Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Натурные исследования распределения осевого магнитного потока в торцевой зоне статора гидрогенераторов 17
1.1. Объем и методы исследований
1.2. Шндукция магнитного потока на торцевой поверхности сердечника статора 22
1.3. Индукция на нажимных плитах статора 31
1.4. Распределение индукции внутри крайних пакетов статора 38
ВЫВОДИ 45
Глава 2. Исследование распределения магнитного штока в зоне крайних пакетов статора гидро- .генераторов расчетными методами 50
2.1, Оцределение магнитной индукции на торцевой
поверхности сердечника статора аналитическим .
методом с помощью векторного потенциала .
2.2. Определение индукции на торце сердечника статора численным методом посредством исполь зования скалярного потенциала em -j и»
2,3, Расчет осевой составляющей индукции внутри крайних пакетов аналитическим методом ш известным значениям этой составляющей на говерхности пакетов 70
ВЫВОДЫ 75
Глава 3. Уменьшение осевого магнитною юотока в торцевой зоне статора гвдрогенераторов посредством использования немагнитных материалов дня щек полюсов ротора 76
3.1. Экспериментальное исследование зависимости индукции на торце сердечника статора от вели чины вылета полюсов ротора .
3.2 Оценка влияния вылета полюсов ротора на распределение индукции в торцевой зоне статора расчетным методом 80
З.З, Применение немагнитных материалов дпя щек полюсов ротора с целью снижения осевых потоков 90
Глава 4. Влияние работы гвдрогенераторов в режимах с потреблением реактивной мощности на интенсивность магнитных полей и нагрев торцевой . зоны статора 106
4,1« Результаты экспериментального исследования зависимости индукции в торцевой зоне статора . от характера нагрузки ., .
4.2. Определение индукции на торце сердечника статора графоаналитическим методом 115
4.3. Диаграммы допустимых нагрузок при недовоз-бувдении по условиям нагрева крайних пакетов сердечника статора 125
Выводы 132
Заключениб 134
Приложение 137
Список литературы
- Индукция на нажимных плитах статора
- Определение индукции на торце сердечника статора численным методом посредством исполь зования скалярного потенциала em -j и»
- Оценка влияния вылета полюсов ротора на распределение индукции в торцевой зоне статора расчетным методом
- Определение индукции на торце сердечника статора графоаналитическим методом
Индукция на нажимных плитах статора
В результате проведенных натурных исследований ряда гидрогенераторов мощностью от 24 до 500 тыс. кВт был обнаружен повышенный нагрев крайних пакетов сердечника статора, заметно возрастающий при работе генераторов в режимах потребления реактивной мощности из сети. При этом нагрев крайних пакетов наиболее мощных машин достигал предельнодопустимых величин в отдельных эксплуатационных режимах. При номинальной нагрузке крайние пакеты нагреты выше средних пакетов в 1,5-2 раза, а при холостом ходе с номинальным напряжением отношения превышений температуры крайних пакетов к средним составляют 2-2,1 раза. Следует отметить, что несколько меньшие величины отношений при номинальной нагрузке по сравнению с соответствующими величинами при холостом ходе объясняются более высокой температурой средних пакетов при надузке. Менее резко выражена неравномерность нагрева сердечника статора в режимах установившегося трехфазного короткого замыкания с номинальным током статора. Отношения нагрева крайних пакетов к средним составляют 1,3-1 4 раза. Аналогичные результаты получены на гидрогенетзаторе мощностью 300 тыс. кВт Нурекской ГЭС [35].
Основной причиной повышенного нагрева крайних пакетов статора является осевая составляющая магнитного поля в торцевой зоне статора [16,43] . Поток в зоне лобовых частей имеет составляющие индукции всех трех направлений, однако на торцевой поверхности сердечника статора имеет место в основном осевая составляющая индукции. Это явление объясняется тем, что поток в неферромагнитной среде у поверхности раздела с ферромагнитной средой направлен практически нормально к последней, если насыщение.не очень существенно, что и имеет место в рассматриваемой зоне.
С целью определения общих закономерностей распределения этой составляющей в торцевой зоне статора гидрогенераторов на каждой исследованной матине был проведен большой объем подготовительных работ и натурных исследований, начатых около 15 лет назад и являвшихся частями комплексных испытаний и исследований вводимых в эксплуатацию івдогенераторов постоянно возрастающей номинальной мощности.
Было исследовано распределение электромагнитного поля непосредственно на торцевой поверхности сердечника статора генераторов Боткинской и Братской ГЭС единичной мощностью соответственно 100 и 225 тыс. кВт, а также ряда других гидрогенераторов. Дальнейшие шаги были направлены на определение итукцррт в зоне наибольшей интенсивности магнитного потока - на ступеньках крайних пакетов статора. В результате проведенной работы было получено распределение осевой и радиальной составляющих индукции на ступеньках статора генераторов Братской и Красноярской ГЭС. Анализ этих данных привел к заключению о необходимости изучения распределения осевого потока внутри крайних шкетов. Соответствующие эксперименты были проведены на генераторах ЗейскоЙ, Красноярской и Саяно-Шушенской ГЭС единичной мощностью соответственно 215, 500 и 640 тыс. кВт и мощных явноголюсных машинах. Все это позволило определить общие закономерности распределения осевых потоков в торцевой зоне статора гидрогенераторов.
Для изучения электромагнитного поля использовались измерители индуктивного типа [45,4б]. Они разрабатывались и изготавливались применительно к рассматриваемой зоне, а их конструктивное исполнение совершенствовалось по мере накопления опыта и углубления исследований. Первоначально были использованы одномерные и
- 19 трехмерные измерители,.в которых катушки устанавливались внутри текстолитовых каркасов, аналогично [27J. Затем автором была разработана технология изготовления бескаркасных трехмерных измерителей в виде куба со стороной 10 мм, позволяющих проводить исследования на поверхности крайних пакетов, в том числе и со стороны лобовых частей обмотки статора. Жесткость конструкции была обеспечена заполнением пространства между катушками эпоксидной смолой. Выводные концы катушек припаивались к медным штырькам. Затем были разработаны, изготовлены и установлены одномерные измерители для оцределения, в первую очередь, осевой составляющей индукции на ступеньках крайних пакетов. При этом диаметр катушки измерителя не превышал 6 мм - ширины ступеньки, а сама катушка находилась на расстоянии 1-2 мм от исследованной ферромагнитной поверхности. Высота катушки не превышавшая 2 мм позволяла в небольшом объеме разместить такое количество витков которое обеспечивало получение достаточно высокого сигнала с измерителя Для. определения осевой составлявшей иніпгкпжи ВНУТРИ свтшечника ста — тора были изготовлены и JTZ»L высотой 0 45 мм не превышавшей толщины сегментов и диаметром 7-10 ш. Оснащенные „елями сешшты статора закладываюсь в сер-дечник согласно [34] в тгооцессе сботжи его в цехе или на монта -ной площадке ГЭС в случае сборки сердечника в колыго UJW получения наибольшего количества витков в измерительных катушках ПРИ ИХ ограниченных размерах 6ш исшльзован изолированный шовод 1-метром 0 05-0 07 ш Изоляция провода обеспечивала ZJL работу измерителей ПРИ всех величинах температуры имеших место в —ванных гидрогенераторах Идя ка ой_ы И правило изготавливался — JL 1_ „Отельной"оснас! Пои этом учитывалась необходимость установки большого количества 1б лир да измерителей JZ постепенного выхода их из строя в I - 20 цессе эксплуатации машин до начала и в процессе проведения исследований. Общее количество измерителей на каждом исследованном генераторе достигало сотни и более единиц. Трассы от каждого измерителя попарноперевитыми проводами выводились на спинку сердечника статора и далее через камеры горячего и холодного воздуха в машинный зал к столу измерений.
Определение индукции на торце сердечника статора численным методом посредством исполь зования скалярного потенциала em -j и»
Результаты натурных исследований характера распределения индукции на торцевой поверхности сердечника статора ряда гидрогенераторов обобщены с помощью расчетного метода, основанного на использовании уравнений Цуассона для векторного потенциала [7,8,9, 15], Этот метод использует строгий анализ магнитных полей в исследуемой зоне, учитывая влияние как ферромагнитных поверхностей, так и конечного воздушного зазора между статором и ротором.
Известно, что наиболее общей характеристикой магнитного поля сложной системы токов является векторный потенциал, через который определяется магнитная индукция
Пренебрегая токами смещения и вихревыми токами в проводниках обмотки, векторный потенциал необходимо определять из уравнений Цуассона л л —/If, / , С2.2) где / - вектор плотности токов (задается его зависимость от координаты и времени). Решение уравнения (2.2) производится в следующем порядке:
По заданной конфигурации лобовых частей и заданным токам в обмотке находится распределение вектора плотности тока в пространстве.
По заданному распределению плотности тока и заданным граничным условиям определяется векторный потенциал /) как функция координат.
При решении задачи принимаются следующие допущения, отраженные на рис. 2.1: - магнитная проницаемость окружающих ферромагнитных поверхностей принимается бесконечно большой, что отражает реальное состояние, отмеченное в предыдущей главе; - считается, что ферромагнитные поверхности, ограничивающие лобовые части, образуют прямоугольную призму, т.е. не учитывается кривизна поверхностей; - действительные формы лобовых частей обмоток статора и ротора заменяются несколько более простыми; - воздушный зазор между статором и ротором учитывается системой добавочных токов, полагая, что сам зазор отсутствует,
Задача сводится к решению уравнения (2.2) в декартовых коор-данатах, которое представляется тремя скалярными уравнениями + Ъу + w ЛА (L- x ) Линейность уравнений (2.2) и (2.3) относительно Д-ь и jL и их составляющих позволяет пользоваться принципом наложения и представить fi L в виде суммы конечного или бесконечного количества членов. Этот принцип используется прежде всего для уменьшения количества переменных в уравнении (2.3) на единицу. Расцределение/ . вдоль координаты X периодично и может быть разложено в ряд Фурье: , где і е хц 2. (2.4) jT. - амплитуда V -той гармонической плотности тока J. , в уравнение (2.6) входят только две переменные координат и оно соответствует плоской задаче. В дальнейшем рассматривается только основная гармоника V " i (Ту = т\
Для решения уравнения (2.6) наиболее удобен метод Гринберга, применимый к задачам с координатными пограничными плоскостями. По уравнению (2.6) искомая функция может быть разложена в ряд как по оси 2 » когда собственными функциями являются функции 2 , а коэффициентами разложения - функции , так и по оси у , когда собственными функциями являются функции , а коэффициентами разложения - функции Z . По этому методу собственными функциями цри разложении по оси являются соответственно Stn ЦЛ и cos , где 7" - длина промежутка по оси 2? (рис. 2.1); первый случай П = 1,2,3... второй случай /г = 0,1,2,3...
Для ряда практически важных задач граничные условия можно принять нулевыми, т.е. при =ОиХ«Т в первом случае ft і = О, во втором случае Ш = 0.
К такого рода задачам и относится задача по определению поля в торцевой зоне статора гидрогенераторов, решения которой можно найти по методу Гринберга ["із].
На торцевой поверхности сердечника статора имеет место осевая составляющая магнитного потока, определяемого совместным действием обмоток статора и ротора с учетом влияния воздушного зазора. Результирующее поле находится по диаграмме Потье.
Магнитное поле, создаваемое обмоткой статора с учетом влияния воздушного зазора, равно 62с Г 2Ж 2 Ш 2 5"cm ; (2.7) где ба 77 - составляющая индукции магнитного поля от токов, цротекающих в конусной части обмотки статора, &2Ш составляющая индукции магнитного поля от токов, протекающих в головках лобовых частей обмотки статора, $1бст вставляющая индукции, учитывающая влияние воздушного зазора, Магнитное поле, создаваемое обмоткой возбуждения с учетом воздушного зазора, равно
Оценка влияния вылета полюсов ротора на распределение индукции в торцевой зоне статора расчетным методом
Методика расчета электромагнитного шля, изложенная в предыдущем параграфе, учитывает основные конструктивные особенности торцевой зоны гидрогенераторов и позволяет рассчитать индукцию на торцевой поверхности сердечника статора без учета ступенек на крайних пакетах статора и вылета полюсов ротора. Однако в связи с наличием значительных местных нагревов возникла необходимость учета геометрических особенностей рассматриваемой зоны.
При рассмотрении зон сложной конфигурации все более широкое црименение получают численные методы [4,5,22] , особенно в связи с использованием современных вычислительных машин. Представленный ниже численный метод конечных разностей может быть использован для получения численных решений с любой необходимой степенью точности. Решения, полученные методом конечных разностей, цредставляют собой совокупность значений, описывающих поле функции в дискретных точках, равномерно распределенных по всей области поля. Эти значения находятся путем замены одного описывающего поле дифференциального уравнения с частными цроизводными системой простых уравнений в конечных разностях, которые имеют вид линейных уравнений, связывающих значение потенциала в каждой точке со значениями потенциала в других точках, окружающих ее. Таким образом, определение поля сводится к решению системы уравнений. В связи с тем, что при решении задачи приходится оперировать с большим числом уравнений целесообразно использовать итерационный метод. Этот метод, основанный на полностью повторяющемся цикле операций, подходит для выполнения расчетов с использованием быстродействующих вычислительнсх машин, црогресс которых в последние годы значитель - 64 но содействовал развитию этого метода. При итерационном методе производится непрерывное изменение значений потенциала до тех пор, пока все уравнения не будут удовлетворены с достаточной степенью точности.
Расчет электромагнитного поля выполняется посредством приведения вихревого поля к потенциальному. Согласно нацряженность магнитного поля определяется в виде суммы H-IVHp, (2.16) гдего1Н =1 Нp =-$ « / (2,17) В выражении (2.17) обозначено: X - плотность тока в обмотках, Ц - скалярный магнитный потенциал. Согласно представлению [13J принцип непрерывности поля записывается в виде: diVflHF - tUl Ho. (2.18) Подставляя в (2.18) выражение дая ПрИ обозначая где р - объемная плотность магнитных зарядов, вычисляемая по МДС той или иной обмотки, получаем уравнение для скалярного магнитного потенциала o//v/yvf gWl rf/ir (2-i9) В цилиндрической системе координат уравнение (2.19) имеет вид: - 65 где М Wy IU? относительные магнитные проницаемости по соответствующим осям, р - число пар полюсов, ді - принята постоянной величиной, В дальнейшем используется не объемная плотность р м , а поверхностная плотность магнитных зарядов - : ё» = мЬъ, где Ь - шаг сетки по радиусу.
Для исследования был выбран режим холостого хода, т.к. в гидрогенераторах в этом режиме интенсивность осевого потока на торцевой поверхности сердечника статора близка к интенсивности потока цри нагрузке, а расчет упрощается.
Поверхностные заряды располагаются вдоль нижней и верхней сторон катушки полюса ротора и вычисляются по выражениям [20 J : МНв" (2.21) где Wz число витков обмотки возбуждения, iz - ток возбуждения, olt - высота катушки полюса в радиальном направлении, радиус по низу катушки, 1С , 7, Q - соответственно радиусы по середине и верху катушки. Граничные условия на поверхности % = 0 определяются равенством а на остальных поверхностях цринято (Т = О как на поверхности ферромагнитного вещества с бесконечной магнитной проницаемостью, Дифференциальное уравнение (2.19) можно представить в виде уравнений в конечных разностях. Для этого записывается аппроксимация частных производных для конечно-разностной сетки (рис.2.7)
Определение индукции на торце сердечника статора графоаналитическим методом
Снижение осевого магнитного потока на торце сердечника статора цри уменьшении вылета полюсов ротора указывает на необходимость проектирования гидрогенераторов с минимальными вылетами полюсов. Длина полюса складывается из величины шихтованной части и величины двух щек в осевом направлении. На находящихся в эксплуатации гидрогенераторах длина полюса, как правило, превышает длину сердечника статора за счет величины щек, так как сердечники полюсов, за небольшим исключением, короче соответствующих сердечников статора. Следовательно, необходимо уменьшать размер щек в осевом направлении, не снижая цри этом механической прочности полюсов. Щека, как известно, воспринимает усилия от давления между листами сердечника и от центробежных сил лобовой части катушки.
Одним из путей, нацравленных на снижение осевого потока в торцевой зоне статора, является использование щек таких конструктивных форм, которые позволяют уменьшить поток, вытесняемый из воздушного зазора, соответственно снизив индукцию на торце. Другой путь - применение для щек материалов с малой магнитной проницаемостью, приближающейся по величине к проницаемости воздуха. Варианты конструктивных форм нажимных щек, применяемые на гидрогенераторах и крупных явнополюсных машинах, не дают желаемого эффекта, так как при этом максимальная величина индукции на торце сердечника статора сохраняется на уровне 60-80 от величины индукции в воздушном зазоре. Исследования, проведенные на крупных явнополюсных синхронных машинах мощностью 13,3 и 17,5 тыс. кВт и на гидрогенераторе Зейской 1ЭС мощностью 215 тыс. кВт, указали на перспективность второго пути, а эксперименты на генераторе Саяно-Шушенской ГЭС единичной мощностью 640 тыс, кВт подтвердили это.
Первые две из перечисленных выше машин имели одинаковую геометрию .торцевой зоны, но щеки были изготовлены из различных материалов. В одном случае использовался магнитный материал Ст 3, в другом - немагнитный материал H3JE 2050-64 (легированная стаяь). Машина мощностью 13,3 тыс. кВт цредставляла собой серийно выпускаемый явнополюсный двигатель. Машина мощностью 17,5 тыс. кВт была спроектирована и изготовлена с учетом рекомендаций по уменьшению осевого потока на статоре и соответствующего нагрева крайних пакетов, выданных на основе исследований цредыдущей машины. Эксперименты на этих машинах проводились как в статических режимах при питании обмотки ротора током, равным току холостого хода при номинальном напряжении, так и при вращении в режиме холостого хода с номинальными частотой и напряжением. В статических опытах индукция определялась датчиком Холла [ 36 ], который устанавливался на поверхности полюса в ряде точек по оси симметрии в продольном направлении. В этой зоне имеет место минимальный воздушный зазор между ротором и статором, равный в исследованных машинах 16 мм. Измеряемая область охватывала в осевом направлении щеку и прилегающую к ней часть сердечника полюса. Полученные результаты представлены на рис. 3.7 в виде кривых распределения индукции на поверхности полюса. Полученные данные показывают, что при использовании немагнитного материала дяя щек полюсов поток, создаваемый обмоткой ротора и проходящий через щеки на статор, приблизительно в 3 раза меньше, чем в случае применения щек из магнитного материала. При этом по мере удаления от сердечника полюса к краю щеки индукция вдоль немагнитной щеки монотонно убывает, снижаясь более чем в 20 раз на краю щеки. Иная картина наблюдается в случае применения магнитных щек. Поток в этом случае значительно интенсивнее, чем в предыдущем случае, а характер кривой расцределе - 92 20 «О 60 SO 100 ГРО m f60 № 200 %« Рис,3.7, Индукция на говерхности щеки и полюсного бапмака: I - магнитная щека; 2 - немагнитная щека ния индукции отражает конструктивную форму щек. Развитая форма щек - увеличенный воздушный зазор в средней части щек по сравнению с краями - приввла к снижению индукции в средней части кривой в 3-5 раз за счет удлинения трубок магнитного потока. В то же время на краях щек величина индукции соизмерима с величиной индукции в воздушном зазоре. Различия в распределении магнитного штока на поверхности щек полюсов исследованных машин находят свое отражение на торцевой поверхности сердечника статора (рис. 3.8). Из представленного рисунка следует, что в режиме холостого хода с номинальным напряжением при использовании немагнитных щек величина индукции на торце сердечника в среднем в 2 раза меньше, чем в случае применения магнитных щек. Максимальные измеренные значения индукции соответственно равны 0,32 Тл и 0,64 Тл. Характер распределения индукции в обоих случаях практически одинаков.
Аналогичные исследования были проведены на гидрогенераторе Зейской ГЭС, станционный номер 2, в статическом режиме при питании обмотки ротора постоянным током 450 А. Величина тока при этом была обусловлена возможностями источника постоянного тока, которым являлся сварочный генератор. Исследованная машина является серийным гидрогенератором типа СВ 1130/220 - 44 XI4. Единственной особенностью этого генератора являлось то, что на роторе, для проведения экспериментальных исследований, были установлены два полюса со щеками специальной составной конструкции. Верхние части щек были изготовлены из немагнитного материала - титана, а нижние - из магнитного (рис. 3.9). Как и в предыдущих опытах, для измерения индукции на полюсах был использован датчик Холла и теолометр класса 0,5.
