СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ В ЭНЕРГОСИСТЕМАХ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ Российский патент 2009 года по МПК H02K19/16 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при эксплуатации синхронных генераторов на электрических станциях в энергосистемах большой мощности.

Способ заключается в том, что опережение и отставание оси магнитного поля ротора относительно оси магнитного поля статора должно быть не более пяти электрических градусов, которое осуществляется посредством изменения вращающего момента первичного двигателя за счет воздействия на регулирующие органы при подаче пара или воды в турбину, а электродвижущая сила генератора Е_г в нормальном режиме его работы должна превышать максимальное значение напряжения U_m, при этом его вращающий магнитный момент прямо пропорционален квадрату напряжения, причем э.д.с. Е_г не должна быть выше значения, при котором происходит недопустимое снижение вращающего магнитного момента генератора.

Технический результат заключается в повышении к.п.д. и надежности работы синхронных генераторов на электрических станциях.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ определения эффективности и надежности работы синхронных генераторов [1].

К недостаткам известного способа следует отнести принятое решение о том, что при угле между магнитными осями статора и ротора (в дальнейшем «между ротором и статором») Θ=90 градусов (в дальнейшем 90°) генератор развивает наибольшую электромагнитную мощность Р_м [1, с.431], которая прямо пропорциональна электромагнитному моменту М.

Считалось, что при работе синхронной машины генератором ось поля ротора всегда опережает ось результирующего поля статора, т.е. взаимное расположение векторов э.д.с. Е_о и U, где вектор Е_o всегда опережает вектор напряжения U на угол Θ.

При Θ=0 электромагнитная мощность Р_м=0, но синхронизирующая мощность достигнет максимума Р_сх.нб, т.е. достаточной способностью продолжать работать с сетью, даже при значительных изменениях электромагнитного момента М [1, с.431].

Однако при описании в технической литературе понятия о синхронизирующей мощности отсутствует объяснение физической сущности происходящих процессов. При этом не указывается, какой из ранее известных вращающих моментов относится к этой мощности. Здесь следует особо подчеркнуть, что создание вращающих моментов возможно только магнитными потоками, а не взаимодействием магнитного потока и электрического тока, имеющих различие относительно физической сущности происходящих процессов [3, с.41-44].

Согласно [1, с.432] при Θ=90° генератор способен развивать наибольшую электромагнитную мощность (следовательно, электромагнитный момент), но его синхронизирующая мощность Р_сх=0, т.е. генератор не может работать параллельно с другими генераторами. Практически уже задолго до Θ=90° генератор начинает работать не вполне устойчиво, вот почему в синхронных генераторах угол Θ не превышает 25-30 электрических градусов [1, с.432].

Одновременно с этим следует заметить, что понятие о синхронизирующей мощности целиком соответствует функциональным возможностям магнитного вращающего момента всех электрических машин М_вр=к·Ф₁·Ф₂·sinβ [2, с.86; 3, с.64]. Этот момент совместно с вращающим моментом первичного двигателя обеспечивает общий вращающий момент ротора генератора. Однако, чем больше угол Θ при опережении магнитной оси поля ротора магнитной оси поля статора, тем больше не только потребление энергоресурсов, но и опасность выхода генератора из синхронной работы при резком снижении нагрузки генератора, например, после отключения места короткого замыкания [4, с.441] на питающих линиях. Возникновение указанных негативных процессов является следствием принятого решения о выработке электрической энергии генератором, где преобразование энергии механического движения первичного двигателя (турбины) в электрическую энергию синхронных генераторов (далее СГ) тесно связывают с тормозным моментом, действующим на ротор [5, с.141].

Считается, что для того чтобы нагрузить генератор активной мощностью, надо увеличить вращающий момент первичного двигателя (увеличить расход пара в паровой турбине или воды в гидротурбине). При этом не рассматривается важный вопрос о необходимости превышения э.д.с. генератора Е_г значения U_ном. Известно, что электрическая мощность протекает от большего к меньшему потенциалу и что вращающий момент электрических машин прямо пропорционален квадрату напряжения.

Однако в соответствии с [2, часть 4, с.85] существует следующая зависимость:

- При ненасыщении магнитопровода (U≤U_ном) магнитный вращающий момент (МВМ) прямо пропорционален напряжению;

- При перенасыщении магнитопровода (U>U_макс) МВМ прямо пропорционален квадрату напряжения;

- При насыщении магнитопровода (U_н<U<U_макс) МВМ несколько выше МВМ при ненасыщении и значительно ниже МВМ при перенасыщении магнитопровода.

Также известно, что магнитные потоки совпадают с электрическими токами. Поэтому важно знать, какие токи соответствуют магнитным потокам в формуле магнитного момента [3, с.77]. Магнитным потокам Ф₁ и Ф₂ соответствуют намагничивающий I_нм и размагничивающий I_рм [3, с.79-80].

Эти токи представлены на главной векторной диаграмме (Фиг.1) электрических параметров синхронного генератора [3, стр.117]. При анализе происходящих процессов следует учитывать, что напряжение вызывает формирование магнитных потоков, создающих магнитные вращающие моменты всех электрических машин, в том числе и генераторов. Однако только после подключения нагрузки в генераторе возникают соответствующие им токи (Фиг.1), т.е. происходит при перевозбуждении магнитопроводов процесс выработки генераторами электроэнергии. Указанные обозначения токов расшифровываются следующим образом: «нм» и «рм» соответственно «намагничивающий» и «размагничивающий», «гп - перевозбуждение», «гн - недовозбуждение» магнитопроводов.

Проведенный всесторонний анализ показал [3, с.65], что генератор электрических станций служит главным образом не для выработки электрической энергии, а для поддержания стабильного номинального напряжения в энергосистеме, которое формирует в магнитопроводах намагничивающие и размагничивающие потоки, определяющие основной магнитный вращающий момент всех электрических машин, в том числе и генераторов, у которых двигатель или турбина служит для создания вращения ротора синхронно с частотой изменения электрического поля статора и исключения расхождения осей магнитных полюсов статора и ротора, превышающего допустимую величину. Как указывалось выше, эта величина равнялась 25-30°, а должна быть не более ±5°.

Одновременно с этим [6, с.115-116] обязательным условием функционирования генератора является его работа при напряжении выше номинального, которое не может превышать значение, при котором происходит недопустимое снижение вращающего магнитного момента [3, рис.4.21 и с.121]. В противном случае он будет работать как двигатель и вырабатывать токи которые уменьшают токи и а следовательно уменьшаются и магнитные вращающие моменты других генераторов. На Фиг.2 показано, что при одном и том же значении э.д.с. ротора и стабильном напряжении энергосистемы U_H максимальное значение э.д.с. генератора равно т.е. когда э.д.с. ротора совпадает по фазе с U_H. Построение векторов выполнено при учете равенства U_н=0,707U_m, т.е

Согласно данному построению нетрудно увидеть, что при углах Θ менее 30° э.д.с. Е_г превышает максимальное значение напряжения U_m, а следовательно, и магнитный вращающий момент будет прямо пропорционален квадрату напряжения. Поэтому представляется возможным сократить потребление энергоресурсов вследствие снижения механического момента первичного двигателя генератора.

При этом следует вывод, что работа генератора при значениях Θ>30° уже не будет равна квадрату напряжения и чем больше его значение, тем ниже устойчивость работы генератора, и происходит высокое потребление энергоресурсов. Согласно современным литературным источникам, например [5, с.360], значение Θ=90° определяет максимальные как электрическую мощность, так и электромагнитный момент, а также запас устойчивости синхронного генератора. Это является ошибочными решениями, к которым также относятся и все представленные в существующей технической литературе векторные диаграммы синхронного генератора, например диаграмма изображенная на Фиг.3 [1, рис.36-1].

В этом случае невольно возникает вопрос о причинах длительного периода работы синхронных генераторов с отмеченными выше негативными явлениями, главной из которых является неоправданный и лишенный объективной оценки повышенный расход энергоресурсов. Основной причиной этому являлось то, что в начальный период развития электроэнергетики работа генераторов происходила на отдельных станциях, не связанных между собой в единую энергосистему. При этом происходящие процессы в работе генераторов существенно отличались от процессов, происходящих при их работе в энергосистемах бесконечно большой мощности. В то же время теоретическое объяснение работы генераторов, в основе которой лежит векторная диаграмма э.д.с. (диаграмма Блонделя), представленная на Фиг.3, практически осталась без изменения. Причиной этому являлось как отсутствие законов переменного тока [3, с.61-67], так и возникновение недопустимых уравнительных токов между уже существующей энергосистемой и вновь включаемого генератора, у которых углы Θ не равны, например при Θ<Θ_эс (эс - энергосистема).

В этом случае изменить создавшееся положение не представлялось возможным выполнить из-за традиционного принципа выработки электроэнергии. Считалось, что обязательным условием ее выработки являлась необходимость создания тормозного момента между ротором и статором, при этом происходит преобразование энергии механического движения первичного двигателя в электрическую энергию генератора. Следовательно, чем больше угол Θ, тем больше вырабатывается и электроэнергии. Однако при этом практически исключался из работы самый экономичный вращающий момент, и расход энергоресурсов возрастал. Одновременно с этим к.п.д. генераторов ошибочно считался необычайно высоким (до 99%), так как при его расчетах учитывались только различные потери в генераторе и номинальная мощность генератора [5, стр.282] η_г=1-∑Р/(Р_ном+∑Р). Считалось, что мощность первичного двигателя удобно представить как сумму мощности генератора и мощности всех потерь в машине [7, стр.474]. Поэтому и к.п.д. получался высоким только при большом значении угла Θ.

Фактически следует работать при минимальном значении угла Θ, а расчет к.п.д. вести с учетом мощностей первичного двигателя, магнитного вращающего момента и всех видов потерь в генераторе относительно активной мощности генератора. При этом реально можно определить мощность магнитного вращающего момента при использовании выше указанных других мощностей.

Наиболее экономичный и устойчивый режим работы синхронных генераторов происходит при угле Θ=0°. Допускается работа с углами Θ=±5°, когда уравнительные токи имеют малые значения. При Θ=-5° снижается расход энергоресурсов, но понижается устойчивость работы генераторов в режиме роста нагрузки. Однако в этом режиме практически полностью исключается выпадение генератора из синхронной работы при мгновенном сбросе большого значения нагрузки.

При Θ=+5° незначительно увеличивается расход энергоресурсов, но повышается устойчивость работы генератора в режиме роста нагрузки [6, стр.116].

Важность решения вопроса снижения потребления энергоресурсов имеет наиважнейшее значение при решении следующих проблем:

- глобальная проблема развития парникового эффекта - повышение среднегодовой температуры из-за загрязнения атмосферы. Известно, что в настоящее время в России доля выработки электроэнергии только на газе превышает 60%;

- экологические риски;

- истощение запасов углеводородного сырья;

- социальные проблемы за счет снижения финансовых затрат при выработке электроэнергии.

Использование данного патента на изобретение позволит снизить потребление энергоресурсов не менее чем на 30% и значительно повысить надежность работы потребителей электроэнергии.

Литература

1. Пиатровский Л.М. Электрические машины. Изд.5. Госэнергоиздат, 1963.

2. Степанов Ю.А., Степанов Д.Ю. Повышение надежности работы электрооборудования на основе совершенствования теоретического материала. Самара: Изд-во «Самарский университет», 2005.

3. Степанов Ю.А. Этапы развития нанотеории в электроэнергетике. Часть 1. Самара: Изд-во «Самарский университет», 2007.

4. Пантюшин B.C. Электротехника. - Госэнергоатомиздат, 1960.

5. Кацман М.М. Электрические машины. - М.: «Высшая школа», 2006.

6. Степанов Ю.А. Практическое использование традиционной и новой теории переменного тока. Самара: Изд-во «Самарский университет», 2006.

7. Касаткин А.С., Немцов М.В. Курс электротехники. М.: «Высшая школа», 2005.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при эксплуатации синхронных генераторов на электрических станциях. Технический результат состоит в повышении к.п.д. Способ повышения эффективности и надежности работы синхронных генераторов в энергосистемах большой мощности заключается в том, что снижают механический момент первичного двигателя или турбины. Одновременно и постепенно на всех синхронных генераторах уменьшают опережение и отставание оси магнитного поля ротора от магнитного поля статора, которое не должно превышать пяти электрических градусов. При этом электродвижущая сила синхронного генератора Е_г должна превышать максимальное значение напряжения энергосистемы. 3 ил.

Способ повышения эффективности и надежности работы синхронных генераторов в энергосистемах большой мощности, заключающийся в том, что снижают механический момент первичного двигателя или турбины, при этом одновременно и постепенно на всех синхронных генераторах уменьшают опережение и отставание оси магнитного поля ротора от магнитного поля статора, которое не должно превышать пяти электрических градусов, а электродвижущая сила синхронного генератора Е_г должна превышать максимальное значение напряжения энергосистемы.