РОТОР ТУРБОГЕНЕРАТОРА ПРОДОЛЬНО-ПОПЕРЕЧНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК H02K1/26 

Описание патента на изобретение RU2018201C1

Изобретение относится к электромашиностроению, преимущественно к конструкции турбогенераторов продольно-поперечного возбуждения.

Ротора таких машин снабжаются двумя и более обмотками для реализации принципа асинхронизации. При этом в синхронном режиме, в котором машина работает более 99% общего времени эксплуатации, используются только две обмотки.

Сейчас достаточно отработанным вариантом двухфазной обмотки является симметричная система, примененная в серийных турбогенераторах типа АСТГ-200 мощностью 200 МВт. Такая система, основанная на использовании двух однослойных концентрических катушечных обмоток, показала себя достаточно надежный в эксплуатации, ибо она использует решения, отработанные на катушечных обмотках обычных турбогенераторов (с одной обмоткой на роторе).

Недостатком двухфазной симметричной обмотки является низкое использование обмоточной меди и плохая форма МДС при работе генератора в синхронных режимах.

Известны варианты несимметричных двухфазных систем с углом сдвига между фазами (обмотками) порядка 60о. Но в этом случае обмотка с хорошей формой кривой МДС не может быть реализована в отработанном классе катушечных концентрических обмоток; приходится применять более сложную и менее надежную систему петлевых обмоток.

Известен ротор турбогенератора продольно-поперечного возбуждения, в котором двухфазная двухcлойная концентрическая обмотка уложена одной фазой в нижний, а другой - в верхний слои пазов. Оси фаз сдвинуты на 90о.

Существенным недостатком устройства является снижение экономичности генератора при работе в синхронном режиме, связанное с насыщением зубцовой зоны ротора, а также низким обмоточным коэффициентом такой двухфазной системы.

Известен также ротор турбогенератора АСТГ-200, в котором часть проводников нижней фазы обмоток, размещенных в пазах в один слой, выполняют поднятыми в верхнюю часть пазов. При этом лучше используется сечение зубцовой зоны ротора и облегчаются условия для прохождения магнитного потока по ротору.

Указанные мероприятия, тем не менее, не позволяют существенно улучшить основные показатели асинхронизированного турбогенератора. Как известно, турбогенератор АСТГ-200 по КПД, массе цене проигрывает обычному синхронному генератору с однофазной обмоткой возбуждения.

Задача, решаемая настоящим изобретением, состоит в улучшении электромагнитных характеристик ротора и резком повышении экономичности турбогенератора в синхронном режиме.

Существо изобретения состоит в том, что в роторе турбогенератора, содержащем магнитопровод с пазами, в котором двухфазная двухслойная концентрическая обмотка уложена одной фазой, в основном, в нижний, а второй фазой - в верхний слои проводников пазов, и оси фаз сдвинуты с образованием части пазов, в которых уложена только одна фаза обмотки, угол между осями пазов, содержащих проводники катушек с минимальной длиной витков в фазе, составляет 30-50о для пазов с катушками одиночных фаз и 20-35о для пазов с катушками соответственно одной и двух фаз обмотки одновременно.

В отличие от известных устройств в предложенной конструкции ротора с катушечными обмотками за счет уменьшенного сдвига осей фаз образован "большой зуб", снижающий магнитное сопротивление ротора по продольной оси, а предлагаемый диапазон угловых параметров обмоток позволяет резко сократить потери в обмотке возбуждения и на поверхности статора.

До сих пор возможность создания роторов продольно-поперечного возбуждения с углами сдвига между осями фаз обмоток меньше, чем на 60о не рассматривалась из-за стремления обеспечить высокие асинхронные характеристики турбогенератора, что в итоге приводило к серьезному снижению экономичности машины в синхронных режимах.

Данное изобретение решает задачу путем переноса центра тяжести на достижение наилучших синхронных характеристик. При этом асинхронные характеристики хотя и несколько снижаются в сравнении с прототипом, но все же остаются выше, чем у обычных турбогенераторов с одноосным возбуждением. Таким образом, поставленная задача повышения технико-экономических показателей турбогенераторов продольно-поперечного возбуждения в предлагаемом изобретении решается нетривиальным путем.

На фиг. 1 представлена схема расположения обмоток в пазовой части ротора; на фиг. 2 - та же схема в развернутом виде; на фиг. 3 - вариант предыдущей схемы, в котором часть проводников нижней фазы обмотки поднята в верхний слой; на фиг. 4 - схематическое обоснование выбора углов расположения фаз обмотки; на фиг. 5 - угловые параметры примера конкретного выполнения двухфазного ротора турбогенератора мощностью 220 МВт, находящегося в стадии разработки.

Обмотка ротора состоит из двух концентрических катушечных фаз 1 и 2 (см. фиг. 1) уложенных в пазы ротора 3. Каждая фаза в пазовой части занимает сектор с углом γ , а между собой фазы сдвинуты на угол β.

На фиг. 2 дана развертка половины сечения ротора, ограниченная продольной осью d. Из представленной схемы следует, что свободная от обмотки зона 4 в районе оси d (большой зуб) появляется тогда, когда сумма рассматриваемых углов меньше 180о.

γ +β < 180о (1)
При этом ширина зоны большого зуба α составит
α = 180о -(γ + β)<N> (2)
Указанные соотношения и угловые параметра обмоток не изменяются, если часть проводников 5 нижней фазы (см. фиг. 3) в районе большого зуба поднята в верхний слой.

В машинах с одноосным возбуждением обычно принимают величину γ в пределах 120-130о, как решение компромиссное, при котором наилучшим образом сочетаются ширина большого зуба α и величина потерь в обмотке Pf.

Выбор оптимальной зоны угловых параметров обмотки продольно- поперечного возбуждения, выполненной в виде двух однослойных катушечных обмоток, также должен производиться с учетом отмеченных ограничений по углу γ -граничная кривая 6 на фиг. 4, и по потерям Pf - сеть кривых 7, приведенных в относительных величинах.

Но в роторе с двумя фазами обмотки появляются дополнительные существенные параметры, сужающие зону поиска наилучшего варианта.

В первую очередь это ограничение по углу сдвига β, исходя из условий сохранения эффекта продольно-поперечного возбуждения в отношении обеспечения требуемого запаса по устойчивости. Это ограничение представлено отрезком прямой 8. Возможно, что в перспективе это ограничение может быть сдвинуто влево до величины β = 20о.

Снизу зона поиска ограничена кривой 9 - предельным уровнем тепловыделений в пазу и одновременно пределом по току ротора, а сверху - отрезком 10, который представляет собой верхнюю границу угла γ по условиям разумного использования меди и по соображениям технологичности обмотки ротора.

Если ограничиться только перечисленными критериями, то наилучшие параметры обмотки следовало бы искать в точке 11 или выше ее, на линии 8.

Но в перспективных конструкциях турбогенераторов с продольно-поперечным возбуждением прослеживается тенденция к резкому уменьшению величины воздушного зазора в 3-4 раза по сравнению с классическими "одноосными" турбогенераторами. При этом весьма серьезной становится проблема борьбы с ростом добавочных потерь, величина которых обратно пропорциональна квадрату зазора, Одной из существенных компонент добавочных потерь, зависящей от обмотки ротора, являются потери на поверхности статора от высших гармонических поля ротора P1N, пропорциональные коэффициенту ϕ(γ,β). Поле значений этого коэффициента нанесено на фиг. 4 в виде сетки замкнутых кривых. Функция потерь достигает минимального значения ϕ = 0,5 в точке 13 (для сравнения: в самом лучшем варианте ротора с одной обмоткой возбуждения коэффициент ϕ равен 5,4).

В реальных конструкциях оптимальный набор параметров обмотки следует искать между точками 11 и 13 в очередной области, руководствуясь комплексной целевой функцией, например, отысканием максимума КПД. Но, при прочих равных условиях, в машинах с относительно большим зазором точка оптимума будет ближе к точке 11, а в машинах с предельно малым зазором - к точке 13. В координатах (γ, β) зона оптимальных параметров ротора предлагаемой конструкции дается соотношениями
γ = 108...120о, β = 20...35о. (3)
В качестве примера практической реализации на фиг. 5 представлена развертка поперечного сечения ротора мощностью 220 МВт, в котором реализовано предлагаемое изобретение. Здесь большая часть пазов содержит одновременно катушки обоих фаз обмотки и верхнего 1 и нижнего слоев 2 (если считать положение слоев по лобовым частям). Эти пазы выполнены с равномерным шагом 8,5о. Затем с пропуском в 10о в зоне 14 - зоне установки балансировочных грузов, располагаются по 3 паза уменьшенной высоты, содержащие катушки только одной фазы, и расположенные с шагом 7,5о.

В описанной реальной конструкции угол сдвига фаз β , для определенности, будем отсчитывать по осям пазов, содержащих внутренние концентрические катушки различных фаз, т.е. катушки минимальной длиной витка в фазе. Определить же угол γ непосредственными измерениями невозможно, ибо он измеряется не числом пазов, а числом пазовых шагов. При переменном шаге пазов это может вызвать неоднозначное толкование предмета изобретения, поэтому от системы угловых координат (γ,β) целесообразно перейти к системе (α,β), которые связаны между собой простым линейным преобразованием (2). Тогда ограничения (3) с учетом характера границы 6 преобразуются в
α= 30...50о; β = 20...35о
В приложении к схеме, представленной на фиг. 5 эти углы составляют
α = 45о, β = 25о, а измерение их может быть осуществлено по осям пазов 15, 16 и 17, содержащих проводники катушек с минимальной длиной витка - внутренних концентрических катушек каждой фазы обмотки.

Применение ротора предлагаемой конструкции позволяет в синхронном режиме, при наиболее рациональном варианте возбуждения - одинаковых по величине токах в фазах 1 и 2, пропустить магнитный поток по пути наименьшего сопротивления - по оси d (см. фиг. 1). За счет этого удается резко повысить технико-экономические показатели турбогенераторов рассматриваемого класса (таблица).

Применение ротора предлагаемой конструкции дает экономический эффект не только за счет прямой экономии электроэнергии, расходуемой на собственные нужды, а также снижения стоимости системы возбуждения. Оно открывает новые возможности создания конкурентоспособных конструкций турбогенераторов продольно-поперечного возбуждения, в первую очередь - турбогенераторов с воздушным охлаждением. В последнем случае, по нашим оценкам, появляется возможность преодолеть существующий сегодня предел единичной мощности 200 МВА и отодвинуть его вплоть до величин 350-400 МВА.

Таким образом, турбогенератор продольно-поперечного возбуждения с ротором предлагаемой конструкции, не уступая по КПД и массогабаритным показателям обычному синхронному генератору значительно превосходит последний по расширенному набору режимных возможностей как в синхронных, так и в асинхронных режимах.

Похожие патенты RU2018201C1

название год авторы номер документа
СТАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ 1992
  • Кузьмин В.В.
  • Ракогон В.Г.
  • Пенской В.Ф.
  • Новиков Я.М.
RU2047257C1
Петлевая обмотка ротора турбогенератора с жидкостным охлаждением 1990
  • Кузьмин Виктор Владимирович
  • Ракогон Владимир Григорьевич
  • Карпман Давид Бенционович
SU1735969A1
УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ АСИНХРОННОГО И СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРОВ 1991
  • Савельев Ю.Е.
  • Зозулин Ю.В.
RU2012977C1
Ротор двухполюсного асинхронизированного турбогенератора 1983
  • Черемисов Иван Яковлевич
  • Асанбаев Валентин Николаевич
  • Постников Иван Матвеевич
  • Карпман Давид Бенционович
  • Ракогон Владимир Григорьевич
  • Левицкий Анатолий Кузьмич
SU1136257A1
СТАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ 1992
  • Кузьмин В.В.
  • Ракогон В.Г.
  • Черемисов И.Я.
  • Новиков Я.М.
  • Пенской В.Ф.
RU2011266C1
Ротор машины двойного питания /его варианты/ 1985
  • Асанбаев Валентин Николаевич
  • Постников Иван Матвеевич
  • Карпман Давид Бенционович
  • Кузьмин Виктор Владимирович
  • Черемисов Иван Яковлевич
  • Финк Артур Фридрихович
  • Саратов Владимир Алексеевич
  • Левицкий Анатолий Кузмич
SU1251227A1
Ротор электрической машины двойного питания 1981
  • Кильдишев Василий Семенович
  • Карпман Давид Бенционович
  • Ракогон Владимир Григорьевич
  • Постников Иван Матвеевич
  • Асанбаев Валентин Николаевич
SU1042133A1
Неявнополюсный ротор синхронной электрической машины 1986
  • Зозулин Юрий Васильевич
  • Кузьмина Татьяна Викторовна
SU1361677A1
Ротор электрической машины с двухслойной многофазной обмоткой переменного тока 1980
  • Карпман Давид Бенционович
  • Черемисов Иван Яковлевич
  • Ракогон Владимир Григорьевич
  • Постников Иван Матвеевич
  • Асанбаев Валентин Николаевич
SU936229A1
Неявнополюсный ротор синхронного компенсатора 1983
  • Кузьмин Виктор Владимирович
  • Ракогон Владимир Григорьевич
  • Карпман Давид Бенционович
  • Черемисов Иван Яковлевич
  • Зозулин Юрий Васильевич
  • Шакарян Юрий Гевондович
  • Каспаров Эдуард Александрович
SU1105985A1

Иллюстрации к изобретению RU 2 018 201 C1

Реферат патента 1994 года РОТОР ТУРБОГЕНЕРАТОРА ПРОДОЛЬНО-ПОПЕРЕЧНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

Использование: электротехника, крупное электромашиностроение, турбогенератор с продольно-поперечным возбуждением. Сущность изобретения: ротор турбогенератора продольно-поперечного возбуждения содержит магнитопровод 3 с пазами и двухфазную двухслойную концентрическую обмотку 1,2. Каждая фаза обмотки занимает сектор с углом γ . Фазы смещены между собой на угол β=20-35° . Ширина большого зуба 30 - 50°. 1 табл., 5 ил.

Формула изобретения RU 2 018 201 C1

РОТОР ТУРБОГЕНЕРАТОРА ПРОДОЛЬНО-ПОПЕРЕЧНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ содержащий магнитопровод с пазами, в которых двухфазная двухслойная концентрическая обмотка уложена одной фазой, в основном в нижний, а другой - в верхний слои проводников, и оси фаз сдвинуты с образованием пазов, в которых уложена только одна фаза обмотки, отличающийся тем, что угол между осями пазов, содержащих проводники катушек с минимальной длиной витков в фазе, составляет 30 - 50o для пазов с катушками одиночных фаз и 20 - 35o для пазов с катушками соответственно одной и двух фаз обмотки одновременно.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 1994 года RU2018201C1

Ротор электрической машины двойного питания 1981
  • Кильдишев Василий Семенович
  • Карпман Давид Бенционович
  • Ракогон Владимир Григорьевич
  • Постников Иван Матвеевич
  • Асанбаев Валентин Николаевич
SU1042133A1
Аппарат для очищения воды при помощи химических реактивов 1917
  • Гордон И.Д.
SU2A1

RU 2 018 201 C1

Авторы

Кузьмин В.В.

Шпатенко Т.В.

Даты

1994-08-15Публикация

1991-08-23Подача