Электрические контакты генераторов
Стержни обмотки вращающегося ротора при внезапном нагружении полным током и повышении их температуры не могут свободно удлиняться в пазах ротора, этому препятствуют силы трения из-за центробежных усилий, возникающих при вращении ротора. Тепловое удлинение медных стержней переходит в деформацию сжатия. Если при этом будет превзойден предел текучести меди, деформация окажется необратимой. После остановки генератора и остывания обмотки ротора стержни укоротятся, их сечение окажется увеличенным.
Многократные пуски и остановы генератора приводят к значительному укорочению стержней ( что нужно учитывать при выборе электрооборудования), увеличению их сечения и могут вызвать повреждение изоляции. В генераторах с непосредственным охлаждением ротора деформация стержней вызывает сужение проходного сечения вентиляционных каналов, в результате возможны местные перегревы обмотки ротора.
Расчеты
Проведем соответствующие расчеты для определения механических напряжений сжатия. Центробежная сила, прижимающая к пазовому клину проводник обмотки длиной l м, сечением q м2, при плотности меди =9 г/см3 (или 9 кг/м3), радиусе ротора R и частоте вращения n =3000 об/мин:
Fц = mω2R = γlqR(2πn/60)2 =9∙103∙lqR(2π3000/60)2=9∙108∙lqR [H] .
Если принять, что стержень обмотки совершенно не удлиняется из-за возникающего трения, то механическое напряжение сжатия при нагревании стержня в любом его сечении σсж макс =μ Fц / q , где μ - коэффициент трения (для рассматриваемых условий может быть принят равным 0,5).
Таким образом, если диаметр ротора равен 1,1 м и наибольший радиус витка 0,55 м, то максимальное напряжение сжатия в сечении крайнего стержня и электрического контакта при выходе его из паза, т.е. на расстоянии l м от края лобовой дуги может составить: σ сж макс = 9∙108∙ 0,5∙ 0,55∙ 1∙10-6 = 247 МПа.
Таким образом, приближенный расчет показывает, что необратимые деформации вполне вероятны.
Действительное напряжение сжатия будет меньше, т.к. паз при нагреве также удлиняется, и напряжение определяется фактической разностью температур меди и стали, отставанием во времени повышения температуры стали.
Формулы
Разность удлинений меди и стали ротора при их свободном расширении при нагревании:
Δl =Δl м- Δl ст = εм l (θм-θ0) –ε стl (θст-θ0),
где εм, εст –линейные коэффициенты теплового расширения меди и стали, θм, θст, θ0 – температуры меди, стали и окружающей среды.
Запишем выражение в виде
Δ l =l [ εм θм –ε ст θ ст- θ0( εм –εст)].
Напряжение сжатия в меди при невозможности свободного растяжения
σм = (Δl / l)∙ Е = Е [ εм θ м-εст θст-(εм-εст) θ0].
Подставляем в формулу модуль упругости меди Е=105 МПа,
εм=17∙10-6 1/ град, ε ст =12∙10-6 1/град, получим σм= 1,7θм- 1,2θст- 0,5θ0.
В установившемся режиме при θ0=20°, θст= 60° для различных температур меди получим следующие значения напряжений сжатия в меди обмотки ротора.