научная статья по теме ПРИНЦИП ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПРОСТОЕВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ПЕРЕМЕННОЙ ВЕРОЯТНОСТИ ПОТОКА ЭНЕРГИИ ПЕРВИЧНОГО ИСТОЧНИКА Энергетика

Текст научной статьи на тему «ПРИНЦИП ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПРОСТОЕВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ПЕРЕМЕННОЙ ВЕРОЯТНОСТИ ПОТОКА ЭНЕРГИИ ПЕРВИЧНОГО ИСТОЧНИКА»

№ 4

ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА

2011

УДК 621.313

© 2011 г. БОГУСЛАВСКИЙ И.З., КОРОВКИН Н.В., РОГАЧЕВСКИЙ В.С.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭНЕРГИИ МОЩНОГО ГЕНЕРАТОРА В ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ РЕЖИМАХ

Получены расчетные выражения для электромагнитной энергии мощного генератора в установившемся (номинальном) режиме и в переходных режимах. Значения этой энергии выражены в долях номинальной мощности генератора.

1. Постановка задачи и основные допущения

В практике разработки и эксплуатации мощных генераторов последних лет (гидро-и турбогенераторов, АСГ) возникает проблема определения электромагнитной энергии W, запасенной при работе их в сети. При ее решении предполагаются заданными: амплитуда первой гармоники поля взаимоиндукции в зазоре B0, геометрические размеры активной части генератора (расчетные значения длины Храсч и диаметра ^расч, эквивалентный воздушный зазор Дэкв и др.) и его параметры [1]. Приняты следующие допущения:

— энергия ^высш высших пространственных гармоник полей рассеяния статора и ротора учитывается поправочным коэффициентом к энергии Жосн, вычисленной для первой (основной) гармоники результирующего поля взаимоиндукции в зазоре: Квысш = Жвысш/Жосн. Коэффициент рассеяния страсс ст поля статора для обмоток с целым или c дробным числом Q пазов на полюс и фазу (при Q » 1, что обычно в практике для мощных явнополюсных машин [1] — [3], например, гидрогенераторов, дизельгенераторов), составляет страссст < 1,1—1,15; то же имеет место для коэффициента рассеяния страссрот поля ротора; соответственно коэффициент Квысш при вычислении энергии генератора принят равным: 0,25 (с запасом). Для мощных неявнополюсных машин, отличающихся большим зазором, чем явнополюсные, эти коэффициенты меньше;

— энергия полей рассеяния лобовых частей обмоток статора и ротора также учитывается поправочным коэффициентом к энергии Жосн: Клч = ^ч/Жосн. Исследования индукции в лобовой части ВЛЧ турбо- и гидрогенераторов показывают, что ее величина резко снижается от торца крайнего пакета в сторону щита вдоль оси вращения машины, в среднем она составляет в лобовой части Влчср = (1 - 1)в0; соответственно, принят Кл.ч = 0,15 (с "запасом");

— зазор Дэкв — равномерный. Для мощных неявнополюсных машин он принимается равным: Дэкв = ДКкарт (Д — зазор между ротором и статором; Ккарт — коэффициент Картера [1]). Для явнополюсных машин отношение зазора Дмин под серединой полюса к зазору под его кромкой Дмакс составляет обычно Дмин/Дмакс = 0,5^0,8; в расчетной прак-

тике принято [1]: А экв =

+ 3 (А макс А мин )

Kкарт.

2. Энергия поля взаимоиндукции в установившемся режиме генератора

Рассмотрим решение для номинального режима работы генератора. С учетом этих допущений выражение для энергии Жосн имеет вид [2]

Жосн = [0,5(Д,)2/Цо]Л

где Храсч — полусумма из активной длины ротора и активной стали статора; Лрасч — полусумма из диаметра ротора (под полюсом для явнополюсных машин) и расточки статора; ц0 — магнитная проницаемость в воздухе.

Найдем отношение этой энергии Жосн к номинальной мощности Рном генератора.

Представим мощность Рном в виде [1]—[3]:

Рном =

где

ином = 2В0ЮТ^расч ^статКЖстатКф.п./п; (2)

(2)

1 ном = Рр.япр/(2тф ^статКЖстатКЛв) .

Здесь Шф — число фаз генератора; ином, 1ном — амплитуды, соответственно, номинальных значений фазного напряжения и тока; ю — круговая частота сети; т = пОрасч/2р — полюсное деление; Жстат, стат — число витков обмотки статора [1] и ее обмоточный коэффициент; Гря. — амплитуда Н.С. продольной реакции якоря [1]; р — число пар полюсов генератора; Км — коэффициент приведения основной волны продольного поля статора к основной волне поля ротора [3]. Полюсные перекрытия а в практике проектирования мощных явнополюсных машин выбираются обычно в пределах 0,65 < а < 0,8; соответственно, для этих значений а коэффициент КА^): 0,84 < Км < 0,81. Для неявно-полюсных машин с равномерным распределением пазов по всей периферии ротора, например, у машин двойного питания (АСГ и др.), коэффициент Км = КА = 1. В отличие от неявнополюсных машин с таким распределением пазов, для турбогенераторов коэффициент КА < 1, он определяется отношением у числа пазов ротора к числу его пазовых делений (обычно 0,6 < у < 0,75); соответственно, для этих значений у коэффициент КА: 0,92 < КА < 1,00. Коэффициент Кф.п. учитывает форму поля в зазоре [1], [3]; для мощных явнополюсных машин, имеющих неравномерный зазор, Кф п - (0,5па)2, для неявнополюсных машин: Кф.п.- 1.

Выразим амплитуду Н.С. реакции якоря через амплитуду Н.С. зазора ^заз и продольное реактивное сопротивление взаимоиндукции [3] X*, в о.е:

Рр.Я. - ^заХш, где ^заз = 2В0Лэкв/М0 (3)

С учетом (2) и (3) получаем

Жосн/Рном = Х% Кф.п.). (4)

Принимая во внимание влияние полей высших пространственных гармоник, полей в лобовых частях генератора и значения коэффициента КАФ, для номинального режима генератора, имеем

^н*ом = Ж/Рном - 1,2/(ю X* Кф.п.). (4')

Отметим, что величина Жн*м имеет размерность времени.

Для расчетов электромагнитной энергии неявнополюсных машин соотношение (4) целесообразно преобразовать к виду

Жн*ом = Ж/Рном - [3,8 ■ 10-3/Х**в ](50/0. (4'')

Здесь / — частота сети, Гц.

Этим соотношением можно воспользоваться для приближенных расчетов энергии и явнополюсных машин; тогда величина Жн*м получается с превышением ("в запас").

3. Энергия поля взаимоиндукции в переходных режимах генератора [4]—[6]

Получим расчетные выражения для энергии поля взаимоиндукции в зазоре неявно-полюсной машины, например, турбогенератора или АСГ в переходном режиме [5]. Обмотки на роторе турбогенератора нетрудно представить многофазными. Клинья в пазах имеют удельную электрическую проводимость, значительно превышающую проводимость стали массивной бочки ротора; в современных мощных турбогенераторах они замкнуты по торцам и образуют многофазную короткозамкнутую обмотку, аналогичную беличьей клетке асинхронной машины. Пространственный вектор Н.С. однофазной обмотки возбуждения турбогенератора может быть представлен в виде тФВОЗБ составляющих, полученных в виде проекций на тфвозб фазных роторных осей, составляющих между собой угол у0 = 2п/тфвозб, град. эл.

Расчетные выражения для свободных токов в обмотках (при переходном режиме) имеют вид [4], [6]:

— для мгновенных значений свободного тока статора

¿1 = ^ехр^р^ехрОу'О + К2ехр(—Р20ехр(уу"0; (5)

— для мгновенных значений свободного тока ротора

¿2 = -(М/^Ж^хр^р^ехрСМО - (¿1/М)К2ехр(-р20ехрС/у2'0, (6)

где К1, К1 — постоянные, определяемые начальными условиями режима генератора; р1, р2 — коэффициенты затухания свободных токов; они обратны постоянным времени контуров, соответственно, статора и ротора и имеют размерность частоты:

Р1 = Р' + Р''(Р')2(1 — о0бЩ)/[ю2 + (р')2];

Р2 = Р'' — Р''(Р')2(1 — стобщ)/[®2 + (Р')2]; (7)

Р' = ^/(АСобщ), Р'' = ^2/(^2^общ); стобщ = (Ь1Ь2 — М1)/(Ь1Ь2) — коэффициент рассеяния обоих контуров машины; Ьъ Ь2 — соответственно, собственные индуктивности контуров статора и ротора; Я1, Я2 — соответственно, активные сопротивления этих контуров; М — их взаимная индуктивность;

VI, V" — частоты свободных токов в контуре статора:

у/ю = Р'Р''(1 — Стобщ)/[ю2 + (Р')2], у"/® = 1 — Р'Р''(1 — Собщ)/[ю2 + (Р')2];

V', V' — частоты свободных токов в контурах ротора:

v'/® = Р'Р''(1 — Собщ)/[ю2 + (Р')2] — 1; у'/ю = —Р'Р''(1 — Собщ)/[ю2 + (Р')2]. (8)

Отметим, что Р1 + Р2 = Р' + Р''.

Для этих частот свободных токов в контурах справедливы следующие соотношения:

а) Сумма частот у' и у" равна частоте сети: у' + V" = ю. Следовательно, в зазоре машины имеются два поля статора, которые вращаются в ту же сторону, что и ротор, но со скоростями, меньшими синхронной частоты ю.

б) Сумма частот V' и у' равна частоте сети: v' + У = —ю. В зазоре машины имеются два поля ротора, которые вращаются со скоростями, меньшими синхронной частоты ю. Знак минус подтверждает, что для наблюдателя на роторе они вращаются в сторону, противоположную направлению вращения обоих полей статора, для наблюдателя на статоре — в ту же сторону.

в) Соотношение частот в контурах статора и ротора таково [4], [6]

V" = у'' = к'".

Следовательно, в зазоре машины образуются два результирующих поля взаимоиндукции: одно из них вращается относительно статора с частотой V', а второе — с частотой v2.

Рассмотрим подробнее эти два результирующих поля с учетом реальных величин активных сопротивлений и индуктивностей контуров у мощных генераторов. Для таких машин обычно р' > р", соответственно, » р2. Анализ (5)—(8) с учетом этого показывает, что практически частота VI ^ v'2; обычно V' « 0, а v2 « ю. Поэтому на осциллограммах составляющие свободных токов статора с частотой VI воспринимаются обычно не как гармонические малой частоты, а как апериодические; в первом приближении их иногда называют "постоянные составляющие". В отличие от них, составляющие свободных токов статора с частотой V' воспринимаются на осциллограммах как токи, имеющие "почти частоту сети".

Используем теперь выражения (5), (6) для свободных токов в обоих контурах машины и запишем выражения для Н.С., создаваемых этими токами, и, учитывая соотношения для сопротивлений контуров машины, приведенные выше.

Результирующее поле свободных токов с частотой V' почти неподвижно относительно статора. Мгновенное значение Н.С. этого результирующего поля имеет вид [4]—[6]:

/0,м = (°общК)ехр(—р^ехр./(^( — пх/т). (9)

Здесь стобщК1 — амплитуда этой Н.С.

К = К1(2шфЖсТатКж стат КАВ/пР).

Это результирующее поле создается токами в обоих контурах машины и учитывает как потоки взаимоиндукции, так и потоки рассеяния. В общем случае выражение (9) учитывает и параметры внешней цепи по отношению к генератору; тогда ее параметры влияют на сопротивление Я1, индуктивность £1, коэффициент рассеяния стобщ согласно (7).

Из выражения (9) также следует, что Н.С. /0М этого "медленно вращающегося" поля характеризуются коэффициентом затухания » р2 и линейной скоростью вращения относительно статора [5]

Ум = ^т/л. (10)

В отличие от этого поля, результирующее поле свободных токов с частотой V' вращается относительно статора с "по

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком