1 Лекция 3 Генераторы переменного тока промышленной частоты

2 Технические и физические ограничения мощности генератора

3 Конструктивное выполнение и геометрические размеры турбогенераторов зависят от их мощности и систем охлаждения. Номинальная активная мощность турбогенераторов приближенно выражается соотношением: (кВт)

4 Номинальная активная мощность турбогенераторов приближенно выражается соотношением: (кВт)

5 А2 средняя линейная нагрузка ротора в номинальном режиме, А/см2; В2 магнитная индукция на поверхности ротора в воздушном зазоре при номинальном напряжении на х. х. генератора, Гс; D2 диаметр ротора, м; Lа длина активной части генератора, м; n частота вращения, об/мин; угол между векторами напряжения и э. д. с. Е в номинальном режиме.

6 Соотношение между линейной нагрузкой ротора А 2 и линейной нагрузкой статора А 2 выражается формулой: номинальный коэффициент мощности турбогенератора D 1 диаметр расточки статора

7 Диаметры роторов мощных турбогенераторов, находящихся в эксплуатации, имеют предельные размеры по условиям механической прочности поковок. При частоте вращения ротора 3000 об/мин предельный диаметр ротора около 1200 мм, окружная скорость на поверхности ротора соответственно составляет 196 м/с. Возможности увеличения линейных размеров турбогенераторов ограничены условиями механической прочности роторов, а также бандажных колец, закрепляющих лобовые части обмоток роторов.

8 Значение магнитной индукции В2 в зазоре для применяемых марок стали составляет 8500 – 9600 Гс, и повышение ее ограничивается магнитной проницаемостью стальных поковок для роторов.

9 Значение sin определяется принятыми значениями индуктивных сопротивлений машины и ее номинальным коэффициентом мощности. При одном и том же коэффициенте мощности с увеличением sin увеличиваются индуктивные сопротивления, уменьшается зазор между ротором и статором, ухудшаются условия вентиляции и охлаждения машины.

10 Для увеличения номинальной мощности генераторов остается единственный путь увеличение линейной нагрузки ротора А2, а следовательно и линейной нагрузки статора А1.

11 Так как геометрические размеры ротора и статора ограничены, то увеличение линейных нагрузок можно достигнуть только увеличением плотности тока в них, А/мм 2.

12 Увеличение плотности тока ведет к увеличению потерь и выделению тепла. Это требует решения вопросов более интенсивного охлаждения активных частей генератора.

13 Конструктивное выполнение и геометрические размеры турбогенераторов зависят от их мощности и систем охлаждения.

14 Например, увеличение мощности турбогенераторов со 100 до 800 МВт повысило линейную нагрузку статора в 2,1 раза, при этом потери в обмотках на единицу длины возросли в 4 – 5 раз.

15 В настоящее время применяются два основных способа охлаждения активных частей генераторов: косвенное и непосредственное.

16 При косвенном охлаждении охлаждающий агент (воздух, водород) непосредственно не соприкасается с медью обмоток. При непосредственном охлаждении охлаждающий агент (водород, вода, масло) непосредственно проходит по обмотке, что значительно увеличивает теплоотдачу.

17 Охлаждающая способность жидкостей и газов по сравнению с воздухом Охлажда ющая среда Удельная теплоемк ость, отн. ед. Плотность, отн. ед. Приближе нная способнос ть теплоотда чи, отн. ед. Объемный расход, отн. ед. Воздух 1,0 Водород 14,350,071,444,0 Масло трансфор м. 2,09848,021,00,12 Вода 4,161000,050,00,12

18 При использовании для охлаждения вместо воздуха водорода уменьшаются вентиляционные потери, к. п. д. турбогенератора возрастает на 0,7 – 1,0%. Отпадает необходимость в противопожарных устройствах, значительно уменьшаются размеры повреждений при внутренних к. з.

19 До 1946 г. все отечественные турбогенераторы изготавливались с воздушным косвенным охлаждением. Максимальная единичная мощность таких машин достигала 100 МВт. Применение водорода под давлением до 1,5 – 2 кгс/см2 при сохранении косвенной системы охлаждения проводников обмоток позволило довести единичную мощность турбогенераторов до 150 МВт при cos = 0,85…0,9.

20 Проблему создания более мощных турбогенераторов оказалось возможным решить только с помощью применения непосредственного охлаждения проводников обмоток статора и ротора, позволившего увеличить плотность тока в обмотках примерно в 6 раз.

21 Непосредственное охлаждение водородом обмоток ротора и статора повысило единичную мощность турбогенераторов до 300…350 МВт при cos = 0,85…0,9, а непосредственное охлаждение статора водой до 400…500 МВт и более при том же cos.

22 Рост мощности турбогенераторов в зависимости от года создания Год создания Мощность, МВт МВт МВт МВт МВт

23 Классификацию отечественных турбогенераторов Т3В Трижды водяное охлаждение Обмотка статора – водой Сталь статора – водой Обмотка ротора – водой ТГВ Водородное или водородно- водяное Обмотка статора – водородом Сталь статора – водородом ТГВ – 200-2Д ТГВ – 200МТ Обмотка ротора – водородом Обмотка статора – водой

24 ТВМВодомасляное охлаждение Обмотка статора – маслом Сталь статора – маслом Обмотка ротора – водой ТВВВодородно-водяное охлаждение Обмотка статора – водой Сталь статора – водородом Обмотка ротора – водородом

25 Турбогенераторы со смешанной системой охлаждения ТВФ Водородное форсированное охлаждение Обмотка статора – косвенное водородное Сталь статора – непосредственное водородное Обмотка ротора – непосредственное водородное ТВC Водородное охлаждение Обмотка статора – косвенное водородное Сталь статора – непосредственное водородное Обмотка ротора – косвенное водородное

26 В серии турбогенераторов ТВВ предусмотрены мощности 150, 165, 200, 500 и 800 МВт. Турбогенераторы имеют непосредственное охлаждение обмотки ротора водородом и непосредственное охлаждение обмотки статора дистиллированной водой, сталь статора охлаждается водородом косвенно. У турбогенераторов мощностью 165, 200 и 220 МВт газоохладители расположены горизонтально, у турбогенераторов 300…800 МВт – вертикально.

27 Наименование параметра Значение Номинальная кажущаяся мощность S НОМ, МВА 235,3 Номинальная активная мощность Р НОМ, МВА 200 Номинальное напряжение U НОМ, кВ 15,75 Номинальный ток I НОМ, А ,85 Номинальное напряжение возбуждения U воз НОМ, В 315 (300) Номинальный ток возбуждения I воз. НОМ, А 2660 (2540) Параметры турбогенератора ТВВ (ТВВ А)

28 Наименование параметраЗначение К. п. д., % 98,6 Избыточное давление водорода, кгс/см 2 3,0 Односторонний зазор, мм 80 (70) Диаметр расточки статора, мм 1235 (1215) Длина активной стали общая, мм 4300 (4200) Число радиальных вентиляционных каналов, шт. 70 (92) Длина вентиляционных каналов, мм 10 (5)

29 Наименование параметраЗначение Число пазов обмотки статора, шт. 30 (60) Соединение фаз Y (YY) Число выводов 6 (9) Масса статора в сборе (без охлаждающей жидкости), т 164 (170) Длина бочки, мм 4350 Число пазов ротора, шт. 36 Момент инерции J, тм 2 5,28 Критическая частота вращения, первая, об/мин 1350 (1370) Критическая частота вращения, вторая, об/мин 3400

30 Диаметр контактных колец, мм 460 Масса ротора, т 42 (42,8) Ток возбуждения х. х. при номинальном напряжении, А 1025 (920) x d – синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси, о.е. 1,88 (2.16) x d – сверхпереходное индуктивное сопротивление по продольной оси, о.е. 0,191 (0,180) – сверхпереходная постоянная времени, с 0,117 (0,114) x d ' – переходное индуктивное сопротивление по продольной оси 0,275 (0,272) – переходная постоянная времени, с 0,934 (0,91)

31 Системы вентиляции и охлаждения турбогенераторов Охлаждение и вентиляция ротора

32 Обмотки роторов турбогенераторов серии ТВФ и ТВВ имеют непосредственное форсированное охлаждение водородом по схемам самовентиляции с забором газа из зазора машины вход газов Ротор турбогенерат ора типа ТВФ и ТВВ с самовентиля цией

33 выход газов Газ из заборника поступает через отверстие в клине в канал, доходит до дна паза, обтекает катушку снизу, проходит по каналу на другой стороне катушки и выходит в зазор через выпускные отверстия в клиньях.

34 По признаку взаимного расположения заборников газа и дефлекторов, после которых возникает разрежение, способствующее движению газа внутри проводников, имеются секционированные и смешанные схемы вентиляции пазовой части ротора.

35 При секционированной схеме зоны входа и выхода газа сгруппированы в отсеки, чередующиеся один за другим (турбогенераторы ТВФ, ТВВ-150, ТВВ-200)

36 При смешанной схеме заборники и дефлекторы чередуются по всей длине ротора (ТВВ-300, ТВВ-500, ТВВ-800).

37 Фрагмент ротора ( заборники и дефлекторы )

38 Очевидно, что нагрев витков катушек будет неравномерным как по длине катушки, так и по высоте паза. Наиболее неравномерный нагрев верхних витков 1–3 т. к. во впускных отверстиях они охлаждаются холодным газом, а в выпускных нагретым в каналах.

39 Обмотки роторов, имеющих водяное охлаждение (ТВМ, ТГВ-500, ТГВ-800), изготавливаются из проводников, все или часть которых выполняются полыми для обеспечения циркуляции дистиллята.

40 Так как подводящий и отводящий каналы расположены концентрично на разных радиусах, при вращении ротора вода засасывается в него (дополнительный напор составляет 3– 10 кгс/см 2 ).

41 Охлаждение и вентиляция статора Циркуляция охлаждающего агента в статоре у выпускаемых в России турбогенераторов выполняется по двум принципиально разным схемам: радиальной и осевой (аксиальной).

42 При радиальной одноструйной или многоструйной схеме отвод тепла от пакетов активной стали статора производится газом, циркулирующим в радиальных каналах шириной 5–10 мм между пакетами и в зазоре турбогенератора. Циркуляция газа создается осевыми или центробежными вентиляторами, расположенными симметрично на валу ротора (ТВФ и ТВВ).

43 Многоструйная схема вентиляции, согласованная со схемой вентиляции ротора (ТВФ), создает благоприятные условия для работы заборников газа на роторе. С другой стороны, одноструйная схема вентиляции при водяном охлаждении обмотки статора (ТВВ) упрощает конструкцию корпуса статора и позволяет осуществить эффективное охлаждение лобовых частей обмотки ротора и торцевых пакетов сердечника статора.

44 При осевой схеме газ циркулирует в аксиальных каналах круглого сечения, полученных штамповкой в сегментах и расположенных в спинке и зубцах. Для обеспечения достаточной эффективности охлаждения применяются высоконапорные нагнетательные компрессоры, установленные на валу ротора (ТГВ) или маслонасосы (ТВМ).

45 Многоструйная нагнетательная система вентиляции турбогенератора типа ТВФ: холодный газ, горячий газ; – холодный газ к нам, х – горячий газ от нас

46 Схема вентиляции сердечника статора турбогенераторов типа ТВВ – вытяжная одноструйная. Охлаждающий газ подается в спинку статора, всегда направлен из каналов сердечника статора в зазор, что не согласовано с движением газа в роторе. Часть газа на выходе газопоглотителей забирается на охлаждение лобовых частей обмотки ротора. Циркуляция газа обеспечивается также или осевыми (ТВВ и ТВВ-200-2) или центробежными (ТВВ-320-2, ТВВ ) вентиляторами на валу ротора.

47 Одноструйная схема вентиляции статора турбогенератора ТВВ-200-2

48 В генераторе ТВВ применена одноструйная вытяжная вентиляция. Четыре газоохладителя расположены в статоре горизонтально. Осевые вентиляторы, установленные с двух сторон ротора, отсасывают нагретый газ из зазора и подают его через газоохладители в радиальные каналы сердечника статора. Часть холодного водорода направляется в лобовые части ротора и в концевые части статора для их охлаждения.

49 С 1972 г. турбогенераторы ТВВ изготавливаются с радиально-тангенциальной вентиляцией сердечника статора, позволившей создать хорошие тепловые запасы и при необходимости увеличить нагрузку этих машин на 10–15 МВТ. Такая же схема вентиляции применена на турбогенераторах ТВВ мощностью 500 и 800 МВт.

50 Зазор между статором и ротором у турбогенераторов с косвенным охлаждением имеет размеры 28,0–62,5 мм, а у турбогенераторов с непосредственным охлаждением 50,0 – 100,0 мм.

51 Турбогенераторы с водородно-водным охлаждением серии ТВВ Турбогенераторы с непосредственным охлаждением обмотки ротора водородом и обмотки статора - дистиллированной водой с заполнением корпуса статора водородом.

52 Турбогенераторы с полным водяным охлаждением серии ТЗВ

53 Турбогенераторы с воздушным охлаждением серий ТА, ТФ, Т3Ф ТА - турбогенераторы с косвенным охлаждением обмотки статора и ротора и непосредственным воздушным охлаждением сердечника ТФ - турбогенераторы с непосредственным воздушным охлаждением обмотки ротора и сердечника статора, с косвенным охлаждением обмотки статора Т3Ф- турбогенераторы с воздушным охлаждением по трехконтурной схеме. Все три серии объединяет форсированная воздушная система охлаждения