Общее устройство и назначение гидрогенераторов
Общее
устройство и назначение гидрогенераторов
Генераторы с
вертикальным валом подразделяются на два основных типа подвесные и зонтичные
(рисунок 1), отличающиеся друг от друга расположением подпятника относительно
ротора. При частотах вращения до 200 об/мин гидрогенераторы выполняются
преимущественно в зонтичном исполнении, свыше 200 об/мин - в подвесном. При
частотах вращения свыше 250 об/мин вертикальные гидрогенераторы выполняются
исключительно в подвесном исполнении. Отмеченные границы различных исполнений
гидрогенераторов не являются строгими. Весьма ответственной частью
вертикального гидрогенератора является упорный подшипник, или подпятник,
который воспринимает веса вращающихся частей генератора и турбины, а также
давление воды на лопасти турбины. Особенно трудны условия подпятника при пуске
и тем более при остановке агрегата, так как при малой скорости вращения
масляный клин (пленка) между скользящими поверхностями подпятника не образуется
и генератор с турбиной не «всплывают». На одном валу с гидрогенератором, в
верхней его части, в большинстве случаев устанавливаются также вспомогательные
машины: возбудитель генератора (иногда с подвозбудителем) и регулярный
генератор, который представляет собой небольшой синхронный генератор с полюсами
в виде постоянных магнитов и предназначен для питания двигателей масляного
автоматического регулятора турбины. Под возбудитель представляет собой
небольшой генератор постоянного тока, который служит для возбуждения основного
возбудителя, питающего постоянным током обмотку возбуждения гидрогенератора. В
крупных машинах возбудитель нередко заменяют вспомогательным синхронным
генератором, который служит для возбуждения, так и для питания различных
двигателей, обслуживающих гидроагрегат, состоящий из турбины и гидрогенератора.
По своей конструкции вертикальные гидрогенераторы подразделяются на подвесные и
зонтичные. В первом случае подпятник расположен в верхней части агрегата, на
верхней крестовине, и весь агрегат «подвешен» к этой крестовине и к подпятнику.
В втором случае подпятник находиться на нижней крестовине генератора или на
крышке турбины и генератор в виде «зонта» расположен над подпятником. При
зонтичной конструкции иногда удаться снизить высоту агрегата и машинного зала
за счет облегчения верхней крестовины и этим уменьшить также массу агрегата и
расход материалов.
Конструктивные схемы вертикальных
гидрогенераторов подвесного (а) и зонтичного (б) исполнения. 1 - верхний
направляющий подшипник; 2 - нижний направляющий подшипник; 3 - фланец вала; 4 -
турбина; 5 - нижняя крестовина; 6 - ротор; 7 - верхняя крестовина; 8 -
подпятник; 9 - фундамент; 10 - направляющий подшипник; 11 - направляющий
подшипник турбины; 12 - нижняя крестовина.
Принцип работы
гидрогенератора
Изменение напряжения. Обычно
гидрогенераторы рассчитывают так, чтобы при изменении действующего значения
напряжения на выводах обмотки статора в пределах + 5% номинального они
развивали номинальную мощность при номинальном коэффициенте мощности. При 105%
напряжения ток статора должен быть понижен до 95% номинального, а при 95%
напряжения он может быть повышен до 105%. При снижении напряжения ниже 95%
номинального увеличение тока свыше 105% обычно не допускается даже в том
случае, когда температура обмотки статора остается в допустимых пределах. Это
объясняется тем, что перепад температуры в изоляции от потерь в меди возрастает
пропорционально квадрату тока, а чрезмерное увеличение перепада температуры
приводит к значительным относительным перемещениям слоев изоляции, к необратимым
деформациям в ней и в результате - к снижению срока службы изоляции.
Гидрогенераторы допускают также продолжительную работу при повышении напряжения
до 110%. Однако ввиду увеличения потерь в стали и вызываемых ими местных
нагревов, а также роста тока и нагрева обмотки возбуждения сохранить при этом
номинальную мощность не удается. Обычно при повышении напряжения свыше 105%
номинального полная мощность снижается примерно на 2% с каждым процентом
повышения напряжения. Работа при напряжении свыше 110% номинального не
допускается.
Изменения температуры воды и
воздуха. Работа гидрогенератора с температурой охлаждающего воздуха свыше 35 °С
при замкнутом цикле вентиляции и свыше 40 °С при разомкнутом не
предусматривается, за исключением режимов сушки. Воздухоохладители обеспечивают
номинальную нагрузку гидрогенераторов и возбудителей при температуре
поступающей в воздухоохладители и теплообменники воды не выше 28 °С. В
отдельных случаях, при установке в районах с жарким тропическим климатом,
гидрогенераторы рассчитывают для условий работы при более высокой температуре
входящего охлаждающего воздуха, которая превышает температуру поступающей в
воздухоохладители воды обычно на 7 - 10 °С. В зимнее время снижение температуры
охлаждающей воды позволяет уменьшить температуру воздуха, что в свою очередь
дает возможность в известных пределах повысить мощность гидрогенератора,
сохранив температуру его обмотки статора неизменной.
Однако увеличение мощности
ограничивается и в этом случае перепадом температуры в изоляции. Работа
гидрогенератора при температуре охлаждающего воздуха ниже +15 °С не
рекомендуется, а ниже + 10 °С не допускается, так как при этом возможно
нарушение изоляции обмотки статора. В зимнее время не следует также
переохлаждать воздухоохладители во избежание конденсации на них влаги
(отпотевания). Обычно осуществляется сезонное регулирование расхода охлаждающей
воды через воздухоохладители.
Изменения частоты. При изменении
частоты в пределах + 2,5% номинальной (48,75 - 51,25 Гц) гидрогенератор сохраняет
номинальную мощность. Однако при уменьшении частоты относительно номинальной
повышение напряжения гидрогенератора сверх номинального не допускается. Это
обусловлено тем, что при снижении частоты для поддержания постоянного
напряжения приходится увеличивать магнитный поток, а также ток ротора. При
одновременном повышении напряжения местные нагревы сердечника и обмотки
статора, а также температура обмотки ротора могут превысить допустимые пределы.
В отдельных случаях могут иметь место также ограничения при работе
гидрогенератора с повышенной против номинальной частотой и с большим
напряжением. При повышении частоты увеличиваются добавочные потери в меди
обмотки статора и на поверхности полюсных наконечников, а потери в сердечнике
статора изменяются незначительно. В результате нагрев обмотки статора не
выходит из допустимых пределов. При повышении напряжения из-за роста потерь в
стали статора в напряженных в тепловом отношении гидрогенераторах может иметь
место возрастание температуры обмотки статора выше допустимой. По этой причине
для отдельных типов гидрогенераторов не допускается работа при повышенной
частоте и увеличенном напряжении по сравнению с номинальным.
Допустимые перегрузки по току
статора и ротора. Условия нагрева обмоток при кратковременных перегрузках
близки к условиям адиабатического процесса, так как количество тепла,
успевающего за короткий промежуток времени рассеяться во внешнюю среду,
незначительно. Во избежание нарушений изоляции, вызванных тепловыми
деформациями при удлинении обмотки из-за ее нагрева, обычно ограничивают
кратковременное повышение температуры обмотки 15 °С. Обмотки с непосредственным
водяным охлаждением обладают большей перегрузочной способностью по сравнению с
обмотками с косвенным воздушным охлаждением при малых кратностях перегрузок, но
из-за высокой номинальной плотности тока допускают меньшую длительность
перегрузок большой кратности.
Системы возбуждения
гидрогенераторов
В настоящее время наиболее широкое
распространение получили системы возбуждения с тиристорными преобразователями.
При этом используются системы как независимого возбуждения, так и
самовозбуждения. И в тех и в других системах применяются трехфазные мостовые
схемы выпрямления. Схемы преобразования могут быть одноком-плектными и
двухкомплектными. В двухкомплектных схемах один выпрямитель включается на
полное напряжение источника питания, а второй - на отпайки его обмотки. При
этом выпрямители работают с различными углами управления. В нормальных режимах
ток возбуждения идет главным образом через рабочий комплект вентилей, в режимах
форсирования - через форси-ровочный комплект вентилей. На стороне постоянного
тока оба выпрямителя соединяются параллельно.
гидрогенератор электротехника машина
устройство
Схема с одним комплектом вентилей
применяется при кратности форсирования к <: 2,5, а схема с двумя комплектами
вентилей - при к = 3 н - 4.
При независимом возбуждении в
качестве источника питания используется вспомогательный генератор ВГ, который
устанавливается в зоне между ротором генератора и верхней крестовиной.
Благодаря достаточно большому диаметру ВГ увеличения высоты генератора не
требуется. Вспомогательный генератор представляет собой обычную явнополюсную
синхронную машину, рассчитанную для работы на выпрямительную нагрузку. Обмотка
статора ВГ при двухмостовой схеме выпрямителя выполнена с отпайками: рабочий
мост подключен к отпайкам, форсировочный мост - на полное фазное напряжение.
Отдельные части обмотки могут выполняться с различным числом параллельных
ветвей - большим в более нагруженной рабочей части и меньшим в остальной части
обмотки. Обмотка возбуждения гидрогенератора получает питание от тиристорного
выпрямителя VI. Возбуждение вспомогательного синхронного генератора ВГ
осуществляется тиристорным выпрямителем V2, получающим питание от выводов ВГ
через трансформатор Т. В некоторых генераторах применяются также системы
самовозбуждения с последовательно включенными вольтодо-бавочными
трансформаторами. Гашение поля в нормальных эксплуатационных режимах
осуществляется инвертированием, а в аварийных режимах - автоматом гашения.
Системы возбуждения должны обеспечивать в продолжительном режиме работы ток и
напряжение гидрогенераторов, превышающие номинальные значения не менее чем на
10%. Кратности форсирования напряжения и тока возбуждения должны быть не менее
2, а скорость нарастания напряжения возбуждения при заданном снижении
напряжения на входе автоматического регулятора возбуждения (АРВ) и при
внезапных коротких замыканиях в сети - не менее двух относительных единиц в
секунду.
Для гидрогенераторов мощностью 100
МВт и более рекомендуется применять быстродействующие системы возбуждения,
обеспечивающие нарастание напряжения от номинального до 95% предельного
значения за время не более 0,08 с. Предельное напряжение возбуждения должно
достигаться при снижении напряжения на входе АРВ на 5% при кратности
форсирования до 3 и на 7,5% при большей кратности форсирования. Для систем
параллельного самовозбуждения без последовательных вольтодобавоч-ных
трансформаторов требования по кратности форсирования и быстродействию должны
выполняться при следующих условиях: 1) напряжение прямой последовательности на
выводах генератора при любом коротком замыкании должно быть больше 0,8
номинального; 2) напряжение прямой последовательности должно быть меньше 0,8
номинального при длительности короткого замыкания не более 0,18 с для сети
напряжением 110 кВ и выше и не более 0,3 с для сети 35 кВ и ниже, причем после
отключения короткого замыкания напряжение должно превышать 0,8 номинального.
Если второе из этих условий не выполняется, то допускается снижение кратности
форсирования до значения, равного произведению напряжения прямой
последовательности в относительных единицах на коэффициент 2,5. Требования к
скорости нарастания напряжения возбуждения в этом случае не предъявляются. Для
удовлетворения указанным требованиям система параллельного самовозбуждения
должна выполняться с кратностью форсирования 2,5 вместо 2 при номинальном
напряжении питания.
Полупроводниковая система
возбуждения должна обладать внутренним резервированием. Если число параллельных
ветвей или число фаз не более трех, то при выходе из строя одной ветви или фазы
должна обеспечиваться работа с номинальной нагрузкой при номинальном напряжении
и запасе по статической устойчивости 20% (без учета АРВ). При этом ток
возбуждения не должен быть менее тока холостого хода. Если число параллельных
ветвей или фаз равно четырем и более, то выход из строя одной ветви или фазы не
должен приводить ни к каким ограничениям, включая форсирование возбуждения. При
выходе из строя двух параллельных ветвей или фаз осуществляется автоматическое
ограничение или запрещение форсирования и обеспечиваются рассмотренные выше
режимы при числе параллельных ветвей или фаз не более трех. В отечественной
практике системы возбуждения рассчитываются на двукратный номинальный ток
возбуждения в течение не менее 50 с для гидрогенераторов с косвенной системой
охлаждения и не менее 20 с для гидрогенераторов с непосредственным водяным и
форсированным воздушным охлаждением. Гашение поля гидрогенератора может
осуществляться включением обмотки возбуждения на разрядное устройство,
переводом преобразователя в инверторный режим. Возможно также гашение поля
гидрогенератора посредством гашения поля возбудителя или сочетанием обоих способов.
Области
применения гидрогенераторов
В настоящее время номинальная
мощность изготовленных гидрогенераторов-двигателей находится в пределах 200-400
MB-А при номинальных частотах вращения 150 - 400 об/мин. В разных странах
ведутся разработки более мощных гидрогенераторов-двигателей на большие частоты
вращения. Угонная частота вращения гидрогенераторов-двигателей, как
правило, находится в пределах 1,45 - 1,7 номинальной частоты вращения.
Коэффициент мощности в генераторном режиме для большинства мощных генераторов-двигателей
составляет 0,85 - 0,95. В двигательном режиме cosq> выбирается из условия
потребления реактивной мощности при наивысшем значении напряжения в точке
присоединения к сети. Для большинства выполненных машин он находится в пределах
cos ф = 0,95 4 - 1,0. Напряжение статора генераторов-двигателей
существенно влияет на стоимость машины. Во многих машинах напряжение
статора равно 15,75 - 16,5 кВ, а в ряде случаев 18 - 20 кВ и выше. Выбор
повышенного напряжения характерен для генераторов-двигателей, установленных на
подземных ГАЭС, в связи со стремлением снизить размеры ши-нопроводов от
генератора до повышающего трансформатора, протяженность которых относительно
велика. Пределы изменения напряжения в обратимых гидрогенераторах, как
правило, допускаются большими, чем в генераторах обычного типа, и составляют
+(10 - т - 15)%. Момент инерции гидрогенераторов-двигателей, как
правило, значительно меньше, чем гидрогенераторов обычного исполнения. Это
связано с меньшей угонной частотой вращения насосотурбин, а также со
стремлением уменьшить диаметр ротора для снижения пусковой мощности и времени
пуска в насосном режиме. Снижение момента инерции ротора особенно важно для
агрегатов с асинхронным пуском в насосном режиме. В настоящее время по
данным методикам гидрогенераторы применяются, как генераторы двигатели
для ГАЭС, ГЭС., что позволяет бесплатно пользоваться возобновляемыми
источниками энергии.
Проектирование обмотки -
ответственный шаг на пути всего процесса работы проектировщика. Схема обмоток
изображается на плоскости и представляет собой разрезанную вдоль оси машины
цилиндрическую поверхность реальной машины, на которой в пазах выполняется
реальная обмотка. Важно относительное расположение сторон секций относительно
друг друга и полюсов машины.
Дано:
Число фаз обмотки статора m=3.
Число пазов на полюс и фазу q=2.
Относительное укорочение шага β=y/τ=0,5.
Число параллельных ветвей a=3.
Число пар полюсов p=3.
Расчеты:
Определим количество пазов:
Затем определим полюстное деление:
Найдем угол сдвига проводников:
Шаг витка:
Расчет обмоточного
коэффициента
Расчет обмоточного коэффициента для n-ой гармоники:
где 
-
коэффициент укорочения.
Расчет обмоточного
коэффициента для первой гармоники.
Рассчитаем коэффициенты: n=1,3,5
Обмоточный коэффициент равен:
Расчет обмоточного
коэффициента для третьей гармоники.
Рассчитаем коэффициенты:
Тогда обмоточный
коэффициент равен:
Расчет обмоточного
коэффициента для пятой гармоники.
Рассчитаем коэффициенты:
Обмоточный коэффициент
равен:
Заключение
В ходе данной расчетно-графической
работы были изучены конструкция, принцип действия и назначение
гидрогенераторов, используемых в электроэнергетике. Также была построена
схема-развертка двухслойной обмотки и рассчитан обмоточный коэффициент.
Все задания и требования к
расчетно-графической работе были учтены и выполнены.
Список литературы
1. Мустафин М.А., Шидерова Р.М., Алексеев С.Б., Алмуратова Н.К. -
«Электромеханика и электротехническое оборудование. Методические указания к расчетно-графической
работе». - Алматы: АУЭС, 2011. - 16 с.
. Копылов И.П. - «Электрические машины: Учебник для вузов». - 3-е
издание, испр. - Москва: Высшая школа, Логос, 2000. - 607 с.
. Копылов И.П. - «Проектирование электрических машин». - Москва:
Энергия, 2002.