Содержание к диссертации
Введение
ОБЗОР И АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ ПО РАСЧЕТУ ДОБАВОЧНЫХ
ПОТЕРЬ В ПОЛЮСНЫХ НАКОНЕЧНИКАХ 9
1.1 Предварительные сведения 9
1.2 Результаты натурных исследований, доказывающие наличие трансформаторных потерь 11
1.3 Анализ известных публикаций по расчету добавочных потерь в полюсных наконечниках 15
1.4 Выполненные исследования по учету трансформаторных потерь 24
1.5 Выводы 26
ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТРАНСФОРМАТОРНЫХ
ПОТЕРЬ 28
2.1 Общие сведения 28
2.2 Возможность отражения процесса на модели 29
2.3 Крупномасштабная физическая модель для исследования потерь в полюсах гидрогенераторов 31
2.4 Методика измерения трансформаторных потерь 38
2.5 Техника измерений электрических параметров на физической модели и электроизмерительные приборы 43
2.6 Результаты экспериментального исследования и их анализ 46
2.7 Выводы 59
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ В ЗОНЕ ЗАКРЫТОГО ПАЗА 60
3.1 Особенности расчета 61
3.2 Определение индукции постоянного знака в наименьших сечениях околопазовой зоны 67
3.3 Дробление зон околопазовой области полюсного башмака на элементарные участки и определение в них индукции постоянного знака 77
3.4 Алгоритм расчета трансформаторных потерь 88
3.5 Применение закона полного тока к расчету тока в демпферном с тержне 93
3.6 Разделение трансформаторных потерь на составляющие
от вихревых токов и от гистерезиса 95
3.7 Коэффициенты вытеснения тока и магнитной проводимости по стали 101
3.8 Электромагнитные поля, основные коэффициенты и трансформаторные потери для демпферных стержней, расположенных в полузакрытых пазах 106
3.9 Выводы 111
4. РАСЧЕТ ТОКОВ В СТЕРШИХ ДЕМПФЕРНОЙ СИСТЕМЫ 112
4.1 Предварительные сведения 112
4.2 Характерные особенности магнитных полей в зубцовой зоне полюса 115
4.3 Определение основного поля гидрогенератора над рассчетными зонами 120
4.4 Наложение потоков статора от несинхронно вращающихся ВДС и реакции демпферной обмотки 126
4.5 Расчет токов демпферных стержней методом наложения полей 131
4.6 Пример расчета токов в демпферных стержнях 135
4.7 Выводы 143
ТРАНСФОРМАТОРНЫЕ ПОТЕРИ Б ПОЛЮСАХ МОЩНЫХ СИНХРОННЫХ
ГЕНЕРАТОРОВ 144
5.1 Электромагнитные полян трансформаторные потери в конструкционных деталях полюса 144
5.2 Трансформаторные потери - составная часть добавочных потерь 148
5.3 Влияние геометрических размеров зон закрытых пазов полюсов современных мощных гидрогенераторов
на формирование трансформаторных потерь 157
5.4 Некоторые приложения материала анализа
магнитных полей в полюсном наконечнике .,., 158
5.5 Выводы 165
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 166
ПРИЛОЖЕНИЯ 169
ЛИТЕРАТУРА 186
- Результаты натурных исследований, доказывающие наличие трансформаторных потерь
- Возможность отражения процесса на модели
- Определение индукции постоянного знака в наименьших сечениях околопазовой зоны
- Характерные особенности магнитных полей в зубцовой зоне полюса
- Электромагнитные полян трансформаторные потери в конструкционных деталях полюса
Введение к работе
В дальнейшем развитии гидроэнергетики в соответствии с решениями Коммунистической партии и Правительства Советского Союза значительная роль отводится освоению крупных рек Сибири, для которых сооружаются и будут сооружаться сверхмощные гидроэлектростанции. Такие станции будут оборудованы гидрогенераторами единичной мощностью 600-1000 мВт. Столь значительные единичные мощности возможны лишь при повышении степени использования активных материалов за пределы (1000-1200)-102 А/м. Это в частности связано с увеличением потерь, выделяемых на полюсе несинхронными ВДС статора, что в свою очередь требует дальнейшего изучения совокупности факторов и физических процессов формирующих эти потери; совершенствования и уточнения способов определения и расчета добавочных потерь в полюсах. Именно эти вопросы и являются основными в данной работе.
Результаты настоящей работы позволяют определить на основе экспериментальных и теоретических исследований ранее не учитываемую составляющую добавочных потерь, так называемые трансформаторные потери, выделяющиеся в стали в результате пульсации магнитного потока рассеяния, замыкающегося вокруг демпферного стержня, по которому протекает переменный ток, в длительных рабочих режимах гидрогенератора.
Основные задачи данного исследования включают: экспериментальное исследование трансформаторных потерь на физических моделях, не отличающихся от реальных генераторов по электромагнитным нагрузкам и геометрии околопазовой зоны; разработку способа расчета этих потерь при заданной несин- хронной ВДС статора; выявление величин этих потерь на современных генераторах высокого использования; разработку мероприятий по их уменьшению.
Из сказанного очевидно, что в работе использованы экспериментальные и теоретические методы исследования.
Основной научный результат заключается в возможности расчетного определения трансформаторных потерь с учетом всей совокупности влияющих факторов, в числе которых ранее не учитываемые: реальная геометрия пазовой зоны полюса и его действительное магнитное поле. Учет перечисленных факторов позволяет полагать, что результаты могут найти непосредственное применение в практике электромагнитных расчетов, необходимых при создании новых генераторов .
В соответствии с отмеченным направлением настоящего исследования в первом (обзорном) разделе приведены данные натурных испытаний гидрогенераторов нескольких крупных электростанций, взятые из материалов следующих организаций: междуведомственной коми ссии, принимавшей генераторы Красноярской ГЭС, ГрузШИЭК!, ВШИэлектромаш, НИИ ЛПЭО "Электросила", БИС Гидропроекта, и других организаций. Проведен обзор исследований, касаюишхся добавочных потерь в работах Я.Б. Данилевича, Н.А. Кулика, Г.Н. Тер-Газа-ряна, И.И. Талалова и других авторов, а также освешен вопрос уточнения добавочных потерь. В этом же разделе сформулированы основные задачи диссертационной работы.
Во втором разделе диссертации дается обоснование возможности исследования вопросов, связанных с формированием трансформаторных потерь на физической модели. Дана техническая характерне- тика физической модели, силового оборудования и средств измерения. Описана методика измерения трансформаторных потерь, приведены основные результаты исследований на модели.
В третьем разделе проведено аналитическое исследование механизма выделения трансформаторных потерь, возникающих при протекании токов в демпферных стержнях. Описан способ расчета распределения индукции от основного потока генератора в околопазовой области, включая и зону нижнего мостика. Приведен алгоритм расчета трансформаторных потерь для составления программы расчета потерь на ЭВМ. На основании разработанного расчета уточнены зависимости параметров демпферных стержней, а также произведено разделение трансформаторных потерь на составляющие от вихревых токов и гистерезиса, дана их количественная оценка. Показано как важен учет нижнего мостика области закрытого паза при расчете потерь и параметров демпферной системы.
В четвертом разделе диссертации изложено развитие способа расчета токов в деглпферных стержнях по заданной несинхронной ЩО статора, предложенного профессором Г.Н.Тер-Газаряном в /^/.применительно к задаче настоящей работы, связанной с определением потоков рассеяния демпферных стержней с учетом основного потока машины, разницы набегающего и сбегающего стержней, геометрических размеров околопазовой области, влияющей на распределение отмеченных потоков и других факторов. Описана методика упрощенного расчета токов в деглпферных стержнях в общем виде с необходимой для практических расчетов точностью. В основе методики лежит наложение электромагнитных полей в околопазовой области полюсного наконечника. Приведен соответствующий алгоритм расчета.
В пятом разделе дана количественная оценка трансформаторных - 8 -потерь, выделяющихся в полюсных башмаках и щеках полюсов генераторов высокого использования с однослойной и двухслойной обмотками на статоре. Показано насколько существенны они при определении добавочных потерь и основного показателя машины - ее КПД. Описана возможность подбора такой геометрии зоны закрытого паза, при которой трансформаторные потери существенно снижаются. Предложены практические пути для глаксимального снижения трансформаторных потерь в полюсах гидрогенераторов.
В заключении перечислены общие выводы настоящей работы и проблемы, требующие дальнейших исследований и решений.
Работы по теме диссертации проводились в отделе "Электроэнергетики и электрических машин" ГрузНШЭГС под руководством профессора, доктора технических наук Г.Н.Тер-Газаряна.
По материалам диссертации соискателем опубликовано семь печатных работ, на которые в соответствующих разделах сделаны ссылки.
class1 ОБЗОР И АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ ПО РАСЧЕТУ ДОБАВОЧНЫХ
ПОТЕРЬ В ПОЛЮСНЫХ НАКОНЕЧНИКАХ class1
Результаты натурных исследований, доказывающие наличие трансформаторных потерь
Ряд процессов, не имевших существенного значения для генераторов с малой и умеренной линейной нагрузкой, как было отмечено в подразделе 1.1, становятся существенншл для машин с высокой линейной нагрузкой.
В таблице 1.1 приведены результаты натурных испытаний ги дроагрегатов нескольких крупных электростанций. Данные по генераторам Красноярской ГЭС взяты из материалов междуведомственной комиссии, принимавшей эти генераторы. Опытные данные по генераторам остальных гидростанций взяты из материалов ГрузНМИЭГС, ШСа Гидропроекта, ВНШэлектромаш, ЕНШЭ и других организаций, выполнявших комплексные натурные испытания на указанных ГЭС. Гидрогенераторы в таблице расположены в порядке убывания их линейных нагрузок А, что позволяет оценить зависимость расхождения значений между опытом и расчетом от линейной нагрузки гидрогенератора. В большей степени разница проявляется в графах для Рст - потери в стали и Р 0 - добавочные потери. Р включают в себя потери от перемагничивания сердечника основным потоком, а также потери от вихревых токов, наводимых в массивных частях сердечника и на поверхности полюсного башмака в результате изменения потока. К РН0 относятся потери, связанные с токами в обмотках, в том числе джоулевы потери в демпферной обмотке, вызываемые наведенными в ней токами зубцовой частоты. Кроме перечисленных известных потерь существуют еще и трансформаторные потери в стали полюсов от вихревых токов, вызываемые пульсацией потока, замыкающегося вокруг демпферных стержней. Этот пульсирующий поток неизбежно появляется с появлением тока в демпферных стержнях.К числу неучитываемых потерь в стали относятся и трансформаторные потери в полюсных массивных щеках от потока, вызванного током в демпферных стержнях. Эти потери при больших токах в демпферных стержнях могут оказаться весьма значительными и неучет их при расчете добавочных потерь может также привести к неверному результату. РО0 кроме джоулевых потерь в материале демпферной обмотки включают потери, вызванные различными вторичными явлениями, появляющимися при нагрузке генератора, в том числе потери от вихревых токов в стальных массивах торцевых зон сердечника, наведенных потоком рассеяния, замыкающимся вокруг лобовых частей,потери в зубцах статора от третьей гармонической потока реакции статора и потери пазового рассеяния.
class2 ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТРАНСФОРМАТОРНЫХ
ПОТЕРЬ class2
Возможность отражения процесса на модели
Сложность и многофакторность процесса формирования трансформаторных потерь в реальных машинах можно с определенной степенью точности изучить на модели, удовлетворяющей ряду условий, делающих данную модель фактическим аналогом. Результаты такого исследования должны быть положены в основу разработки методики расчета трансформаторных потерь.
Применение метода двух реакций, дающего возможность вращающееся поле заменить двумя пульсирующими полями в продольной и поперечной осях машины со сдвигом по фазе на четверть периода в пространстве и времени, позволяет считать двухфазную статическую модель в принципе пригодной для исследования вращающихся полей. Кроме того, непосредственное формирование трансформаторных потерь в основном определяется потоком рассеяния демпферного стержня и постоянным потоком полюсов, которые взаимодействуют в околопазовой зоне полюсного наконечника, поэтому практически не имеет значения вращается полюс или он неподвижен. Определяющую роль в данном случае играют только электромагнитные величины,уровень которых должен соответствовать реальным генераторам, при этом имеется в виду и полная аналогия геометрических размеров пазов и околопазовых зон.
Учитывая, что магнитное сопротивление околопазовой области стали являться определяющим для тока демпферного стержня и потока рассеяния, замыкающегося вокруг него, можно при необходимости процесс наведения токов в стержнях заменить его пропусканием,соблюдая равные условия в стали. Оба варианта позволяют глубже изучить сагл процесс и имеют каждый свои преимущества. Таким образом, физическая модель, кроме возможности решения поставленной задачи, обладает положительными свойствами,которые необходимы при исследовании столь сложного процесса.
Первая статическая модель для исследования параметров демпферной обмотки была сконструирована А.Г.Назаряном (описание ее приведено в /19/), на которой убедительно было показано наличие трансформаторных потерь и возможность их исследования в лабораторных условиях. Результаты этой работы показали необходимость более строгого охвата всех сторон процесса. С этой целью Г.Н.Тер-Газа-ряном были составлены технические условия на новую модель-фрагмент практически не отличающуюся от натуры по электромагнитным нагрузкам геометрии пазовой зоны полюса и по возможностям изучения влияния основного потока генератора.
ЕрПИ им.К .Маркса и ГрузЕШГС была разработана и построена в ПО "Армэлектромаш" крупномасштабная физическая модель, удовлетворяющая всем основным условиям.
Определение индукции постоянного знака в наименьших сечениях околопазовой зоны
На первом этапе расчета трансформаторных потерь строится масштабный эскиз рассчитываемого участка околопазовой области и определяются магнитные пути для потока постоянного знака в нем. Определяются также наиболее суженные сечения на пути магнитных потоков.
На рисунке 3.4 в качестве примера дан эскиз области крайнего закрытого паза полюса генератора Красноярской ЕЭС с примерной картиной распределения плотности магнитных силовых линий, полученной расчетом, приводимым ниже. Поток рассеяния обмотки возбуждения принят замыкающимся через торец крошен (mn рис. 3.4), та часть его, которая замыкается через нижнюю сторону ( mj- рис. 3.4),ввиду малости его, в расчете не учитывается. Как видно из этого рисунка, область, примыкающая к пазу, имеет характерные наиболее суженные сечения на пути магнитного потока. Это верхний мостик h, , нижний мостик h » зубец п3 и кромка (между пазом и торцом) hK . Кроме того, необходимо знать величины сторон mn, пк » КО » образующие рассчетную пазовую область, через которые постоянный поток попадает в воздушный зазор.
На рисунке 3.3 изображена та же область закрытого паза с расположением измерительных витков, опоясывающих характерные участки с наименьшими сечениями магнитным путям в области закрытого паза. В таблицу1 3.1 сведены результаты, полученные с помощью измерительных витков, подключаемых к веберметру во время изменения индукции постоянного знака в воздушном зазоре над областью закрытого паза.
Характерные особенности магнитных полей в зубцовой зоне полюса
В эксплуатационных режимах полюса генераторов пронизываются полями несинхронных ВДС статора, имеющих широкий диапазон относительных скоростей. Спектр частот наиболее значительных токов, наведенных этими полями в контурах ротора, находится в пределах 50--900 Гц. При рассмотрении полей, возбуждаемых токами столь широкого спектра частот, использованы общепринятые в теории электрических машин допущения: независимости гармонического ряда этих полей друг от друга. Каждое из вращающихся несинхронных ВДС статора для удобства расчета заменяется двумя неподвижными пульсирующими полями, которые сдвинуты в пространстве Поля, образованные несинхронными ВДС, согласно теории электрических машин, могут быть рассчитаны по формулам, выведенным для первой гармонической, если ввести в эти формулы соответствующие параметры для высших гармонических (амплитуду индукции В , полюсное деление , угловую скорость волны индукции ).Так по /4/ действующая ЭДС -ч) -ой гармонической фазы равна:
В обшем случае результирующее поле в зоне полюсного наконечника формируется под действием продольно-поперечного пульсирующих несинхронных ЩС статора полей рассеяния демпферной обмотки и основного поля машины. Однако практический интерес предетавляют и случаи, когда какое-либо из полей значительно снижено и им можно пренебречь. Так, например, при трехфазном коротком замыкании основной поток машины мал и его влиянием на переменное поле в зуб-цовой зоне можно пренебречь. В режиме синхронного компенсатора сильно снижена роль поперечной составхшошей поля и т.д. Учитывая эти обстоятельства, можно значительно упрощать расчет токов в демпферных стержнях в зависимости от режима работы гидрогенератора.
В связи с этим в общем случае при расчете токов нужно учитывать как индуктивные сопротивления демпферных стершей, так и их активные сопротивления, которыми в основном обуславливается некомпенсированный поток взаимоиндукции.
class5 ТРАНСФОРМАТОРНЫЕ ПОТЕРИ Б ПОЛЮСАХ МОЩНЫХ СИНХРОННЫХ
ГЕНЕРАТОРОВ class5
Электромагнитные полян трансформаторные потери в конструкционных деталях полюса
К конструкционным деталям полюса относятся прижимные массивные щеки, обрамляющие с торцов шихтованный сердечник полюса.Для мощных генераторов щеки применяют для прессовки корпуса полюса и удержания козырьком катушки возбуждения и лобовых частей демпферных стержней. Материалом для литых щек по данным /59/ служат конструкцію иная углеродистая низколегированная или легированная стали, изготовляемые методом свободной ковки.
Массивные щеки считаются электрически пассивными элементами, поэтому в современной литературе электромагнитным расчетом машины не охватываются. Правда, в /60/ и /4/ отмечено, что через кромки шек замыкается поток рассеяния обмотки возбуждения и его необходимо учитывать при расчете основного потока полюсов.В мощных генераторах длина щеки вдоль паза для демпферного стержня демпферных стержней находятся в пределах от 0,13 до 0,3 метра. Учитывая, что на каждом полюсе имеется по две щеки, соответственно, на удвоенной указанной длине расположены в них демпферные стержни, причем, пазы для демпферных стержней в щеках выполняются всегда закрытыми.
При протекании токов в демпферных стержнях вокруг них возникают значительные пульсирующие магнитные потоки. В зонах сгущения магнитного потока (в мостиках) индукция оказывается значительной, что приводит к дополнительным трансформаторным потерям. Для получения полной картины физического процесса в массивных щеках нужно иметь в виду, что, хотя щека расположена вне активной зоны машины, тем не менее по ним частично может замыкаться основной поток генератора. Это обстоятельство требует выяснения распределения индукции в щеке. Таким образом, и в щеках имеет место наложение полей постоянного и переменного знака, аналогичное описанному в разделе 3, для листов стали полюса. Методика расчета трансформаторных потерь, приведенная в разделе 3, предполагает сечение листов, в которых начинает проявляться поверхностный эффект. Чем листы толще, тем резче он проявляется, соответственно точнее рассчетные результаты. Следовательно, для расчета трансформаторных потерь в массивных щеках необходимо применять именно эту методику. Однако, и в этом случае имеются некоторые особенности применительно к расчету трансформаторных потерь в массивных щеках.
