Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор исследований и разработок в области АС-машин 11
1.1. Области применения АС-машин 11
1.2. Принцип работы АС-генератора 14
1.3. Конструкции АС-турбогенераторов 19
1.4. Несимметричные режимы. Причины возникновения и методы исследования 27
1.5. Несимметричные режимы генераторов 33
Глава 2. Характеристики АС-турбогенераторов в несимметричных режимах 46
2.1. Постановка задачи 46
2.2. Математическое описание АС-турбогенератора в несимметричных режимах 48
2.3. Токи, напряжения и сопротивления прямой и обратной последовательности 59
2.4. Требования к системе управления возбуждением АС-турбогенератора в несимметричном режиме 67
2.5. Активные и реактивные мощности АС-турбогенератора в несимметричных режимах . 81
2.6. Потери в массиве ротора АСТГ-200 при несимметричной нагрузке 87
Глава 3. Области допустимых несимметричных режимов АС-турбогенераторов 93
3.1. Постановка задачи 93
3.2. Уравнения для построения фазных нагрузочных диаграмм АО-турбогенератора в несимметричных режимах 94
3.3. Фазные нагрузочные диаграммы АС-турбогенератора для несимметричных режимов 99
3.4. Графо-аналитический метод построения областей допустимых режимов АС-турбогенера- тора в несимметричных режимах 102
3.5. Области допустимых режимов АСТГ-200 при несимметричной нагрузке и S = 0 112
3.6. Области допустимых режимов АСТГ-200 при несимметричной нагрузке и S ^ О 118
3.7. Области допустимых несимметричных режимов АСТГ-200 в координатных осях vu , vu » Кн 123
3.8. Сравнительная оценка полученных характеристик несимметричных режимов АСТГ-200 нормируемых ГОСТом величин 128
3.9. Область допустимой несимметрии АСТГ-200
в режимах потребления реактивной мощности 132
Глава 4. Компенсация несимметричных режимов АС-турбогенератора 141
4.1. Постановка задачи 141
4.2. Особенности симметрирования режима АС-турбогенератора 142
4.3. Компенсация несимметрии путем симметрирования поля в зазоре АС-турбогенератора 148
4.4. Компенсация несимметрии путем симметрирования цепи статора АС-турбогенератора 152
4 4.5.Компенсация несимметрии в АО-турбогенераторах с массивным ротором 160
4.6.Симметрирование поля в зазоре АС-турбогенератора с массивным сердечником ротора и вставными зубцами 162 4.7.Симметрирование тока статорной цепи АС-турбо- генератора с расслоенным ротором 171
Выводы 175
Заключение 176
Литература 179
Приложение I
- Принцип работы АС-генератора
- Математическое описание АС-турбогенератора в несимметричных режимах
- Уравнения для построения фазных нагрузочных диаграмм АО-турбогенератора в несимметричных режимах
- Особенности симметрирования режима АС-турбогенератора
Введение к работе
Актуальность темы. "Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" предусмотрено существенное увеличение объема производства электроэнергии, совершенствование технико-экономических показателей энергетического оборудования, что нашло отражение в Энергетической программе СССР. Энергетической программой предусмотрено дальнейшее развитие Единой Энергосистемы Советского Союза.
Развитие электроэнергетики характеризуется повышением единичной мощности электрогенераторов,достигшей более миллиона киловатт и созданием развитой системы линий электропередач высокого и сверхвысокого напряжения,связывающих отдельные промышленные районы. Увеличивается единичная мощность и некоторых потребителей электроэнергии, что приводит к большой неравномерности нагрузки линий электропередач , порождающей избыток реактивной мощности во время снижения активной.В таких системах возникает проблема потребления реактивной мощности.Использование синхронных генераторов и синхронных компенсаторов не всегда решает эту проблему в связи с недостатками, присущими этим машинам.
Как одно из возможных решений указанной проблемы рассматривается создание асинхронизированных синхронных турбогенераторов (AGTrjL Теоретические и экспериментальные исследования,проведенные в СССР и за рубежом,показали,что применение АСТГ позволит повысить пределы устойчивости энергосистемы,обеспечить устойчивую работу в режимах глубокого потребления реактивной мощности,существенно облегчить условия регулирования напряжения и повысить экономичность режимов работы электроэнергетических систем.
Исследования показали,что годовой экономический эффект от внедрения одного АСТГ мощностью 1000 МВт на строящихся атомных электростанциях ОЭС Юга составляет около 700 тыс. руб.[П8]. При этом экономический эффект определен на основании сопоставления расчетных затрат на установку АСТГ с затратами на компенсацию реактивной мощности шунтирующими реакторами, без учета эффекта от повышения пределов динамической устойчивости энергосистемы.
В настоящее время работы по созданию АСТГ ведутся в соответствии с Целевой комплексной научно-технической программой ГКНТ СССР, Госплана СССР и АН СССР О.Ц. 002 (подпрограмма 0.01.0ІЦ, задание Об.), которая предусматривает разработку и изготовление опытно-промышленного образца АС-турбогенератора мощностью 200 МВт(АСТГ-200),который предполагается установить на Бурштынской ГРЭС системы Львов-энерго.Ведутся работы по созданию АС-турбогенераторов мощностью до 1000 МВт.В работах принимает участие ряд организаций:ВНИИЭ,ВНИИ Электромаш,НШ"Электротяжмаш",Украинское отделение ВГОИ и НИИ "Электросетьпроект", ИЭД АН УССР, МЭИ, КПИ, и др.
Проведенные до настоящего времени исследования АСТГ касались симметричных режимов.Однако,в практике эксплуатации энергосистем неизбежны длительные и кратковременные несимметричные режимы.Причем в общем числе потребителей растет удельный вес несимметричных электроприемников,единичная мощность которых также увеличивается. Несимметричные режимы приводят к недоиспользованию установленных электрогенерирующих мощностей и ухудшению качества электроэнергии. Для обеспечения требований стандарта к качеству электроэнергии и улучшения технико-экономических показателей электрооборудования в энергосистемах применяются различные симметрирующие устройства.
Предполагаемое внедрение АСТГ в промышленную эксплуатацию-во первых,конструктивные отличия АСТГ от синхронных турбогенераторов -во вторых и возможность работы АСТГ со скольжением и в режимах глубокого потребления реактивной мощности-в третьих-предопределя-ют актуальность исследований несимметричных режимов АСТГ.
Основной целью работы является исследование свойств и характе 7 ристик АСТГ в длительных несимметричных режимах для определения обоснованных критериев допустимости их работы в этих режимах.
Для достижения указанной цели требуется решить ряд задач, включающих в частности:
- определение возможных длительно допустимых несимметричных режимов работы АС-турбогенераторов и анализ факторов,ограничивающих эти режимы;
- выработка критериев допустимой работы АС-турбогенераторов
в несимметричных режимах и сравнение этих критериев с существующими согласно ГОСТ для синхронных турбогенераторов и с ТУ, разработанными для АС-турбогенераторов;
- изучение возможностей симметрирования несимметричных режи
мов путем введения напряжения компенсации несимметрии в обмотку
возбуждения АС-турбогенератора.
Методы исследования. Исследования проводились:
- аналитическими методами с использованием обобщенной теории электромеханического преобразования энергии и метода симметричных составляющих;
- графоаналитическим методом на основе комплексных уравнений АС-турбогенератора для установившихся несимметричных режимов работы;
- методами математического моделирования на основе численного решения уравнений АС-турбогенератора.
К защите представляется:
1. Аналитическое решение задачи определения ряда величин,характеризующих несимметричный режим АС-турбогенератора.
2. Графо-аналитический метод построения фазных нагрузочных диаграмм АС-турбогенератора в несимметричных режимах.
3. Аналитическое решение задачи определения границ областей допустимых несимметричных режимов, обусловленных допустимыми потерями в обмотке статора и контурах ротора АС-турбогенератора, с учетом действия вихревых токов в сердечнике ротора при нулевом и ненулевом рабочем скольжении.
4. Аналитическое решение задачи определения границ областей допустимой несимметрии АС-турбогенераторов в областях потребления реактивной мощности.
5. Результаты аналитических исследований возможности компенсации несимметрии поля в зазоре и несимметрии цепи статора АС--турбогенераторов.
Научная новизна.
1. Предложена математическая модель АС-турбогенератора для исследования длительных несимметричных режимов, с помощью которой получены аналитические выражения для определения ряда величин, характеризующих несимметричные режимы АС-турбогенераторов при нулевом и ненулевом рабочем скольжении.
2. Исследованы особенности управления возбуждением АС-турбогенераторов в несимметричных режимах.
3. Разработана методика построения фазных нагрузочных диаграмм АС-турбогенераторов в несимметричных режимах.
4. Предложен графо-аналитический метод построения областей допустимых режимов,обусловленных допустимыми потерями в обмотке статора и суммарными потерями в контурах ротора АС-турбогенератора при нулевом и ненулевом рабочем скольжении, для ряда конструкций роторов при косвенном и непосредственном охлаждении сердечника ротора.
5. Предложен метод определения областей допустимой несимметрии АС-турбогенераторов в режимах потребления реактивной мощности.
6. Предложены способы симметрирования магнитного поля и цепей статора АС-турбогенератора в несимметричных режимах.
7. Предложен графо-аналитический метод построения областей допустимых режимов АС-турбогенераторов при компенсации несимметрии. Практическая ценность.
1. Разработаны инженерные аналитические методы, алгоритм и программный комплекс расчета на ЦВМ границ областей допустимых несимметричных режимов АС-турбогенераторов по потерям в обмотке статора и суммарным потерям в роторе.
2. Выработаны критерии длительных допустимых несимметричных режимов работы АС-турбогенератора АСТГ-200.
3. Исследованы возможности расширения областей допустимых режимов АСТГ-200 при несимметрии за счет непосредственного охлаждения зубцовой зоны сердечника ротора.
4. Показана возможность компенсации несимметричных режимов АС-турбогенераторов с различными конструкциями сердечников роторов.
Внедрение результатов работы.
1. Разработанные в диссертационной работе методы построения областей допустимых режимов и областей допустимой несимметрии использованы ВНИИЭ при анализе установившихся несимметричных режимов работы АС-турбогенераторов.
2. Результаты исследований управления возбуждением АС-турбогенераторов в несимметричных режимах использованы ВНИЙЭ при разработке системы возбуждения и регулирования АС-турбогенератора.
Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались:
1. На научной конференции МЭЙ, посвященной 60-летию образования СССР, г. Москва, 1982 г.
2. На Республиканской научно-технической конференции "Перспективы развития электромашиностроения на Украине", г. Харьков, сентябрь 1983 г.
3. На заседании кафедры электрических машин МЭИ, г. Москва, октябрь 1984 г.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано три печатных работы. Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, содержит 133 страницы основного текста, 48 рисунков, I таблицу, включает список использованной литературы из 123 наименований и 9 приложений.
Краткое содержание работы.
Во введении рассмотрено состояние проблемы создания и внедрения в энергетику АС-турбогенераторов.Обосновывается актуальность задачи исследования характеристик и режимов работы АС-турбогенераторов при несимметрии, формулируется цель и основные задачи работы.
Первая глава посвящена обзору достижений в области исследования и разработки АС-машин ив частности, АС-турбогенераторов. Рассмотрены состояние вопроса исследования несимметричных режимов турбогенераторов и степень влияния негативных факторов, возникающих в несимметричных режимах,на работу турбогенераторов.
Вторая глава посвящена разработке математического описания АС--турбогенератора в несимметричных режимах и определению ряда ве-личин, характеризующих несимметричный режим. Определены требования, предъявляемые к системе возбуждения АСТГ в несимметричных режимах,и закон управления напряжением возбуждения,отвечающий этим требованиям.
Третья глава посвящена определению фазных энергетических характеристик и областей допустимых режимов АСТГ при несимметрии, а также анализу факторов, ограничивающих эти режимы. Проведено сравнение выработанных критериев допустимой работы АСТГ в несимметричных режимах с критериями, существующими согласно ГОСТ для синхронных турбогенераторов.
В четвертой главе исследована возможность компенсации несимметрии АСТГ за счет введения напряжения компенсации в обмотку возбуждения. Рассмотрены различные конструкции сердечников роторов и определены параметры сердечников роторов АСТГ,при которых возможна компенсация несимметрии АС-турбогенераторов.
Принцип работы АС-генератора
Силовую часть и средства автоматики [4б]. Силовая часть АС --генератора (рис. I.l) включает собственно управляемую электрическую машину УМ с симметричным в магнитном и электрическом отношении трехфазным статором и симметричным ротором с двух- или трехфазной обмоткой, связанным общим валом с приводным механизмом ПМ. Обмотка ротора подключена к преобразователю частоты ПЧ, питаемому через трансформатор ТР от цепи статора. Обмотка статора УМ подключена через трансформатор к шинам энергосистемы.
ПЧ, являясь силовым звеном цепи возбуждения, обеспечивает распределение токов в обмотке ротора с целью создания вращающегося относительно ротора в нужном направлении кругового магнитного поля, с требуемыми по режиму работы АС - генератора амплитудой, частотой и фазой. ПЧ имеет двух- или трехфазный выход (по числу обмоток ротора) и представляет собой в большинстве случаев тиристорный преобразователь с непосредственной связью (циклоконвертор) . При питании ПЧ непосредственно от сети через согласующий трансформатор в сеть проникают высшие гармонические, обусловленные дискретностью работы ПЧ. Для устранения этого явления может быть использована схема питания ПЧ от специального возбудителя - синхронного генератора.
Внешняя реактивность ВР представляет собой блочный трансформатор и линию электропередачи. Наличие многофазной роторной обмотки УМ позволяет с помощью системы автоматического управления ПЧ осуществить раздельное регулирование токов в обмотках возбуждения по фазе и величине. Это в свою очередь дает возможность обеспечить так называемый асинхронизированный принцип управления ЩЗД. Этот принцип заключается в том, что независимо от частоты вращения и текущего углового положения ротора УМ, создается определенное фазовое положение вектора напряжения возбуждения uf. относительно век « тора напряжения сети и . При этом необходимо, чтобы частота напряжения Uj. равнялась частоте скольжения [4б]. Реализация асинхронизированного принципа управления МДП обеспечивает АС--машине две степени свободы управлением величиной и фазой вектора напряжения возбуждения за счет независимого управления проекциями Uj. на синхронно вращающиеся оси.
Основным звеном системы управления АС - генератора является автоматический регулятор возбуждения АРВ (рис. I.l) , в задачу которого входит формирование соответствующих законов управления токами в обмотках возбуждения посредством ПЧ. АРВ имеет два явно или неявно выраженных канала управления. Число выходов АРВ равно числу обмоток ротора [8,4б].
Основными параметрами системы сеть - АС - генератор, на основании которых АРВ формирует законы управления токами в обмотках возбуждения, являются модуль, фаза и частота напряжения сети, а также угловое положение ротора УМ относительно статора и частота вращения ротора. Важная роль этих параметров обусловлена тем, что на основании их реализуется основное свойство, отличающее АС - генератор от синхронного, - возможность поддержания заданной частоты напряжения статора при изменении частоты вращения ротора. Информация о состоянии этих параметров поступает в АРВ от датчика напряжения сети ДНО и от датчика положения ДП. Если внешняя реактивность представляет собой ЛЭП, то для передачи информации от ДНС, установленного в энергосистеме, требуется использование телеканала, ото приводит к усложнению и удорожанию системы управления АС - генератором. Поэтому в ряде случаев используется управление по так называемому местному сигналу. В этом случае вместо ДНС к АРВ подключают датчик напряжения сети местный ДНСМ, подключенный к шинам обмотки статора УМ. Сигналы с ДНСМ также содержат ин формацию о напряжении сети [46].
Датчики ДНС и ДНОМ представляют собой обычные измерительные трансформаторы напряжения, датчик тока статора ДТС - измерительный трансформатор тока. В качестве датчика углового положения ротора ДП может применяться синхронная микромашина с постоянными магнитами или электронная схема с импульсным датчиком и цифро-аналоговыми преобразователями. Для контроля токов в обмотках возбуждения применение обычных трансформаторов тока исключено,т.к. эти токи имеют низкую частоту, вплоть до нулевой. Поэтому в качестве ДТР используются схемы с шунтами или датчиками Холла. Современные ДТР построены по принципу "модуляция--демодуляция". Модулятор преобразует сигналы низкой частоты, поступающие с шунтов в сигналы высокой частоты. После усиления эти сигналы демодулируются, это позволяет выполнить гальваническую развязку силовых цепей и каналов управления путем трансформации на частоте модуляции [4б].
Реализация асинхронизированного принципа управления обеспечивает для АС - двигателей возможность регулировать частоту вращения при неизменной частоте первичного напряжения, а для АС - генераторов неизменность частоты генерируемого напряжения при изменении частоты вращения ротора. Кроме этого, управление синхронными проекциями Uf и двухканаяьная структура АРВ позволяет осуществить в АС - машинах две независимые и раздельные функции управления: с одной стороны регулирование частоты вращения и устойчивости механического вращения ротора и с другой стороны - регулирование реактивной мощности и обеспечение устойчивости электромагнитных процессов _8.
Для АС - генераторов указанные свойства означают расширение диапазона режимов по реактивной мощности и расширение области устойчивой работы в режиме глубокого потребления реактивной мощности в сравнении с синхронными генераторами [31,32, 47, 48J . Кроме того, благодаря высоким регулировочным возможностям системы возбуждения, АС - генераторы имеют существенно большие пределы динамической устойчивости, чем синхронные генераторы [34,48].
Обеспечение указанных свойств АС - генераторов в большой степени зависит от качества процессов регулирования возбуждением. Комплекс требований, предъявляемых к АРВ АС - генератора, включает требования по обеспечению статической и динамической устойчивости и возможности раздельного регулирования реактивной мощности (напряжения) и электромагнитной мощности (момента) . Кроме этого, к АРВ АСТГ предъявляются повышенные требования по точности регулирования величины рабочего скольжения в установившихся режимах и необходимости учета влияния массива ротора на статическую и динамическую устойчивость [48].
Основные конструктивные особенности АС - турбогенераторов в сравнении с синхронными турбогенераторами связаны с конструкцией ротора. Эти особенности обусловлены принципом работы АС - генераторов, требующим размещения на роторе симметричной многофазной обмотки и обеспечения нормальных тепловых режимов при работе со скольжением. Статор АСТГ в основном идентичен статору синхронного турбогенератора аналогичной мощности. Отличия заключаются в том, что для снижения потерь от аксиальной составляющей магнитного потока в торцевых зонах АСТГ при работе в режимах глубокого потребления реактивной мощности могут быть использованы проводящие немагнитные экраны под нажимными плитами статора, а также выполнены прорези в зубцах
Математическое описание АС-турбогенератора в несимметричных режимах
Для математического описания АС - турбогенератора в несимметричных режимах использована обобщенная модель электромеханического преобразователя энергии с симметричными обмотками на статоре и роторе и с конечным числом симметричных демпферных контуров, представляющих массив ротора и имеющих постоянные параметры (рис. 2.1.). Система дифференциальных уравнений симметричного режима для системы координат ( ос , JB неподвижной относительно статора?имеет вид [97, 107 - 109 ] : _ оператор дифференцирования по синхрон ному времени. Уравнения записаны в относительных единицах, при этом за базисные значения приняты номинальные статорные величины.
АС - турбогенератор - машина полностью симметричная, по этому одноименные параметры обмоток по разным осям приняты одинаковыми, т.е.
Рассматривается обмотка статора, соединенная по схеме "звезда без нулевого вывода". В этом случае составляющие нулевой последовательности токов и напряжений отсутствуют. Уравнения установившегося режима для симметричной машины при наличии в зазоре прямого и обратного полей можно получить из (2.1), если заменить p +jcj ; при этом получим систему уравнений (2.2), представленную в матричной форме. В системе уравнений (2.2): М у /%р У2 % составлякиЧие электромагнитного момента, обусловленные взаимодействием токов соответственно одних и тех же или разных последовательностей. Взаимодействие токов прямой и обратной последовательности создает пульсирующие моменты, которые в длительных установившихся несимметричных режимах не создают средней составляющей момента[97] и, как отмечалось в главе I, пренебрежимо малы в АС-турбогенераторах, если не существует условия для развития резонансных колебаний. Поэтому для установившихся несимметричных режимов можно принять: Мэ Mj
В математической модели (системы уравнений 2.2,2.3 ) было принято, что обмотка возбуждения питается напряжениями прямой и обратной последовательности (\Ji4 Ufo) » тем самым предполагается возможность несимметрии питания со стороны обмотки возбуж дения. Если принять, что несимметрия режима обусловлена только неравенством нагрузочных цепей статора, то в модели (система уравнений 2.3) напряжения обратной последовательности цепей возбуждения будут равны нулю ( Uf2dL = 0/2р О ). Если при этом считать, что обмотка возбуждения замкнута накоротко для токов обратной последовательности, то в модели останутся токи 1/2 и IfjS обусловленные наличием поля обратной последовательности в воздушном зазоре. Такой математической модели соответст вует графическая интерпретация (рис.2.2) с четырьмя обмотками на статоре и 4(ft+1) обмотками на роторе. Имеются две системы обмоток, из которых одна обусловлена наличием напряжений и токов прямой последовательности, а вторая - обратной. Каждая система включает в себя симметричные, ортогональные обмотки на статоре и роторе, а также демпферные контуры на роторе. Принято допущение, что магнитная характеристика машины линейна, насыщение учитывается использованием насыщенных значений соответствующих параметров. Поэтому электромагнитные связи между обмотками прямой и обратной последовательности отсутствуют.
В уравнениях установившегося несимметричного режима массив ротора можно представить одним эквивалентным демпферным контуром с переменными параметрами, зависящими от скольжения.
Выражение для параметров эквивалентного контура массива 7n(S) KXJ)Q-(S) зависящих от параметров 6-х демпферных контуров массива, имеет вид: идентичны. Параметры элементов, зависящих от скольжения, для схемы замещения обратной последовательности соответствуют скольжению 2. +S
Предельные значения рабочего скольжения для АС-турбогенера-торов с массивным ротором невелики. Для разрабатываемого АСТГ-200 оно составляет 0,01% - 0,015% [110,111] , что дает изменение скольжения ротора относительно обратно вращающегося поля, не превышающее 0,01%. Поэтому параметры системы уравнений обратной последовательности, зависящие от скольжения, можно принять постоянными, а скольжение ротора относительно обратного поля принять равным двум.
Как следует из вышеизложенного, системы уравнений(2.б)и (2.7) соответствуют несимметрии со стороны статора. В этом случае при работе АС-турбогенератора на автономную нагрузку условие несимметрии задается несимметрией фазных токов. При этом ток обратной последовательности создает на входном сопротивлении генератора (на зажимах генератора) падение напряжения обратной последовательности U2 . В случае работы генератора на мощную сеть условие несимметрии задается несимметрией фазных напряжений. При этом напряжение обратной последовательности 1)% , приложенное к зажимам генератора, вызывает в цепи статора генератора ток обратной последовательности J\ . АС-турбогенератор в несимметричных режимах при работе как на автономную нагрузку, так и на мощную сеть, характеризуется значением тока /g в цепи статора. Поэтому нет принципиального различия в анализе прцессов, происходящих в АС-турбогенераторе в несимметричных режимах при его работе как на автономную нагрузку, так и на мощную сеть. В дальнейшем будем рассматривать работу АО-турбогенератора на автономную несимметричную нагрузку, когда условие несимметрии
Уравнения для построения фазных нагрузочных диаграмм АО-турбогенератора в несимметричных режимах
Построение фазных и результирующих нагрузочных диаграмм АС-турбогенератора при несимметричных режимах можно осуществить по данным расчетов, выполненных для конкретных режимов по математической модели АС-турбогенератора для установившихся режимов (системы уравнений 2.6 и 2.7) . Наибольший интерес с точки зрения определения возможных режимов работы генератора представляют нагрузочные диаграммы, построенные при значениях некоторых параметров, равных номинальным или предельно допустимым. Эти диаграммы ограничивают область множества допустимых режимов работы генератора по данному параметру. Ограничивающи ми факторами при работе АС-турбогенератора как в симметричном, так и в несимметричном режимах являются допустимые потери в обмотке статора или ток статора, допустимые потери в обмотке ротора или ток возбуждения, допустимые потери в массиве ротора или ток эквивалентного контура ротора.
После ряда преобразований систем (2.6)и(2.7) могут быть получены выражения для построения фазных нагрузочных диаграмм в плоскости тт , J = .В зависимости от заданных ограничивающих факторов в несимметричных режимах эти выражения будут иметь следующий вид: ограничения по току статора чению % . Подстановка в это выражение предельно допустимых для несимметричного режима фазных значений I позволяет построить предельные фазные нагрузочные диаграммы для определения диапазонов изменения фазных режимов по Р и Q
Уравнения (3.2)и(3.3) описывают семейство векторов, выходящих из начала координатной плоскости /у , У/у . Модули векторов зависят от характера нагрузки, степени несимметрии и скольжения. Конкретному значению угла соответствует определенный аргумент векторов. Совокупность точек концов векторов при непрерывном изменении угла % представляет собой нагрузочную фазную диаграмму в осях V(j , Q/(j при данных степени несимметрии и скольжении в заданном диапазоне изменения V При этом суммарные потери, обусловленные токами прямой и обратной последовательности в обмотке возбуждения или в массиве, будут равны предельно допустимому значению, например, потерям в номинальном режиме.
Значения комплексов i/y и 2f Для определения Ту (?} и 7VD С -Р) в выражении (3.2) можно найти по следующим формулам:
Выражения для определения коэффициентов К&І, к&м JCQP K JC даны в приложении ПЗ.
Построение предельных фазных нагрузочных диаграмм в несимметричных режимах по току в обмотке возбуждения выполняются по выражению (3.2) в предположении, что отсутствует экранирующее влияние клиньев полю двойной частоты. При этом значения / при расчетах потерь от обратной последовательности необходимо брать с учетом эффекта вытеснения тока. В случае, если поле двойной частоты не проникает в паз, все коэффициенты и параметры с индексами 2 в уравнении (3.2) необходимо принять равными нулю.
Значения комплексов І І И Ij g для определения 7 2 д (if) и Тфр(у)ъ (З.З) можно найти по выражениям: приложении ПЗ.
Уравнение (З.З) получено в предположении, что отвод тепла, обусловленного потерями от токов частоты скольжения и токов обратной последовательности, которые выделяются в массиве, осуществляется за счет газового косвенного охлаждения. Если массив имеет собственную систему охлаждения, то в этом случае отпадает необходимость суммировать потери от токов рабочего скольжения и токов обратной последовательности, так как последние концентрируются в зубцовом слое и не оказывают влияния ни на тепловое поле массива, ни на теплоотвод из массива. В этом случае все коэффициенты и параметры, зависящие от токов обратной последовательности, принимаются равными нулю.
По выражению(З.I)на рис. 3.1 построены предельные нагрузочные фазные диаграммы для АСТГ-200 по току статора при токе в наиболее нагруженной фазе равном номинальному для двух случаев несимметрии при Ы = 0 (случаи I и 3 по 2.10) . Там же построена предельная нагрузочная диаграмма по току статора для симметричного режима при Iа ц . Анализ графиков показывает, что для наиболее нагруженной фазы выдача реактивной мощности уменьшается в сравнении с симметричным режимом, а потребление реактивной мощности увеличивается. Так при V = -90 (P-Q) для первого случая несимметрии это уменьшение равно 1,7% (кривые I и 2), а для третьего случая - 8% (кривые I и 5). Активная мощность при % = 0 (Q = о) в менее нагруженных фазах меньше, чем в более нагруженной на 8% и 12% для первого случая несимметриии (кривые 2,3 и 4) и на 28% и 40% для третьего случая (кривые 5,6 и 7). Это показывает, что различие фазных мощностей примерно на 50% больше, чем различие фазных токов; при этом в фазах с одинаковым током мощности различны. Это объясняется различием модулей фазных напряжений при несимметрии.
На рис. 3.1 построены также фазные нагрузочные диаграммы для третьего случая несимметрии при наложении условия UM X (кривые 8,9 и Ю). При этом происходит уменьшение значений Р и Q на 8% в сравнении с кривыми, построенными без этого условия (кривые 5,6 и 7). На рис. 3.2 по уравнениям(3.2)и(3.3)построены предельные фазные нагрузочные диаграммы для АСТГ-200 по потерям в обмотке возбуждения при S = 0 (кривые 2) и в массиве при 3 = 0,0015
Особенности симметрирования режима АС-турбогенератора
Как указывалось ранее, в АС-турбогенераторе имеется воз можность независимого управления модулем и фазой вектора напряжения возбуждения Ufc ol . Формирование и/ а о/ = М/с$с/„-е s обеспечивается соответствующими значениями проекций напряжения "/$яг на синхронновращающиеся оси s и d% . При 5=0 [СО$ = о) , эти проекции неизменны, а при S 0 закон изменения проекций определяется частотой рабочего скольжения. Напряжения Uf $$ и /c/s подводятся к взаимно перпендикулярным обмоткам возбуждения АС-турбогенератора. При таком законе управления напряжением возбуждения в симметричных и несимметричных установившихся режимах ток возбуждения //«с/ создает в зазоре АС - турбогенератора круговое вращающееся поле. Это поле при 5=0 неподвижно относительно ротора, а при S Ф 0 вращается относительно ротора с угловой скоростью COs . Для компенсации несимметричного режима АС - турбогенератора необходимо путем введения в обмотку возбуждения напряжения компенсации несимметрии создать в зазоре поле, вращающееся с синхронной скоростью в направлении, обратном направлению вращения синхронного поля. Поле, созданное током компенсации, должно находится в противофазе с магнитным полем обратной последовательности, обусловленным несимметрией режима.
Рассмотрим режим холостого хода АС - турбогенератора. Введение напряжения компенсации создает поле Вотг , вращающееся с угловой скоростью - со , а ток возбуждения при холостом ходе создает поле В оті » вращающееся с угловой скоростью СО . В этом случае для результирующего поля в зазоре можно записать: X - угол сдвига между векторами 5ож и В ом 2 Выражение 4.1 представляет собой уравнение эллипса в координатах & и ,/3 , представленное в виде уравнения двух окружностей в комплексной форме. Эти окружности имеют общий центр, совпадающий с центром координатной плоскости d , JB (рис.4.і). На рисунке показаны точки, соответствующие ряду значений, которые принимает аргумент CV t . Окружности в общем случае имеют различные диаметры. Радиусы окружностей перемещаются в противоположных направлениях с одинаковой скоростью О при изменении угла
Если обозначить напряжение компенсации, которое вводится НЄПОСрЄДСТВЄННО В ОбмОТКу ВОЗбуЖДеНИЯ В ВИДЄ "fK c/-"/Ko(fi то выражение, определяющее аргумент СОг t в роторной системе координат, примет вид - сО = соР - (- и)) . Подставив СОр = СО + cOs t получим:
Тогда с учетом угла У и уравнения (4.2) напряжение, приложенное к обмотке возбуждения, в-роторных координатах , Ы будет определяться выражением:
Это уравнение сложной кривой в координатах , г/ , представленной в виде уравнения двух окружностей, имеющих общий центр. Эти окружности в общем случае имеют различные диаметры. Радиусы окружностей перемещаются в противоположных направлениях с различными угловыми скоростями.
Рассмотрим несимметричный режим АС - турбогенератора. В несимметричных режимах в зазоре существует обратновращающееся поле, обусловленное токами обратной последовательности статора І2 . При введении напряжения компенсации можно подобрать такие значения модуля вектора UfKoCfi и угла У , при которых обратновращающееся поле, обусловленное током / , будет компенсировать (находиться в противофазе ) обратновращающееся поле, обусловленное током J2 .
На рисунке 4.2 показано взаимное расположение основных гармонических полей прямой (8f/nf В Si ж ) и обратной \8$2 п у В /2 н) последовательностей, обусловленных тока ми /, , І в обмотке статора (индексыS)и токами I/ и i/vr в обмотке ротора (индексы / ) .На этом рисунке не учи тывается магнитное поле в зазоре, обусловленное токами обратной последовательности в массиве, возникающими от обратновращающе гося поля в зазоре. В случае, если ток компенсации в цепи рото pa отсутствует, то результирующее поле в зазоре В Din = = Benti BshtZ представляет собой эллиптическое поле (показано штриховой линией) . Если же в цепи обмотки возбуждения протека ют токи компенсации 1/к , то результирующее поле в зазоре [В от к) будет круговым. При круговом результирующем поле токи в контурах ротора,обусловленные полем обратной последователь ности, исчезнут, а токи Т% в статоре и // в обмотке ротора ос танутся. Оси роторной системы координат , Ы вращаются с уг ловой скоростью CJ р . На этих координатных осях показаны об мотки ротора U/ , Ufx , на которые подается напряжение воз буждения Z fQsc/ & и напряжение компенсации несимметрии fRQ cl eJ соответственно. Необходимо отме тить, что результирующее поле в зазоре при несимметрии и отсутствии компенсации \В ont) вращается с переменной скоростью СО , причем пределы изменения скорости определяются отно
