1 – вал; 2 – полюс индуктора; 3 – полюсный башмак; 4 – успокоительная обмотка; 5 – катушка обмотки возбуждения; 6 – зубчатый слой и обмотка якоря; 7 – спинка якоря; 8 – корпус; 9 – контактные кольца
Рисунок 1.1 – Конструкции явнополюсных СГ
Выбор той или иной магнитной системы зависит от мощности, тока статора, частоты вращения СГ. Преимущество системы с вращающимся индуктором – наличие только двух скользящих контактов с малыми размерами контактных колец. Это имеет решающее значение при проектировании мощных СГ, так как осуществлять токосъем больших токов якоря при размещении трехфазной обмотки на роторе довольно трудно, к тому же при данном расположении условия охлаждения более благоприятные.
Однако в СГ с вращающимся якорем активные и конструктивные материалы используются лучше, чем в СГ с вращающимся индуктором. Корпус одновременно является и магнитопроводом. Поэтому эти генераторы при небольшой мощности (до 30 кВ×А) имеют конструктивную массу примерно на 15 % меньше, чем генераторы с вращающимся индуктором той же мощности, и меньший наружный диаметр. При большей мощности эти преимущества утрачиваются. За счет контактных колец при больших токах сильно возрастают аксиальные размеры, уменьшается надежность работы контактного устройства.
При больших окружных скоростях ротора для обеспечения лучшей жесткости и прочности конструкции обмотку возбуждения делают распределенной (рисунок 1.2). Обмотка возбуждения занимает лишь 2/3 его поверхности, оставшаяся 1/3 часть поверхности образует полюсы. Роторы такого СГ (для обеспечения промышленной частоты 50 Гц) выполняют либо двухполюсными (3000 об/мин), либо четырёхполюсными (1500 об/мин). Вышеуказанные машины приводятся паровыми турбинами, от чего получили название – турбогенераторы.
Рисунок 1.2 – Ротор неявнополюсного СГ
В более подробном рассмотрении конструкций СГ нет необходимости, поскольку они подробно рассмотрены во многой технической и справочной литературе.
1.3 Пути повышения энергоэффективности СГ
1.3.1 Внедрение новых электроизоляционных материалов
Реальной возможностью обеспечения высокой энергоэффективности является разработка и внедрение новых электроизоляционных материалов и систем электромашинной изоляции за счет снижения геометрических размеров и улучшения эксплуатационных характеристик последних.
В любой ЭМ активная зона, в которой собственно и происходит преобразование энергии, состоит из проводниковых, магнитопроводящих и изоляционных материалов. Первые две группы - неизбежные составляющие процесса преобразования, изоляция служит для их надежного разделения. Но именно она в значительной мере определяет, с одной стороны, уровень удельных затрат на создание ЭМ, а, с другой, - надежность ее работы.
Повышение качества изоляции позволяет увеличить электрические, физико-механические, тепловые нагрузки, т. е. удельные характеристики ЭМ. В итоге достигается относительное сокращение расхода электротехнической стали, черных и цветных металлов, обмоточной меди на единицу мощности ЭМ. Расчеты показывают, что за счет снижения толщины изоляции на 15-20% мощность ЭМ может быть повышена в тех же габаритах на 4-10%, что соответствует снижению расхода черных и цветных металлов на 3-8%. Повышение допустимого перегрева электрической обмотки до 200 оС позволяет увеличить мощность ЭМ на 13-15%, т. е. на 10-12% снизить их материалоемкость. От качества электроизоляционных материалов также во многом зависит степень механизации и автоматизации обмоточно-изолировочных работ, длительность технологического цикла изготовления изоляции. Это особенно важно для мощных турбо - и гидрогенераторов с высокими номинальными напряжениями от 10,5 кВ и выше.
Анализ динамики изменения толщины корпусной изоляции статорных обмоток ЭМ машин в течение прошедшего столетия показывает, что геометрические размеры изоляции снизились достаточно существенно (более чем в 5 раз), обеспечив тем самым рост удельной мощности современных ЭМ в десятки раз. Такой прогресс достигнут за счет кардинального изменения электроизоляционных материалов, использующихся при производстве систем электромашинной изоляции: от старых термопластичных до современных термореактивных материалов с различным содержанием природной слюды.
Слюда, обладающая высокой электрической прочностью, короностойкостью и стойкостью к механическому износу в результате трения, является одним из лучших из существующих неорганических диэлектриков, наиболее адекватно отвечает условиям эксплуатации ЭМ. За последние 45 лет содержание слюды в изоляции статорных обмоток возросло практически в 3 раза (с 25 % в 1960 г. до 67% 2005 г.), обеспечив существенное улучшение электрических характеристик (электрической прочности, диэлектрических потерь, долговечности).
В настоящее время преимущественное распространение в СГ большой мощности получила термореактивная изоляция типа «Слюдотерм», «Монолит», «ВЭС» и ее модификации, разработанная ведущими электромашиностроительными заводами России. Эта изоляция имеет существенно лучшие свойства, чем применявшаяся ранее микалентная компаундированная изоляция (таблица 1.1), хорошо совместима с эпоксидными связующими и пропиточными составами. Замена микалентной изоляции на термореактивную позволяет примерно на 30 % уменьшить ее толщину при одновременном уменьшении перепада температуры в ней без ухудшения надежности изоляционной конструкции.
Таблица 1.1 - Сравнительная характеристика микалентной и термореактивной изоляций
Характеристика изоляции | Тип изоляции | |
Микалентная | Термореактивная | |
Допустимая рабочая температура, °С | 105 | 130 |
Электрическая прочность, кВ/мм | 14... 17 | 28... 34 |
Коэффициент теплопроводности, Вт/см2 | 0,0016 | 0,0022 |
tgδ при 20 °С | 0,01 ...0,02 | 0,01 |
tgδ при 120 °С | 0,15...0,25 | 0,06 |
Уменьшение площади изоляции при неизменных размерах паза позволяет увеличить сечение эффективного проводника, причем, чем выше класс напряжения (толще изоляция), тем больше эффект. Таким образом, при неизменной плотности тока можно увеличить номинальный ток и мощность ЭМ без увеличения рабочей температуры. При неизменном токе и мощности снижаются плотность тока в обмотке, электрические потери и рабочая температура, что повышает надежность обмотки. В ряде случаев дополнительное место в пазу может быть использовано для размещения полых трубок при переводе обмотки якоря на водяное охлаждение (для СГ большой мощности).
Одновременно с улучшением изоляционной конструкции в некоторых случаях улучшают транспозицию стержней, доводя угол транспозиции до 540° с целью уменьшить потери от циркуляционных токов, особенно в зоне лобовых частей.
Повышение мощности СГ невозможно только за счет оптимизации якорной (статорной) обмотки. Одновременно необходимо оптимизировать и обмотку возбуждения для увеличения ее номинальной МДС. Только в этом случае удается сохранить неизменным коэффициент мощности (cosj) в режиме перевозбуждения или даже уменьшить его.
1.3.2 Применение улучшенных сортов электротехнической стали
Как известно, величина магнитных потерь в большей степени зависит от выбранной марки электротехнической стали. Поэтому наиболее рационально применять марки стали с минимальными удельными потерями. Зависимость удельных магнитных потерь электротехнических холоднокатаных изотропных сталей от частоты перемагничивания приведена на рисунке 1.3 (кривые 1, 2, 3 и 4 соответственно для сталей 2421 толщиной 0,18 мм; 2411 толщиной 0,35 мм; 2312 толщиной 0,5 мм и 2013 толщиной 0,5 мм).
р, Вт/кг
f, Гц
Рисунок 1.3 - Зависимость удельных потерь от частоты перемагничивания
Как видно из рисунка 1.3 удельные потери стали 2421 (0,18 мм) даже при частоте 50 Гц в 1.6, 2 и 3,35 раз меньше удельных потерь сталей марок 2411 (0,35мм), 2312 (0,5 мм) и 2013 (0,5 мм) соответственно. На основании чего можно считать, что наиболее рациональным вариантом является использование стали 2421, которая в большинстве случаев используется в высокооборотистых ЭМ, где главными источникам потерь являются потери в стали.
Удельные потери на гистерезис и вихревые токи не стоит считать единственным критерием, определяющим правильность выбора той или иной марки стали, поскольку магнитная проницаемость у них различная. Сталь марки 2421 насыщается быстрее, нежели другие рассмотренные стали, что приводит к уменьшению рабочего магнитного потока машины. К тому же коэффициент заполнения магнитопровода статора сталью с утоньшением листа уменьшается, что также приводит к снижению магнитного потока. На основании чего для наиболее правильного решения необходимо использовать комплексный подход с рассмотрением множества вариантов и выбора наиболее приемлемого.
1.3.3 Оптимизация системы вентиляции
Оптимизация вентиляционной системы определяется опытом эксплуатации каждой ЭМ и не имеет унифицированных технических решений. Как правило, она проводится путем увеличения давления или расхода охлаждающего теплоносителя.
У турбогенераторов с косвенным охлаждением с ростом давления водорода температурный перепад на разделах «поверхность - водород» снижается приблизительно пропорционально росту давления. В меньшей мере снижается перегрев самого водорода. В итоге снижается рабочая температура обмоток. При увеличении давления необходимо усилить уплотнения вала и других узлов, обеспечивающих герметичность корпуса (включая сварные соединения).
Кроме увеличения давления используют форсированное охлаждение лобовых частей обмотки возбуждения за счет усовершенствования каналов выпуска водорода из подбандажного пространства. Это позволяет увеличить расход газа через лобовые части и тем самым уменьшить их температуру. Кардинальным решением вопроса является перевод обмотки возбуждения на непосредственное газовое охлаждение.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 |
Основные порталы (построено редакторами)