному току
- Тест RSO
Sidewinders следует требованиям IEEE 56 — §8.2 и руководствам OEM при выполнении и оценке этих тестов.
Ниже приведены краткие сведения о каждом из вышеперечисленных тестов и о том, как Sidewinders оценивает данные.
Проверка сопротивления изоляции и поляризации
Наиболее часто называемая «мегомметром и PI», эта проверка представляет собой очень короткий, простой и безопасный тест, который дает нам много информации о системе изоляции в относительно короткий промежуток времени. «Мегомметровая» часть испытания состоит в подаче постоянного напряжения на испытуемую обмотку. Для большинства статоров 13 800 и более большинство OEM-производителей требуют выдержки 5000 в течение 10 минут. Для обмоток ротора стандартным напряжением является 500 В постоянного тока.
При объяснении электрических концепций полезно провести аналогию с водопроводной системой, понятной каждому. Обычный садовый шланг с нулевым давлением и клапаном, закрытым на другом конце, набухнет при первом включении воды, и вы можете услышать и почувствовать, как вода устремляется в шланг, хотя с другого конца ничего не выходит. из-за закрытия клапана. Сравнивая напряжение с давлением, электрическая обмотка имеет аналогичный зарядный ток, когда мы впервые прикладываем напряжение мегомметра.
Индекс поляризации (PI) рассчитывается как отношение 10-минутного сопротивления к 1-минутному сопротивлению.
На статорах вы хотите увидеть улучшение как минимум на 100 % за десятиминутный период или PI = 2,0 или выше. Для роторов из-за открытой системы изоляции ожидается более низкий PI, хотя нам нравится видеть 2,0 или выше, гораздо чаще можно увидеть PI в диапазоне 1,2–1,5. Эти показания приемлемы до тех пор, пока фактическое значение мОм достаточно велико. Sidewinders имеет дополнительные критерии OEM для интерпретации низких значений PI.
Тест сопротивления постоянному току
Этот тест очень прост. С помощью цифрового омметра низкого сопротивления (ДЛРО) подаем ток силой 10 ампер через цепь обмотки ротора и измеряем падение напряжения. Прибор берет эти данные и, используя закон Ома, рассчитывает сопротивление. Из-за термических свойств меди сопротивление сильно зависит от температуры, поэтому недостаточно просто записать значение сопротивления — необходимо также записать температуру обмотки. Сегодня вы можете тестировать устройство на открытом воздухе при температуре 75 градусов по Фаренгейту и получить определенное тестовое значение, а следующий человек может протестировать устройство в середине января и получить гораздо более низкое значение.
Sidewinders всегда преобразовывает фактическое сопротивление в то, которое было бы, если бы оно было измерено при температуре 25 ° C. Эта стандартизация позволяет сравнивать все данные испытаний «яблоки с яблоками».
Этот тест важен, поскольку он позволяет нам увидеть, есть ли какие-либо изменения в сопротивлении со временем, по сравнению с предыдущим тестом или с даты изготовления. Сопротивление обмотки редко снижается — если что-то идет не так, оно обычно растет. Сопротивление возрастает, когда паяные соединения начинают выходить из строя или когда изнашиваются посеребренные поверхности. В случаях, когда сопротивление падает, мы можем заподозрить короткое замыкание витков.
Испытание полного сопротивления переменному току
Испытание полного сопротивления переменному току используется для обнаружения признаков короткозамкнутых витков ротора. Тест выполняется путем приложения переменного напряжения к обмотке возбуждения и повышения его с шагом 10 вольт до 100-120 вольт или до достижения максимального тока.
Измеряем ток на каждом шаге. Используя закон Ома, мы вычисляем импеданс Z=V/I, где Z — величина комплексного импеданса (Z=R + jwL), резистивная и индуктивная составляющие), V = приложенное напряжение и I = результирующий ток.
По мере повышения напряжения разность напряжений на каждом витке обмотки также увеличивается. При низких напряжениях мы часто не видим межвиткового замыкания до тех пор, пока напряжение не поднимется до точки, когда рубашка начинает проводить. В этой точке перехода мы увидим скачкообразное изменение импеданса. Мы увидим ступеньку на графике.
Другой способ анализа данных состоит в том, чтобы увеличивать их с шагом в 10 вольт, а затем уменьшать с шагом в 10 вольт. Обычно данные показывают некоторый гистерезис, что является нормальным и ожидаемым. Важной частью является то, что данные начинаются и заканчиваются в одной и той же точке. Замкнутый путь — это хорошо: путь, который начинается и заканчивается в двух разных точках, наводит на мысль о коротких поворотах.
Из-за гистерезиса важно, чтобы при повышении напряжения между шагами мы не возвращались назад, если превышаем тестовое значение. Другими словами, если мы пытаемся набрать 20 вольт, но выходим за рамки 21,05 вольта, мы не идем назад и пытаемся настроить ровно 20 вольт. Гистерезис приведет к протеканию тока, отличного от того, если бы мы не откатились назад!
В случаях, когда есть подозрение на короткое замыкание, мы обычно вызываем тест RSO, чтобы подтвердить это. Философия Sidewinder заключается в том, чтобы не отдавать устройство на перемотку без проведения дополнительных испытаний для подтверждения неисправности. Вот где тест RSO пригодится!
Тест RSO
RSO означает рекуррентную осциллографию импульсов. RSO — это низковольтный тест, при котором последовательность высокочастотных (РЧ) импульсов подается на один конец ротора и определяется форма волны энергии, выходящей с другого конца. Он похож на концепцию RADAR тем, что использует концепцию времени пролета для обнаружения электрических препятствий, таких как закороченные витки внутри обмотки.
Тест поочередно подает энергию в одном направлении и измеряет энергию с другой стороны, затем меняет направление. Это обеспечивает две осциллограммы. В идеальной обмотке ротора без короткозамкнутых витков две формы волны могут идеально накладываться друг на друга. Если они не могут быть идеально согласованы, это указывает на закороченные витки. Мы используем «математическую» функцию на осциллографе, чтобы вычесть канал 1 из канала 2, чтобы получить «разностную» кривую. Если трассы на каналах 1 и 2 идентичны, то Ch2 – Ch3 будут равны нулю.
При построении разностной трассы будет показана плоская линия в идеальном блоке и будет показана плоская линия с «меткой» в блоке с шортами.
RSO сам по себе может подтвердить закороченные витки, но не говорит нам, ГДЕ находится короткое замыкание. Это просто тест «проходи-не-проходи». Единственным верным тестом на закороченные витки, который говорит нам, какая катушка имеет короткое замыкание и сколько, является датчик потока.
Мы обсудим достоинства датчика потока в следующем выпуске этого блога.
Фигура. 1 представляет собой вид сверху генератора с внешним ротором. Статор называется внутренним статором внутри двигателя, а ротор находится снаружи двигателя, который называется внешним ротором.
Внутренняя окружность внешнего ротора снабжена полюсами постоянных магнитов. И направление магнитного потока, как показано. Когда ротор вращается, обмотка отсекает магнитное поле, создавая потенциал.
А обмотки распределяются по закону трехфазного распределения (рис. 3 справа).
4).
На рис. 6 структура показана с двух сторон. Втулка внешнего ротора не только фиксирует внешний ротор, но и устанавливает весь ветродвигатель и подвергается большой нагрузке. Так он крепится на главном валу генератора через два больших подшипника.
Торцевой фланец гондолы генератора крепится к фланцу рамы (рис. 8).
