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

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 60^о. 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 90^о.

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 30-50^о для пазов с катушками одиночных фаз и 20-35^о 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 60^о 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 180^о.

γ +β < 180^о (1)
При этом ширина зоны большого зуба α составит
α = 180^о -(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 120-130^о, как решение компромиссное, при котором наилучшим образом сочетаются ширина большого зуба α и величина потерь в обмотке P_f.

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 P_f - 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 = 20^о.

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 P_1N, 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...120^о, β = 20...35^о. (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 8,5^о. Затем с пропуском в 10^о в зоне 14 - зоне установки балансировочных грузов, располагаются по 3 паза уменьшенной высоты, содержащие катушки только одной фазы, и расположенные с шагом 7,5^о.

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...50^о; β = 20...35^о
В приложении к схеме, представленной на фиг. 5 эти углы составляют
α = 45^о, β = 25^о, 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.

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.

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 - 50^o для пазов с катушками одиночных фаз и 20 - 35^o для пазов с катушками соответственно одной и двух фаз обмотки одновременно.