Проектирование турбогенератора

Значение a₂ уточняется в соответствии со стандартным из табл.2.3 или 2.4. Там же находится сечение проводника ротора S₂.

Число эффективных проводников в пазу ротора

(2.15)

D_п = 0,0015…0.0025 м – толщина пазовой изоляции ротора;

h_k2 – высота клина, выбирается примерно равной ширине паза.

По известным размерам a₂, b₂ и h_k2 вычерчивается эскиз паза ротора и окончательно устанавливаются размеры b_п2 и h_п2. При этом ширина зубца в узком месте

(2.16)

из технологических  соображений должна быть не менее 1,35^.10^-2 м. В противном случае, необходимо повторное проектирование геометрии ротора, начиная с уменьшения Z₀.

 

Pн, МВт	0,5-6	12-50	100-500	>500
uf, В	75-115	200-250	250-350	350-500

Таблица 2.6 Напряжения возбуждения турбогенераторов

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА ТРЕТЬЯ

 

Электромагнитный расчет турбогенератора

 

Электромагнитный расчет проводится с целью определения основных характеристик турбогенератора. Поскольку его размеры и обмоточные данные на этом этапе установлены, электромагнитный расчет является, в основном, поверочным расчетом, в результате которого только в некоторых случаях возможна коррекция геометрии зубцовой зоны и обмоточных, данных ротора.

 

3.1. Расчет характеристики холостого хода

Характеристика холостого  хода представляет собой зависимость фазной э. д. с. на зажимах от тока или н. с. возбуждения Eo=f(F_f) при холостом ходе генератора (I = 0).

Рис. 3.1. К определению расчетного сечения немагнитного зазора

 

Расчет ее сводится к расчету магнитной цепи, эскиз поперечного сечения которой представлен на рис.3.1 .

Расчет магнитной цепи основан на использовании закона полного тока

(3.1)

где F — полная намагничивающая сила вдоль замкнутого контура интегрирования, равная току, охватываемому этим контуром.

Интеграл, стоящий в  правой части (3.1), как это принято при расчете магнитных цепей электрических машин, заменяется суммой н. с. отдельных участков магнитной цепи - немагнитного зазора F , зубцового слоя статора F_z1, ярма статора F_a1, зубцового слоя ротора F_z2 и ярма ротора F_a2. Таким образом,

(3.2)

Обмотка возбуждения  турбогенератора распределенная, поэтому полный ток, охватываемый различными контурами (см. рис.1.6. ), будет различным. Другими словами, магнитная цепь турбогенератора является сложной разветвленной нелинейной цепью, расчет которой даже при, допущении (3.2) трудоемок. Ниже приводится упрощенная методика расчета магнитной цепи, разработанная специалистами завода “Электросила”, основанная на приведении неявнополюсной машины к эквивалентной явнополюсной по магнитной системе.

Расчет характеристики холостого хода проводится по основной пространственной гармонике поля в зазоре на один полюс.

Намагничивающая сила зазора, А

(3.3)

где k коэффициент зазора (коэффициент Картера). Этот коэффициент определяется по выражению (3.4)

(3.4)

где коэффициент, учитывающий зубчатость статора,

(3.5)

Коэффициент, учитывающий  пазы ротора при немагнитных клиньях  и наличии больших зубцов по продольной оси,

(3.6)

где k - коэффициент, учитывающий пазы ротора в области малых зубцов,

(3.7)

здесь t₂, — зубцовый шаг ротора, м

(3.8)

Коэффициент, учитывающий  радиальные вентиляционные каналы статора

(3.9)

Коэффициент, учитывающий  ступенчатость крайних пакетов статора (см. рис. 1.1),

(3.10)

Коэффициент, учитывающий  рифление бочки ротора при косвенном охлаждении обмотки возбуждения

(3.11)

В крупных генераторах с непосредственным охлаждением обмотки возбуждения рифление бочки ротора обычно не делается, поэтому k_dp2 = 1.

В крупных синхронных машинах с большим зазором  при  расчете F необходимо учитывать изменение индукции в зазоре в радиальном направлении. В данном случае B_d - индукция магнитного поля на среднем диаметре зазора, равном D_i -d (в отличие от (1.6), где подразумевалась индукция на диаметре D_i).   

При больших  зазорах имеет место сильное  “выпучивание” магнитного поля из зазора на краях сердечника статора. Обычно это учитывается формальным увеличением длины статора на величину 2d.

Магнитный поток в  зазоре, обусловленный основной гармонической индукции в режиме холостого хода, Вб

(3.12)

Индукция в воздушном зазоре (уточненное значение), Тл

(3.13)

Намагничивающая сила всей магнитной цепи машины с учетом насыщения  стальных участков на холостом ходу обеспечивающая  Е₀ = U_н, А

(3.14)

где km = 1,2 для большинства рационально спроектированных генераторов; F_d - по (3.3).

 

Величина	Ед.	Значение
E0	О.е.	0,58	1,00	1,21	1,33	1,40	1,46	1,51
E0 = UнE0*	В	6697	11547	13971	15357	16165	16858	17435
Ф0 , по (3.12)	Вб	2,2	3,8	4,56	5	5,3	5,5	5,7
Bd , по (3.13)	Тл	0,46	0,8	0,96	1,06	1,12	1,16	1,21
Fd , по (3.3)	А	43377	75439	90527	99957	105615	109387	114102
Ff*	О.е.	0,5	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	3,5
Ff = Ff* Ff0	А	26026	90527	162948	239896	316845	393793	479228

Таблица 3.1.

 

 

Расчет характеристики холостого хода по упрощенной методике может проводится при помощи нормальной характеристики (зависимость Е^* = f(F_f^*) ).

Расчет характеристики холостого хода рекомендуется провести по пяти точкам, соответствующим значениям Е₀ = (0,5; 1,0; 1,1; 1,2; 1,3) U_н. Расчет сводится в таблицу 3.1. По данным таблицы 3.1 строится характеристика холостого хода в относительных единицах (Рис.3.2). Точке Е^* = 1,0 соответствуют базовые величины параметров.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2. Намагничивающая сила и ток обмотки возбуждения при номинальной нагрузке

 

Н. с. возбуждения для  номинальной нагрузки синхронной неявнополюсной машины определяется с помощью диаграммы Потье. Для ее построения необходима характеристика холостого хода в о. е.  E₀^* = f(F_f^*), где Eo* =Eo/U₀, F_f* = F_f /F_f0. Здесь F_f0 - н. с. возбуждения, соответствующая Eo =Uн при холостом ходе. Кроме того, необходимо иметь индуктивное сопротивление Потье x_p*, рассчитанное ранее по (1.33), и н. с. обмотки статора, приведенную к обмотке возбуждения, в о. е.:

(3.15)

где k_a и F_a определяются соответственно по формулам (2.10) и (1.30).

Порядок построения диаграммы  Потье ясен из рис. 3.2. Вначале под углом из начала координат проводится в произвольном масштабе вектор I_н^* (угол определяется по cos ). Из конца вектора напряжения U_н^* проводится вектор jI_н^*x_p* перпендикулярно вектору номинального тока и в масштабе напряжения. Замыкающий вектор E^* сносится по дуге на ось ординат, а затем по характеристике холостого хода находится соответствующий ток возбуждения i^*_fE. К концу этого вектора нужно прибавить вектор н.с. реакции статора k_aF_a^* , проведенный под углом + . Замыкающим будет искомый вектор н. с. обмотки возбуждения на полюс при номинальной нагрузке в о. е. i^*_fн . Так как н.с. возбуждения приведена к одному масштабу с током возбуждения, то

(3.16)

Действительная н. с. возбуждения, А

(3.17)

Номинальный ток возбуждения, А

(3.18)

 

 

 

 

 

 

 

3.3. Построение  регулировочной характеристики.

Рис. 3.3. Регулировочная характеристика

 

Регулировочная характеристика i_f^* = f (I^*) при U* = 1 или U = U_н и cos = cos _н строится по диаграмме Потье. Следует помнить, что в относительных единицах i_f^* = F_f^*. Две точки регулировочной характеристики (F_f0^* , 0) и (F_fн^* , 1) известны. Для получения промежуточных точек необходимо задаться рядом промежуточных значений тока I*  и для каждого из них найти F_f^*. Порядок построения ясен из рис.3.2. Примерный вид регулировочной характеристики турбогенератора при активно-индуктивной нагрузке показан на рис.3.3.

На этом этапе уточняются параметры обмотки возбуждения и выбирается тип возбудителя.

Активное сопротивление  обмотки возбуждения (ротора), Ом

(3.19)

число катушек на полюс

(3.20)

u_п2, l_fср и S₂ по (2.15, 2.8 и табл.2.3,2.4).

Уточненное значение номинального напряжения возбуждения, В

(3.21)

добавка 2..3 В учитывает  падение напряжения в скользящем контакте на контактных кольцах.

Номинальная мощность возбудителя, кВт

(3.22)

 

 

 

 

По таблице 3.2 выбирается подходящий возбудитель.

 

Тип возбудителя	Номинальная мощность, кВт	Номинальное напряжение, В	Номинальный ток, А	Максимальное напряжение, В	Номинальный КПД,%
ВТ-50-3000	50	150	333	220	88
ВТ-75-3000	75	230	325	300	82
ВТ-120-3000	120	230	520	350	90
ВТ-170-3000	170	230	740	450	90
ВТ-300-3000	300	400	750	650	91,5
ВТ-450-3000	470	280	1680	480	91,5
ВТ-99/47-7	970	500	1940	840	93,4
ВГТ-450-500	320	380	850	750	83,8
ВГТ-1200-420	326	170	1920	340	83,8
ВГТ-2500-500	1250	580	2150	1000	88,8
ВГТ-2700-500	1420	500	2840	900	89,1
ВГТ-5000-500	1600	540	2970	980	91,1
ВГТ-4500-500	2180	700	3100	1300	90,7
БДВ-2100-3000	2100	400	3100	740	90,8
БДВ-4000-3000УЗ	4000	530	7640	1060	86,8