Расчет гидрогенератора серии ВГС

Проектирование электрической машины включает в себя выбор и расчет размеров её статора и ротора, обмоток, изоляции, конструктивных деталей, объединение их в конструктивные узлы и общую компоновку всех её частей.

Синхронные машины широко используются в промышленности. Основная область их применения — преобразование механической энергии различных двигателей в электрическую энергию. Преобладающая часть энергии производится с помощью трехфазных турбогенераторов (привод от паровых турбин) и гидрогенераторами (привод от гидротурбин).

Гидрогенераторы обычно имеют явнополюсное исполнение ротора, предназначены для сопряжения с гидравлическими турбинами. Обычно многополюсные с частотами вращения от 50 до 500 об/мин (иногда до 1000 об/мин) мощностью от 100 до 600 МВА. Рассчитаны на угонную частоту вращения 1,8−3,5 номинальной. Гидрогенераторы до 4000 кВА могут изготавливаться с разомкнутой системой самовентиляции. Температура охлаждающего воздуха принимается равной 40⁰С.

Проектирование электрической машины включает в себя выбор и расчет размеров её статора и ротора, обмоток, изоляции, конструктивных элементов объединение их в конструктивные узлы и общую компоновку всех её частей. При этом также выбираются материалы для отдельных частей машины. Имея в виду общее определение, можно считать, что оптимальным будет вариант проекта, при котором удовлетворяются все технические требования при наименьших общих затратах.

1. Выбор основных размеров

Номинальное фазное напряжение (предполагается, что обмотка статора будет соединена в звезду).

В Номинальная полная мощность

S_н 300 кВА Номинальный фазный ток А

Число пар полюсов Расчетная мощность

1,08· 300·10³=324 кВА По рис. 7.8 для 324 кВА при р=15 предварительно находим внутренний диаметр статора D=1,3 м.

Внешний диаметр статора

(1,28 — 1,33)*1,3 = 1,66 — 1,73 м

Полюсное деление

м Расчетная длина статора.

По рис. 7−9 для =0,136 м при р=15 находим 3800,82 Тл.

Задаемся =0,67; k_в=1,15; k_об1=0,92.

Определим расчетную длину статора м

Находим по (7−6)

Действительная длина статора по (7−7)

м Число вентиляционных каналов по (7−8) при b_к=0,01 м (стр. 276)

Принимаем 5

Длина пакета по (7−9)

м Суммарная длина пакетов сердечника по (7−10)

0,037 (5+1)=0,222 м

2. Расчет обмотки статора

Число параллельных ветвей обмотки статора выбираем так, чтобы ток параллельной ветви не превышал 200 А.

т.к. I_нф = 27,5 А << 200 А, то а = 1.

Из рис. 7.13 (кривые 2) для 0,136 м находим 0,026 м и 0,029 м Максимальное число пазов (зубцов) магнитопровода статора Минимальное число пазов (зубцов) магнитопровода статора Число пазов магнитопровода статора. Так как D_а > 990 мм, то статор выполняем сегментированным. В диапазоне требованиям п. 1.4 § 7.6 стр. 278 удовлетворяют число пазов 144.

м;

Где t₁ — зубцовое деление.

Определяем число эффективных проводников Уточняем А: А/м

S_ст=6; H=0,715 (сегменты штампуются из листов стали 750×1500 мм) Ширина паза (предварительно) по (7−21)

м Поперечное сечение эффективного проводника обмотки статора (предварительно) по (7.2)

м²(6,1 мм²)

где (AJ₁ по рис. 7.16 кривая 2).

Возможная ширина изолированного проводника по (7−25)

10−4,7=5,3 мм Выбираем изоляцию катушек класса нагревостойкости В по табл. 3.2. стр. 51

Двухсторонняя толщина изоляции 4,7 мм Размеры проводников обмотки статора.

n_ш=1, т.к. 6,1 мм²< 18 мм².

Марка провода ПЭТВСД с толщиной двухслойной изоляции 0,5 мм.

По табл. П. 29 стр. 472 размеры медного проводника 1,25*5,3 мм (с изоляцией 1,75*5,8 мм 6,41 мм²)

Ширина паза (уточненная) по (7−27).

мм Высота паза по (7−28)

мм где мм Масштабный эскиз паза представлен на рис. 3.1.

Спецификация паза в табл. 3.2.

Рис. 3.1 Паз статора Плотность тока в проводнике обмотки статора (уточнённое значение)

А/м²

Спецификация паза (изоляция класса нагревостойкости В)

Проверка индукции в зубе (приближенно) по (7−31)

Тл Проверка индукции в ярме статора (приближенно) по (7.32)

Тл

где м

B_z1 и B_б находятся в допустимых пределах.

Перепад температуры в изоляции паза по (7−33)

=

=

Градиент температуры в пазовой изоляции Произведённая проверка показала, что размеры паза выбраны удачно.

Витки фазы обмотки статора по (7−37)

Шаг обмотки по (7−38)

(из 1-го в 5-ый паз).

— полюсное деление в пазах.

— укорочение шага обмотки

Коэффициент укорочения шага по (7−39)

Коэффициент распределения обмотки статора по (7−40)

Обмоточный коэффициент по [1, 7−41]

т.к., то шаг укороченный Приближённое значение воздушного зазора по (7−44)

м

0,82=0,779 Тл (максимальная индукция в зазоре при ХХ и U_ном)

М_m/M_н=2,1, значит — синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси равно 1,4.

Зазор под краями полюса 0,132 0,198 мм.

Среднее значение воздушного зазора

м Ширина полюсного наконечника по (7−47)

Примем, 7 (§ 7−9)

77· 0,136 = 0,10 472 м Радиус дуги полюсного наконечника по (7−45)

м Высота полюсного наконечника по табл. 7−9 при ф = 0,136 м

0,022 м Длина сердечника полюса и полюсного наконечника

0,27−0,01=0,26 м Расчётная длина сердечника полюса по (7−52).

Принимаем

0,26+0,02=0,28 м Предварительная высота полюсного сердечника по (7−8)

0,016+0,186

Коэффициент рассеяния полюсов по (7−50). Из табл. 7 (коэффициент, зависящий от полюсного наконечника h_p=0,022 м)

1+7

Ширина полюсного сердечника по (7−51).

м Эскиз полюсов дан на рис. 3.2.

Рис. 3.2 Полюсы ротора Так как м/с<30 м/с, то принимаем крепление полюсов шпильками к ободу магнитного колеса.

Длина ярма (обода) ротора по (7−53)

26+0,04=0,3 м Выбрано=0,04 м. Минимальная высота ярма ротора по (7−54)

мм Принято B=от 1 до 1,3 Тл, принимаем 1,1 Тл.

3. Расчет демпферной обмотки

В генераторах эта обмотка служит для ослабления обратного синхронного поля при несимметричной нагрузке, успокоения качений ротора, предотвращения динамических перенапряжений при несимметричных КЗ и повышения электродинамической стойкости.

Для машин общего назначения число стержней успокоительной обмотки (N_c) на полюсе выбирают обычно в пределах 5ч10. Стержни выполняют из меди или латуни круглого сечения.

Число стержней пусковой обмотки на полюсе

N_c=5

Поперечное сечение стержня пусковой обмотки по (7−55)

м²

Диаметр стержня по (7−6) [материал стержня Ї медь]

мм Выбираем d_c=8 мм, тогда q_c=м²

Зубцовый шаг на роторе по (7−57)

Принимаем м

мм Длина полюсной дуги принимаем 0,77

Ширина полюсного наконечника м Проверяем условия (7−60)

0,028;

Пазы ротора выбираем круглые, полузакрытые.

Диаметр паза ротора

0,008+0,0001=0,0081 м=8,1 мм Ширина шлица паза b_s=3ч4 мм, высота h_s=2ч3 мм.

Раскрытие паза b_sh_s=42 мм.

Длина стержня по (7−61)

(0,20,4)=0,26+0,34· 0,136=0,306 м Длина полюсного наконечника l_p=l_m=l₁-0,01=0,27−0,01=0,26

Сечение короткозамыкающего сегмента мм²

По табл. П-32 выбираем прямоугольную медь 440 мм (сечение q_{к, з}=159,5 мм²)

4. Расчёт магнитной цепи

Расчет магнитной цепи при ХХ машины выполняется для одной точки кривой намагничивания соответствующей номинальному напряжению.

Для упрощения предполагается, что характеристика ХХ машины совпадает с нормальной характеристикой ХХ машины.

Крепление полюсов к ободу магнитного колеса осуществляют с помощью шпилек и гаек. Толщину обода (ярма ротора) принимаем h_j=34,5 мм.

Магнитный поток в зазоре находим по (7−62), Вб Вб где и — число витков и обмоточный коэффициент фазы статора

= 936 шт.; =0,614.

= 3637 (фазная ЭДС).

По рис. 7−21 при, б=0,7 и, находим к_В=1,152, б_д=0,66.

Уточнённое значение расчётной длины статора по 7−64

0,27 -0,006· 5+2·0,154=0,2431 м

4,56· 0,132=0,006 м

=4,56

Индукция в воздушном зазоре по (7−63), Тл Коэффициент воздушного зазора статора по (7−67)

Коэффициент воздушного зазора ротора по (7−67)

Коэффициент воздушного зазора по (7−66)

Магнитное напряжение воздушного зазора по (7−66), А А

Ширина зубца статора на высоте h_п1 от его коронки по (7−70)

м Зубцовый шаг статора на высоте h_п1 от его коронки Индукция в сечении зубца на высоте h_п1 по (7−69), Тл Магнитное напряжение зубцов статора по (7−68), А

— напряженность магнитного поля в зубце статора. По кривой намагничивания для стали 1511 определяем в зависимости от .

Индукция в спинке статора по (7−74), Тл Магнитное напряжение спинки статора по (7−72), А м

— по рис. 7.22.

Высота зубца ротора по (7−76)

м

Ширина зубца ротора на высоте от его коронки по (1−78)

м =14,9 мм Индукция в зубце ротора по (7−77), Тл

Тл Магнитное напряжение зубцов ротора по (7−55), А Удельная магнитная проводимость рассеяния между внутренними поверхностями сердечников полюсов по (7−81)

Высота полюсного сердечника

h_m = м Ширина полюсного сердечника

b_m = м

Расчетная длина сердечника полюса м Удельная магнитная проводимость между внутренними поверхностями полюсных наконечников по (7−82)

где

Удельная магнитная проводимость рассеяния между торцевыми поверхностями по (7−83)

Удельная магнитная проводимость для потока рассеяния Магнитное напряжение ярма статора, зазора и зубцов полюсного наконечника

=1257+200+12,3+7,6=1476,9

Поток рассеяния полюса по (7−80), Вб Вб Поток в сечении полюса у его основания, Вб Вб Индукция в полюсе по (7−84), Тл

Тл Магнитное напряжение полюса по (7−79), А где м Магнитное напряжение стыка между полюсом и ярмом ротора по (7−86), А Индукция в ободе магнитного колеса (ярме ротора) по (7−88), Тл

Магнитное напряжение в ободе магнитного колеса по (7−87)

Магнитное напряжение сердечника полюса, ярма ротора и стыка между полюсом и ярмом, А Магнитодвижущая сила обмотки возбуждения на один полюс по (7−89)

Далее в расчете в качестве характеристики Х.Х. принята нормальная характеристика синхронной машины в относительных единицах.

При переводе магнитных напряжений, и потока Ф_m в относительные единицы и наоборот за базисные единицы приняты: МДС F_во = 2376,6 и F_во* = 1 о.е. и магнитный поток Ф = 0,0177 Вб при ЭДС Е₁ = 3637 В и Е₁ = 1 о.е. МДС воздушного зазора при этом F_д = 1257 А.

Данные нормальной характеристики Х.Х.

Характеристика Х.Х. Е₁ = f () в относительных единицах

Параметры обмотки статора для установившегося режима

Средняя длина витка обмотки статора

м Длина лобовой части обмотки статора по (6−138)

Активное сопротивление обмотки статора Ом при =15С

Ом при =75С Активное сопротивление обмотки статора в относительных единицах по (7−96)

;

где Ом Индуктивное сопротивление рассеяния по (7−97)

Ом Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния по (7−98)

Коэффициент магнитной проводимости между стенками паза по табл. 6.22

Размеры паза определяем по рис. 6−38, а и 3−1: h₂=0,1473 мм; b_п1=0,0108 м; h₁=0,785 м; h₀=0,0067 м.

При =y₁/_п=0,83 по (6−151)

по (6−153)

Коэффициент магнитной проводимости по коронкам зубцов по (7−99)

при из рис. 7.25 -0,07

Коэффициент магнитной проводимости лобового рассеяния по (6−154)

Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния по (7−100)

Индуктивное сопротивление рассеяния в относительных единицах Индуктивное сопротивление продольной реакции якоря в относительных единицах по (7−102)

k_ad определяем из по рис. 7−23.

— коэффициент, учитывающий влияние магнитных напряжений стали и зазора между полюсом и ярмом, который определяется по [1, c. 296].

Индуктивное сопротивление поперечной реакции якоря в относительных единицах по (7−103)

k_aq=0,43 по рис. 7−23.

Синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси в относительных единицах Синхронное индуктивное сопротивление по поперечной оси в относительных единицах

5. Расчет обмотки возбуждения

Магнитодвижущая сила обмотки возбуждения при нагрузке Расчет МДС обмотки возбуждения выполняется на основании диаграммы Потье, совмещенной с характеристикой Х.Х. В начале характеристики Х.Х. используем нормальную характеристику ХХ синхронной машины в относ. ед., построенную на основании таблицы 5.1.

Т.к. cos ц = 0,8, то ц = arcos 0,8 = 36,8°

Падение напряжения в индуктивном сопротивлении рассеяния обмотки якоря

U_xуa* = I_1н*?Х_уа*

Где Х_уа* — индуктивное сопротивление рассеяния обмотки якоря Х_уа* = Х_у* + 0,02 = 0,62 + 0,02 = 0,64 о.е.

U_xуa* = 1 · 0,64 = 0,64 о.е.

Определим значение МДС реакции якоря

;

Значение МДС обмотки якоря при номинальном токе, приведенная к обмотке возбуждения где k_ad = 0.86; k_в = 1,2

Действительное напряжение ХХ на зажимах генератора при номинальном токе возбуждения U_10* = 1,28 (см. рис. 6.1).

Номинальное изменение напряжения генератора ДU_н* = U_10* — U_1н* = 1,28 — 1,0 = 0,28 о.е.

Расчетная МДС обмотки возбуждения, соответствующая номинальному току якоря и номинальному напряжению

F_вн = F_вн*· F_во = 1,68 · 2376,6 = 3992 А;

где F_во — МДС обмотки возбуждения = 2376,6 А;

F_вн* — МДС обмотки возбуждения, но определяемая по диаграмме Потье = 1,68.

Обмотка возбуждения Выбираем однорядную обмотку с лобовой частью в виде полуокружности. Изоляция класса нагревостойкости В.

Средняя длина витка обмотки возбуждения по (7−109)

м Для питания обмотки возбуждения из табл. 7.10 выбираем тиристорное возбудительное устройство ТВУ-80−320 (). Напряжение на кольцах с учетом переходного падения напряжения в щеточном контакте принимаем 78 В. Д Сечение проводников обмотки возбуждения (предварительное значение) по (7−107)

м²

где1,2F_вн=1,2· 3992=4790,4 А — увеличенное значение МДС.

Ток возбуждения по (7−111)

31· 10^-6·5,1·10⁶=158,1 А Принимаем А/м²

Число витков обмотки возбуждения по (7−112)

Меньший размер прямоугольного проводника обмотки по (7−114)

м

По табл. П-29 выбираем проводник с размерами 4,25×8,0 33,14· 10^-6 м²)

Расстояние между катушками соседних полюсов по (7−116)

м Плотность тока в обмотке возбуждения (уточненное значение) А/м²

Превышение температуры обмотки возбуждения по (7−119)

м/с Уточненное значение высоты полюса

(0,0041+0,0003)· (25+1)+0,014 = 0,128 м Так как расхождение с ранее выбранной высотой 0,129 м составляет менее 1,5%, то перерасчет магнитного напряжения полюса не производим.

Активное сопротивление обмотки возбуждения по (7−120)

Ом

Ом Напряжение на кольцах обмотки возбуждения при номинальной нагрузке и по (7−121)

158,1· 0,41 = 64,8 В Коэффициент запаса возбуждения по (7−122)

где — номинальное напряжение возбудительного устройства, = 80 В.

По [1, c304] пределы =[1,1ч1,2].

6. Расчет параметров и постоянных времени

Индуктивное сопротивление обмотки возбуждения по (7−123)

Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки возбуждения по (7−124)

1,92−0,76=1,16

Индуктивное сопротивление рассеяния пусковой обмотки по продольной оси по (7−125).

По отношению при 5 из рис. 7.37 определяем 0,25 1,25, 75

Из рис. 7.36: 1,4 2

Тогда Индуктивное сопротивление рассеяния пусковой обмотки по поперечной оси по (7−126)

Активное сопротивление обмотки возбуждения при =75C по (7−135)

Активное сопротивление пусковой обмотки по продольной оси при =75C по (7−136)

; c_c =c_{к, з}=1

Активное сопротивление пусковой обмотки по поперечной оси при =75C по (7−137)

;

7. Масса активных материалов

Масса зубцов статора по (7−147)

7800· 0,222·0,93·0,158·0,0209·144=765,76 кг где

Масса ярма статора по (7−148)

7800· 0,222·0,93·3,14 (1,69−0,037) 0,037=309,26 кг Масса меди обмотки статора по (7−149)

8900· 6,1·10^-6·39·144·1,24/2=189 кг Масса меди обмотки возбуждения по (7−150)

8900· 31·10^-6·0,66·2·15·25=136,57 кг Масса меди стержней пусковой обмотки по (7−151)

8900· 57,04·10·2·15·5·0,306=23,3 кг Масса меди короткозамыкающих колец по (7−152)

=8900· 125,3·10 кг Масса стали полюсов по (7−153)

=7800· 0,28·0,95·2·15кг Масса стали обода ротора по (7−154)

=7800· 0,3·3,14 кг Полная масса меди по (7−155)

189+136,57+23,3+8,94=357,81 кг Полная масса активной стали по (7−156)

765,76+309,26+492,1+243,6=181,72 кг

8. Потери и КПД

Основные электрические потери в обмотке статора по (7−159)

3· 27,5·4,1·10=9,3 кВт Потери на возбуждение по (7−161)

кВт

Магнитные потери в ярме статора по (7−162)

1,3· 1,55·1,27 кВт Магнитные потери в зубцах статора по (7−163)

1,7· 1,55·1,33 кВт Механические потери по (7−164)

3,68· 15· кВт м/с Поверхностные потери в полюсных наконечниках по (7−165)

=0,5· 2·15·0,77·0,136·0,27·4,6 кВт где 0,81 (1,33−1)=0,2673 Тл Добавочные потери при нагрузке

240 000=1,2 кВт кВт

Общие потери при номинальной нагрузке по (7−166)

9,3+8,8+1+5,4+1,127+0,53+1,2=27,357 кВт Коэффициент полезного действия по (7−168)

Превышение температуры обиотки статора.

Удельный тепловой поток на 1 м² внутренней поверхности статора по (5−88)

Вт/м²

Превышение температуры внешней поверхности статора над температурой охлаждающего воздуха по (5−89)

⁰С Плотность теплового потока с внешней поверхности лобовых частей по (5−8)

Вт/м²

(удельная проводимость меди при 75⁰С).

Превышение температуры внешней поверхности лобовых частей обмотки статора над температурой охлаждающего воздуха по (5−82)

Перепад температуры в пазовой изоляции обмотки статора (см п. 30)

.

Среднее превышение температуры обмотки статора по (5−83)

обмотка генератор магнитный

9. Характеристики генератора

Характеристики генератора при автономной работе рассчитываются и строятся на основании диаграммы Потье. Характеристики: внешняя, регулировочная, нагрузочная, а так же характеристики короткого замыкания и холостого хода, строятся в о.е., но могут быть рассчитаны и построены в именованных единицах.

Характеристика холостого хода — это кривая намагничивания машины, т. е. зависимость напряжения от тока возбуждения при токе статора, равном нулю (Е=f (I_в) при I₁=0, n = const).

Она определяется по результатам расчета магнитной цепи машины для значений напряжения от 0 до 1,51 номинального значения. В настоящем расчете для упрощения в качестве кривой намагничивания принята нормальная характеристика ХХ синхронной машины, а расчет магнитной цепи выполнен только для номинальной точки. Характеристика ХХ приведена на диаграмме Потье и на рис. 10.1

Характеристика короткого замыкания — это зависимость тока якоря от тока возбуждения при замкнутой накоротко обмотке якоря (симметричное трехфазное КЗ), напряжении, равном 0, при постоянной номинальной частоте вращения I_a=f (I_В), U=0, n=const. В режиме короткого замыкания магнитная система генератора не насыщена вследствие и индуктивного характера тока и размагничивающей реакции якоря. Характеристика представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат и точку с координатами: .

Индукционная нагрузочная характеристика (ИНХ) представляет собой зависимость. Вид характеристики определяется характером нагрузки генератора. Так как, нагрузка чисто индуктивная, то нагрузочная характеристика проходит ниже характеристики х.х., что объясняется размагничивающим действием реакции якоря и падением напряжения в обмотке статора. Для построения ИНХ вначале в одной системе координат строятся ХХХ и ХКЗ и по ним строится реактивный треугольник:

Внешняя характеристика генератора представляет собой зависимость напряжения генератора от его тока нагрузки при постоянном номинальном коэффициенте мощности и постоянном номинальном токе возбуждения. Упрощенная внешняя характеристика может быть построена по двум точкам с координатами, определяемыми по диаграмме Потье,

(1)

(2)

При индуктивной нагрузке реакция якоря носит размагничивающий характер, поэтому напряжение с увеличением тока статора I₁ уменьшается. При емкостной нагрузке реакция якоря носит намагничивающий характер, поэтому с увеличением тока якоря напряжение увеличивается. Вид характеристики определяется характером нагрузки генератора (рис. 15.2).

Регулировочная характеристика генератора представляет собой зависимость МДС или тока возбуждения от тока якоря при постоянном номинальном напряжении якоря, постоянной номинальной частоте вращения и коэффициенте мощности I_В= f (I₁) при U=const, n= const, cosц=const. Она показывает, как необходимо регулировать ток возбуждения чтобы при изменении тока нагрузки от 0 до номинального напряжение оставалось постоянным и равным номинальному. Вид характеристики определяется характером нагрузки генератора (рис. 15.3). Для упрощения характеристику на основании диаграммы Потье можно построить по двум точкам: (1)

(2)

Регулировочная характеристика при активно-индуктивной нагрузке

1. Проектирование электрических машин: Учеб. пособие для вузов/ И. П. Копылов, Ф. А. Горяинов, Б. К. Клоков и др.; Под ред. И. П. Копылова. — М.: Энергия, 1980. — 496 с., ил.

2. Справочник по электрическим машинам: В 2 т. / Под общ. ред. И. П. Копылова и Б. К. Клокова. Т. 1. — М.: Энергоатомиздат, 1988.-456 с.:ил.