Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины т 2

Подождите немного. Документ загружается.

Дальнейшее снижение перепада температуры от обмотки к охлаж-

дающей среде при постоянной мощности или повышение мощности

при сохранении прежнего превышения температуры оказывается воз-

можным только при применении непосредственного охлаждения.

Даже при избыточном давлении 0,05æ10

Па превышение температу-

ры обмотки благодаря исключению перепада температуры в изоля-

ции составляет примерно 50 % перепада при косвенном охлаждении.

При избыточном давлении 2æ 10

Па этот перепад составляет пример-

но 20 % перепада при косвенном охлаждении. Если сохранить преж-

нее превышение температуры, то мощность турбогенератора может

быть увеличена в 2,4 раза, т.е. доведена до 500 МВт.

Еще большей, чем у водорода, способностью к теплоудалению об-

ладают жидкости (вода, трансформаторное масло). При одинаковых пе-

репадах температуры и при практически приемлемых скоростях дви-

жения охлаждающих сред в каналах масло способно унести в 5,5 раза,

а вода в 41,7 раза больше тепла, чем водород при избыточном давлении

2æ10

Па. Жидкостное охлаждение обмотки статора позволяет умень-

шить сечение каналов для охлаждающей среды, повысить плотность

тока в обмотке, если это оправдывается экономически, или существен-

но (в 2—3 раза) снизить превышение температуры обмотки статора, ес-

ли плотность тока будет сохранена на прежнем уровне.

Однако применение жидкостного охлаждения только для обмотки

статора не дает возможности повысить мощность машины, поскольку

она ограничивается ротором. Дальнейшее повышение мощности до

1000 МВт и более оказывается возможным при охлаждении обмоток

статора и ротора дистиллированной водой.

Применяются четыре системы непосредственного охлаждения об-

моток турбогенераторов.

1. Аксиальная система охлаждения обмотки статора, обмотки ро-

тора и магнитопровода статора водородом повышенного давления.

2. Многоструйная радиальная система охлаждения магнитопро-

вода статора и обмотки ротора водородом, совмещенная с охлажде-

нием обмотки статора водой (см. рис. 51.29).

3. Система охлаждения обмоток статора и ротора водой, сочетае-

мая с водородным охлаждением магнитопровода статора.

4. Система охлаждения обмоток статора, ротора и магнитопрово-

да статора водой.

В первой системе (рис. 51.24) циркуляция водорода внутри гене-

ратора осуществляется центробежным компрессором 1, установлен-

ным на валу ротора. Из отсека высокого давления 3 водород распре-

деляется следующим образом:

а) часть водорода попадает в отверстия вентиляционных трубок,

заложенных в стержни статора (см. рис. 51.26), охлаждает их и выхо-

дит в отсек нагретого газа 4 (рис. 51.24);

б) часть водорода попадает в аксиальные каналы магнитопровода

статора, охлаждает его и выходит в отсек 4 (рис. 51.24);

в) часть водорода попадает под бандажные кольца ротора с обеих

сторон машины, входит внутрь проводников ротора (см. рис. 51.27),

охлаждает их и выбрасывается через радиальные отверстия в зазор,

откуда выходит в отсек 4 (рис. 51.24). Из отсека 4 водород, пройдя ох-

ладитель 2, подается по специальным каналам в отсек 5 на вход ком-

прессора.

Во второй системе (рис. 51.25—51.29) циркуляция водорода внут-

ри машины осуществляется почти так же, как в машинах с косвенным

Рис. 51.24. Аксиальная система непосредственного охлаждения турбогенератора

Хол.аз

Нар.аз

Жидость

Рис. 51.25. Многоструйная радиальная система непосредственного охлаждения

магнитопровода статора и обмотки ротора водородом, совмещенная с жидкост-

ным непосредственным охлаждением обмотки статора:

1 — аксиальный вентилятор; 2 — водяной газоохладитель; 3 — отсеки высокого

давления; 4 — коллектор холодной жидкости; 5 — коллектор нагретой жидкости

охлаждением (см. выше). Отличие состоит в том, что водород, посту-

пивший в зазор через радиальные каналы статора, не охлаждает ро-

тор только снаружи, а захватывается специальными заборниками

внутрь ротора (рис. 51.28). Далее, проходя по многочисленным на-

клонным каналам по поверхности катушки ротора, он охлаждает ка-

тушку с обеих сторон и выбрасывается в зазор.

Рис. 51.26. Разрез статора турбоге-

нератора с аксиальным непосредст-

венным водородным охлаждением:

1 — трубки для водорода; 2 — осе-

вые каналы для охлаждения актив-

ной стали; 3 — медные проводники;

4 — пазовая изоляция

Рис. 51.27. Циркуляция водорода по ка-

налам обмотки ротора в турбогенерато-

ре с аксиальным непосредственным ох-

лаждением

Рис. 51.28. Схема непосредст-

венного водородного охлажде-

ния обмотки ротора в турбоге-

нераторе с забором газа из за-

зора:

1 — вход газа в каналы обмот-

ки; 2 — выход газа из каналов

обмотки

Рис. 51.29. Турбогенератор ТВВ-320-2 с непосредственным охлаждением обмоток статора водой и обмотки ротора водородом при

избыточном давлении 3,5æ10

Па

Зона впуска газа в ротор совпадает с зоной выхода газа из радиаль-

ных вентиляционных каналов статора, зона выпуска газа в зазор сов-

падает с зоной входа газа в каналы статора. Обмотка статора охлаж-

дается жидкостью.

Обмотка статора охлаждается водой, протекающей по полым про-

водникам обмотки статора (рис. 51.30), которые сообщаются с кол-

лекторами холодной 4 и нагретой 5 жидкости патрубками из изоляци-

онного материала (см. рис. 51.25). Из коллектора 5 жидкость, пройдя

через охладитель, снова поступает в коллектор 4. На рис. 51.31 конст-

рукция ввода и вывода воды показана более детально.

Рис. 51.30. Разрез стержня обмотки

статора с непосредственным водя-

ным охлаждением

Рис. 51.31. Конструкция соединения

стержней статора с коллекторами хо-

лодной и нагретой жидкости:

1 — сборный коллектор нагретой воды; 2 — сборный коллектор охлажденной во-

ды; 3 — изолирующие гибкие шланги; 4 — медный водораспределительный нако-

нечник стержня; 5 — стержень, подводящий воду к обмотке; 6 — электрическое

соединение между наконечниками стержней; 7 — стержень, отводящий воду от об-

мотки

Глава пятьдесят вторая

СИСТЕМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННЫХ МАШИН

52.1. Устройство системы возбждения и предъявляемые

 ней требования

Для питания обмотки возбуждения синхронной машины необхо-

дим источник постоянного тока — возбудитель. В качестве возбуди-

теля можно использовать электромашинный генератор постоянного

тока (см. § 64.12), якорь которого механически сопряжен с валом син-

хронной машины.

Схема возбуждения с генератором постоянного тока показана

на рис. 52.1. Схема включает подвозбудитель, питающий независи-

мую обмотку возбуждения главного возбудителя, регулировочные

реостаты, контакторы, аппаратуру дистанционного управления, авто-

матические регуляторы напряжения и другие устройства. Системы

возбуждения синхронных машин приведены на рис. 52.2.

Регулирование тока возбуждения. Ток возбуждения I

в круп-

ных синхронных машинах составляет несколько сот и даже тысяч ам-

пер. Поэтому экономически нецелесообразно регулировать его c по-

мощью реостата, включенного в контур обмотки возбуждения — яко-

ря возбудителя. Потери в реостате заметно понижали бы КПД син-

хронной машины.

1ф



PP'

B ПВ

Рис. 52.1. Схема электромашинной системы возбуждения крупной синхронной

машины:

— ротор машины; В — возбудитель (генератор постоянного тока с параллельно-

независимым возбуждением); ПВ — подвозбудитель (генератор постоянного тока с

независимым возбуждением); РР и РР ′ — регулировочные резисторы; K

и K

1ф

—

контакторы для форсировки возбуждения; R

и R ′

— резисторы, закорачиваемые

при форсировке; K

и K

— контакторы автомата гашения поля; R

— гасительный

езистор

Управление током возбуждения осуществляется исключительно

за счет изменения напряжения возбудителя U

, пропорционально ко-

торому изменяется ток

= U

/ R

В зависимости от режима, в котором работает синхронная маши-

на, должны устойчиво поддерживаться различные токи возбуждения

и соответственно различные напряжения возбудителя U

. В электро-

машинной схеме по рис. 52.1 для регулирования напряжения возбу-

дителя В служат реостаты PP и PP′ соответственно в цепи параллель-

ной обмотки возбудителя и подвозбудителя. За счет введения в схему

подвозбудителя ПВ пределы регулирования напряжения возбудителя

существенно расширяются. В менее мощных синхронных машинах

(а также при расширении пределов регулирования напряжения воз-

будителя путем введения нелинейных сопротивлений в цепь его па-

раллельной обмотки) подвозбудитель может отсутствовать.

Гашение поля возбуждения. В схеме возбуждения предусматрива-

ется специальное устройство, с помощью которого можно в аварийной

ситуации достаточно быстро уменьшить ток возбуждения до нуля (по-

гасить магнитное поле). Например, при внутренних коротких замыка-

ниях в обмотке статора гашение поля осуществляется с помощью ав-

томата гашения поля, объединяющего контакторы K

и K

, и гаси-

тельного резистора c сопротивлением R

(см. рис. 52.1). Прямой раз-

рыв цепи возбуждения контактором K

наиболее быстро привел бы к

a) б) в)

Рис. 52.2. Системы возбуждения синхронных машин:

а — прямая электромашинная; б — прямая независимая с использованием тири-

сторов; в — система самовозбуждения с использованием тиристоров; 1 — син-

хронный генератор; 2 — возбудитель постоянного тока; 3 — возбудитель

переменного тока; 4 — подвозбудитель возбудителя переменного тока; 5 — выпря-

митель ионный или полупроводниковый; 6 — регулятор возбуждения; 7 — транс-

форматор; 8 — управляемый от регулятора возбуждения реактор; 9

—

трансформатор

желаемой цели (кривая 1 на рис. 52.3).

Однако в сопротивлении электриче-

ской дуги, возникающей между размы-

каемыми контактами контактора K

, за

время гашения выделяется вся энергия,

запасенная в магнитном поле возбуж-

дения. В крупных машинах эта энергия настолько велика, что при пря-

мом разрыве контакты были бы разрушены. Кроме того, при столь бы-

стром уменьшении тока возбуждения (за счет введения в цепь весьма

большого сопротивления дуги) в обмотке появляется значительная

ЭДС самоиндукции

= ,

которая во много раз превосходит номинальное напряжение на об-

мотке возбуждения и может повредить ее изоляцию.

Для исключения этих явлений «гашение поля» проводится с помо-

щью АГП в следующем порядке. При включенном контакторе K

включается контактор K

(t = t

), замыкающий обмотку возбуждения

на гасительный резистор сопротивлением R

≈ 5R

. Затем (t = 0) раз-

мыкается контактор K

и возбудитель отделяется от обмотки возбуж-

дения. Поскольку энергия магнитного поля возбуждения в самой син-

хронной машине при этом не изменяется, размыкание K

происходит

без нежелательных осложнений. После этого ток возбуждения затуха-

ет с постоянной времени

f г

= ,

где T

= L / R

— постоянная времени обмотки возбуждения при ра-

зомкнутых других обмотках (см. § 71.2), в соответствии с уравнением

по кривой 2 на рис. 52.3.

Сопротивление гасительного резистора подбирается таким обра-

зом, чтобы гашение поля происходило достаточно быстро, но без

-------

–

------------------

f ном

t–/T

fг

fн

Рис. 52.3. Затухание тока возбуждения при

гашении поля:

1 — при прямом включении K

; 2 — при га-

шении поля c помощью АГП

появления недопустимых по условиям электрической прочности изо-

ляции напряжений

= .

При обычно рекомендуемом сопротивлении R

= 5R

постоянная

времени гашения поля T

f г

= с (в крупных машинах); напряже-

ние на гасительном резисторе u

не превосходит пятикратного номи-

нального напряжения возбуждения.

Форсировка возбуждения. Для удержания синхронной машины в

синхронизме при снижении напряжения сети (см. § 59.5), которое мо-

жет произойти при удаленных коротких замыканиях, прибегают

к форсированию ее тока возбуждения. Форсирование производится

автоматически релейной защитой машины, от которой поступает им-

пульс на включение контакторов K

и K

1ф

(см. рис. 52.1). При этом за-

мыкаются накоротко форсировочные резисторы R

, и регулиро-

вочный резистор PP и напряжение на якоре возбудителя с большой

скоростью возрастает до предельного значения U

(рис. 52.4). С за-

позданием, определяемым постоянной времени обмотки возбужде-

ния синхронной машины, ток возбуждения достигает предельного

значения:

= .

Эффективность форсировки возбуж-

дения характеризуется кратностью

предельного установившегося напря-

жения возбудителя, под которой пони-

мается отношение наибольшего уста-

новившегося напряжения возбудителя

к номинальному напряжению воз-

буждения U

f ном

= R

f н

, а также номи-

нальной скоростью нарастания напря-

жения возбудителя (на участке от точ-

ки 1 до точки 2 на рис. 52.4), опреде-

ляемой по формуле

v = .

-------

– R

------

f ном

------

===

---

1≈

′

f ном

f н

-----------

–

⎝⎠

⎛⎞

f н

–

f н

----------------------------

fн

–U

fн

–U

fн

)/e

Рис. 52.4. Нарастание напряже-

ния возбудителя и тока возбуж-

дения при форсировке возбужде-

ния

Время t

определяют по кривой нарастания напряжения возбудите-

ля как время, в течение которого это напряжение возрастает от U

fн

точке 1 до U

= U

fн

+ (1 –1/e)(U

– U

fн

) в точке 2.

Крупные генераторы и компенсаторы должны иметь кратность

предельного установившегося напряжения возбудителя 1,8—2,0 и

номинальную скорость нарастания напряжения возбудителя 1,5—2,0

номинального напряжения на контактных кольцах в секунду. Для

прочих синхронных машин кратность не менее 1,4; скорость не менее

0,8 номинального напряжения в секунду.

52.2. Классифиация систем возбждения

Для возбуждения синхронных машин применялись электрома-

шинные системы возбуждения, устройство которых описано в § 52.1.

В этих системах в качестве возбудителя использовался коллекторный

генератор постоянного тока.

В прямых электромашинных системах возбуждения якорь возбу-

дителя сопряжен непосредственно с валом синхронной машины

(см. рис. 52.2, а и б).

В косвенных электромашинных системах возбуждения ротор воз-

будителя приводится во вращение синхронным или асинхронным

двигателем, получающим питание или от шин собственных нужд

станции, или от вспомогательного синхронного генератора на валу

главного генератора, или от вспомогательного синхронного генерато-

ра, установленного на станции специально для этой цели. Эти систе-

мы возбуждения отличаются от приведенных на рис. 52.2, а и б толь-

ко тем, что ротор возбудителя сопряжен не с валом генератора, а с от-

дельным двигателем.

Гидрогенераторы и турбогенераторы должны иметь прямые сис-

темы возбуждения, обладающие наибольшей надежностью (приме-

нение косвенной системы возбуждения требует особого согласова-

ния). Предельная мощность электромашинных возбудителей по усло-

виям коммутации (см. § 64.11) зависит от их частоты вращения, сов-

падающей, как правило, с частотой вращения возбуждаемого син-

хронного генератора (при 3000 об/мин не более 600 кВт). Поэтому

электромашинные системы возбуждения не могут быть применены

в двухполюсных турбогенераторах, мощность которых превосходит

100—150 МВт.

В настоящее время широко применяются вентильные системы

возбуждения с кремниевыми диодами или тиристорами, почти пол-

ностью вытеснившие электромашинные системы возбуждения. Они

применяются не только для синхронных двигателей и генераторов не-

большой мощности, но и для крупных турбогенераторов, гидрогене-