книги из ГПНТБ / Глебов, И. А. Научные проблемы турбогенераторостроения

при этом каждая из ветвей, защищенная предохранителем, имела два последовательно соединенных диода. Для равномерного распре­ деления напряжений были использованы активные сопротивления, подключенные параллельно диодам. Вращающийся выпрямитель­

ный блок рассчитывался на обеспечение бесперебойной работы турбогенератора при выходе 1/3 диодов, приходящихся на одну

фазу. В качестве возбудителя использовался трехфазный генера­ тор обращенного типа с частотой 420 Гц. Номинальные данные бесщеточной системы возбуждения следующие: напряжение по­ стоянного тока 250 В, ток 720 А, скорость вращения 3600 об./мин.

Успешный опыт эксплуатации этого возбудителя позволил

фирме в 1963 г. ввести в эксплуатацию бесщеточный возбудитель с выпрямленным напряжением 375 В и током 3600 А для турбоге­ нератора мощностью 352 MBA со скоростью вращения 3600 об./мин. Вращающийся выпрямитель был собран по трехфазной схеме

снулевым выводом; в каждой фазе — по 10 параллельных ветвей.

Водну ветвь включалось три последовательно соединенных диода на максимальное обратное напряжение 1000 В каждый. Для защиты диодов от перенапряжений применялись активно емкостные цепи, включенные параллельно диодам. Для равномер­ ного распределения токов между ветвями в каждую ветвь были включены выравнивающие сопротивления.

В1965 г. эксплуатировалось уже более 30 бесщеточных возбу­ дителей производства фирмы «Вестингауз» [ИЗ]. В табл. 12-1 приведены основные данные наиболее мощных бесщеточных

возбудителей этой фирмы, Введенных в эксплуатацию в 1967— 1969 гг.

Таблица 12-1

Бесщеточные возбудители фирмы «Вестингауз»

Из табл. 12-1 видно, что фирма «Вестингауз» применяет бес­ щеточные системы возбуждения как для двухполюсных, так и для четырехполюсных турбогенераторов.

В конце 1972 г. был введен в эксплуатацию турбогенератор мощностью 823 МВт (914 MBA), cosφ=0.9, напряжением 26 кВ и скоростью вращения 3600 об./мин. с бесщеточным возбудителем. Мощность возбудителя 5225 кВт, напряжение постоянного тока

182

550 В, скорость нарастания напряжения возбуждения 21/сек. В качестве подвозбудителя применен трехфазный синхронный генератор мощностью 76.2 кВА с постоянными магнитами. Особый интерес вызывает прогрессивный метод применения подвозбуди­ теля такого типа, так как, во-первых, сам подвозбудитель явля­ ется весьма простым и, во-вторых, исключается необходимость иметь регулятор напряжения у подвозбудителя. Этими соображе­

ниями может быть объяснено то, что фирма «Вестингауз» в каче-.

стве подвозбудителей применяет только генераторы с постоянными магнитами.

Опираясь на опыт фирмы «Вестингауз», фирма «Крафтверку-

нион» с самого начала ее организации взяла курс на широкое внедрение бесщеточных возбудителей как для двухполюсных, так и для четырехполюсных турбогенераторов. Первый опытный

бесщеточный возбудитель был выполнен в 1965 г. для турбогене­ ратора мощностью 100 МВт со скоростью вращения 3000 об./мин. [61]. Затем следовали промышленные образцы возбудителей для турбогенераторов мощностью 200 и 400 MBA, 3000 об./мин.

Вращающийся выпрямитель для турбогенератора 400 MBA, соб­ ранный по трехфазной мостовой схеме, имеет мощность 1760 кВт

и состоит из 60 кремниевых диодов с номинальным током 200 А (10 параллельных ветвей) и 60 предохранителей на 400 А и 750 В.

Для уменьшения пиков перенапряжений на вентилях параллельно им включены активно-емкостные цепи. В 1973 г. изготовлен и установлен на атомной электростанции турбогенератор мощно­

стью 1200 МВт (1500 MBA), 1500 об./мин. с бесщеточным возбу­ дителем [65, 72]. .

Для всех возбудительных систем подвозбудитель выполняется с постоянными магнитами, как и у фирмы «Вестингауз». Макси­

мальная мощность подвозбудителя составляет около 100 кВт.

Особое внимание специалисты фирмы уделяют соединительной муфте между генератором и возбудителем, так как через нее пере­

дается ток возбуждения турбогенератора. На одной полумуфте

имеются пальцы, а на второй — гнезда с пружинящими контак­ тами. Все поверхности серебрятся. В результате такие соедини­ тельные муфты обеспечивают надежный контакт в условиях неиз­ бежных вибраций.

На основе расчетов вибрационного состояния валопровода было

найдено, что наилучшим решением является выполнение возбуди­

теля с одним подшипником на конце валопровода. Второй опорой возбудителя будет подшипник главного генератора.

Для отработки бесщеточных систем возбуждения фирма «Крафтверкунион» имеет хорошо оснащенные испытательные заводские стенды.

Фирма «Жемон— Шнейдер» в 1968 г. изготовила первичный бес­ щеточный возбудитёль для турбогенератора мощностью 600 МВт, 3000 об./мин. Вращающийся выпрямитель этого возбудителя

183

выполнен по трехфазной мостовой схеме. Каждое плечо выпрями­ теля состоит из 12 параллельных цепей, образованных двумя

последовательно соединенными вентилями и плавкими предо­

хранителями. Полное число кремниевых диодов равно 144, а

число предохранителей 72. Имеется стробоскопическое устройство

для наблюдения за целостностью предохранителей. Система воз­ буждения имеет следующие показатели: в номинальном режиме — напряжение 475 В, ток 3300 А; в режиме форсирования длитель­ ностью 10 сек. — напряжение 760 В, ток 5280 А.

Управление энергосистемы Англии проявляет большой интерес

к бесщеточным системам возбуждения турбогенераторов. Поэтому обе крупные электротехнические фирмы «Парсонс» и «Дженерал

Электрик» занимаются разработкой, изготовлением и внедрением таких систем для мощных блоков 500 и 660 МВт, 3000 об./мин.

[59, 95]. В связи с накопленным положительным опытом в эксплу­

атации первых установок управление энергетики Англии, начиная

с1969 г., заказывает турбогенераторы мощностью 660 МВт только

сбесщеточными возбудителями.

Вкачестве примера технических показателей вращающихся выпрямительных блоков можно привести данные для бесщеточного возбудителя турбогенератора 660 МВт, разработанного фирмой

«Дженерал Электрик» к 1969 г. Общее число кремниевых диодов (в каждой ветви по одному диоду) равно 54; они имеют следующие параметры: средний ток 250 А, обратное напряжение 3000 В.

Возбудитель в целом удовлетворительно работает: в длительном режиме при токе 4450 А и напряжении 550 В, в режиме форсиро­

вания при токе 6150 А и напряжении 760 В. Таким образом,

в длительном режиме каждый диод будет иметь средний ток 165 А при напряжении 550 В;

Следует обратить внимание на ряд оригинальных решений,

используемых фирмой «Парсонс» в бесщеточных возбудителях. 1. Измерение тока возбуждения с помощью кольца, к одной

точке которого подводится ток возбуждения турбогенератора, а от второй точки, смещенной на 180 эл. град, по отношению к пер­ вой, ток отводится. При таком прохождении тока по кольцу исклю­ чается намагничивание вала. Ток, протекающий по кольцу, соз­

дает магнитный поток, который измеряется датчиком Холла.

2.Измерение напряжения возбуждения производится с помо­

щью вращающегося передатчика и неподвижных приемника и регистрирующего прибора.

3.Температура обмотки ротора вычисляется цифровым устрой­ ством на основе измерений напряжения и тока возбуждения.

ʃl. Целостность предохранителей выявляется неоновой лампоч­ кой, включаемой параллельно предохранителю. Свет лампочки воспринимается неподвижным дитоэлементом.

5. Измерение пробивного напряжения изоляции обмотки воз­ буждения по отношению к потенциалу земли производится, как

184

и измерение напряжения возбуждения, с помощью радиопере­ датчика и приемника. При недопустимом “снижении уровня изо­

ляции срабатывает сигнализация.

Японские фирмы «Мицубиси» и «Хитачи» провели значительную работу по созданию возбудительных систем с вращающимися диодными выпрямителями.

Фирма «Мицубиси» выпустила, в частности, бесщеточные

возбудители для турбогенераторов мощностью 278 МВт при ско­ рости вращения 3600 об./мин. [129] и 400 MBA при скорости вращения 1800 об./мин. В последней машине бесщеточный возбу­ дитель имеет мощность 1550 кВт и напряжение 555 В. Вращаю­ щийся выпрямитель, собранный по трехфазной мостовой схеме, имеет 60 кремниевых диодов на ток 240 А каждый (в каждом плече 10 параллельных ветвей по одному диоду). Подвозбуди­ тель — трехфазный генератор с постоянными магнитами мощ­ ностью 20 кВА и частотой 420 Гц.

Фирма «Хитачи» изготовила бесщеточный возбудитель для турбогенератора мощностью 250 МВт при скорости вращения 3600 об./мин. и разработала возбудитель для турбогенератора

408 MBA [116].

Фирмой «Броун Бовери» в 1967 г. создан бесщеточный возбу­ дитель для турбогенератора 600 МВт (мощность возбуждения

2000 кВт) и разработан бесщеточный возбудитель на 5000 кВт для турбогенератора мощностью 1200 МВт [НО].

Фирма «АСЭК» одной из первых начала работы по возбудитель­ ным системам с вращающимися выпрямителями, провела исследо­ вательские и опытно-конструкторские работы, завершившиеся внедрением бесщеточных возбудителей для наиболее мощных турбогенераторов, выпускаемых фирмой [125].

123. - БЕСЩЕТОЧНЫЕ СИСТЕМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ В СССР

Основные задачи. В связи с тем, что в СССР работы в области создания и внедрения бесщеточных систем возбуждения турбогенераторов были начаты позднее, чем за рубежом, воз­ никла трудная научно-техническая проблема: не повторять ре­ шений зарубежных фирм, а разработать более совершенные системы возбуждения с тем, чтобы осуществить их внедрение на блоках мощностью 300 МВт и создать тем самым основу для разработки бесщеточного возбудителя турбогенератора мощно­ стью 1200 МВт.

Для возможности практической реализации этой трудной за­

дачи было необходимо:

1) провести исследования, разработать и создать кремниевые диоды на повышенные токи и напряжения с тем, чтобы уменьшить количество диодов во вращающемся выпрямительном блоке и исключить последовательное соединение диодов; при этом диоды

185

рассчитывались на работу с большими ускорениями (до 7000— 8000 g, где g — ускорение силы тяжести); кроме того, в целях

-упрощения конструкции вращающегося выпрямительного блока

диоды должны были иметь два исполнения: с нормальным р-п-

переходом и обращенным п—р-переходом;

2)разработать малогабаритные предохранители на ток 550— 750 А и напряжение до 850—1000 В, имеющие керамический кор­ пус и фланцевые поверхности для крепления;

3)разработать и реализовать более простой и надежный спо­

соб передачи постоянного тока через соединительную муфту между турбогенератором и вращающимся выпрямительным блоком;

4)создать непрерывный бесконтактный контроль роторных предохранителей с индивидуальной сигнализацией, указывающей

место повреждения;

5)разработать бесконтактный способ измерения тока возбуж­

дения турбогенератора; 6) обеспечить равномерное деление тока между параллельно

включенными вентилями не за счет добавочных активных сопро­ тивлений, а благодаря созданию специальной схемы обмотки якоря;

7) выбрать конструктивную схему линии вала генератора с целью создания наиболее благоприятных условий для работы машины в отношении вибрации;

8) обеспечить высокое быстродействие диодной бесщеточной системы возбуждения, приближающееся к быстродействию тири­ сторной системы и позволяющее применить APB сильного дей­ ствия.

Под руководством Б. Д. Вороника была успешно решена слож­

ная проблема создания специального кремниевого вентиля на ток

500 А (тип ВКС-500) для бесщеточных возбудителей [12]. Вен­

тиль лавинного типа с номинальным напряжением 1500—2000 В (номинальное напряжение составляет 80% от напряжения лавино-

образования), прямое падение напряжение 0.6—0.8 В (рис. 12 1). Для изготовления вентиля применен кремниевый элемент с удельным сопротивлением 120—140 Ом, имеющий диаметр 30 мм

и толщину 0.27 мм с шириной фаски около 2.5 мм, обратный ток вентиля при номинальном напряжении не превышает 5 МА, теп­ ловое сопротивление не более 0.05° C/Вт, диапазон рабочих темпе­ ратур от —40 до +149° С, габариты 65×65×47 мм, вес 0.49 кг. Вентиль имеет прямоугольное основание, которое четырьмя бол­ тами прижимается к радиатору и рассчитан на жесткое присоеди­ нение к элементам схемы. Для обеспечения герметичности и за­ щиты р—и-перехода производится его заливка эпоксидной смо­ лой. Вентили могут выпускаться как с нормальным переходом р—п, так и обращенным п—р-переходом.

В процессе создания вентилей типа ВКС-500 был выполнен оолыпой объем исследовательских работ, в результате которых

186

найдены конструктивные решения, разработаны технологические процессы и методы испытаний. Следует заметить, что испытания вентилей в процессе разработки

охватывали проверку на вра­

щающемся барабане с заданной

величиной ускорения.

Создание предохранителей для вращающихся выпрямитель­ ных блоков потребовало боль­ шого объема исследований и испытаний опытных образцов. В результате были созданы пре­ дохранители с плавкими встав­ ками (табл. 12-2, рис. 12-2).

В 1972 г. были разработаны предохранители на ток 750 А и напряжение 1300 В, отличающиеся от приведенных предохраните­ лей только несколько большей высотой (60 мм вместо 47 мм).

Для передачи постоянного тока от вращающегося выпрямителя к обмотке возбуждения турбогенератора Г. П. Вартаньян предло­ жил и осуществил клиновой электрический разъем в соединитель­

187

ной муфте между турбогенератором и возбудителем. Идея этого предложения заключается в том, что между двумя парами шин. изолированных от полумуфт, под действием центробежных сил входят в соприкосновение два клина: один для шинопровода с по­ ложительным, а второй для шинопровода с отрицательным потен­

циалом. Шины и клинья изготовляются из меди с посеребренными поверхностями. Проверка такого простого способа показала его высокую, эффективность и надежность.

Для контроля за целостностью предохранителей и измерения тока ротора турбогенератора было разработано, выполнено и

испытано оригинальное бесконтактное устройство. Оно состоит из двух зубчатых дисков. Один из дисков размещен на валу между якорем возбудителя и выпрямителем, второй диск — на валу

между возбудителем и подвозбудителем. Число пазов дисков равно

числу ветвей катодной или анодной групп выпрямителя. Через

каждый паз первого диска проходит провод, подключенный к средней точке двух ветвей, одна из которых относится к анодной, а вторая — к катодной группе вентилей. В результате в каждом проводе протекает ток одного вентиля катодной и одного вентиля анодной группы. Для выявления этих токов на неподвижной тра­ верзе около окружности первого диска размещаются два датчика токовых импульсов, которые представляют собой П-образные сер­ дечники с обмотками и относительно друг друга смещены в про­ странстве.на 60 эл. град. Второй диск без проводников в пазах используется для отметки начала отсчета и выдачи синхронных порядковых импульсов. Логическая схема позволяет выявить

одну или более ветвей выпрямителя, в которых нет тока. При этом на передней панели устройства бесконтактного контроля и измерения (УБКИ) загорается индикаторная лампа, указывающая номер соответствующей ветви. Кроме того, подается сигнал о выходе одной или более ветвей из строя. При выходе из строя двух ветвей запрещается формирование возбуждения воздействием

на APB.

Помимо системы контроля предохранителей, устройство УБКИ

включает измерительный элемент, который суммирует сигналы датчиков токовых импульсов и вырабатывает сигнал, пропор­ циональный току обмотки возбуждения турбогенератора. Этот сигнал поступает на прибор передней панели УБКИ и во внешние цепи. В случае превышения допустимого значения тока возбужде­ ния включается индикаторная лампа на передней панели УБКИ и подается сигнал о перегрузке во внешние цепи.

Наряду с изложенным способом измерения тока возбуждения турбогенератора был использован метод, основанный на выяв­ лении высших гармонических мдс обмотки якоря возбудителя [61 ]. Поскольку высшие гармонические составляющие мдс про­

порциональны фазному току, то для их выявления в промежутке между двумя полюсами устанавливается измерительная катушка.

188

В случае ненасыщенной машины напряжение измерительной ка­

тушки получается приблизительно пропорциональным току воз­

буждения турбогенератора.

Проведенные экспериментальные исследования на моделях и опытных установках показали, что наиболее эффективным спо­ собом в достижении равномерного деления токов между парал­

лельными вентилями является выполнение обмотки якоря возбу­ дителя с числом параллельных ветвей, равным числу ветвей одного

плеча трехфазной мостовой схемы. Недостаток такого решения заключается в усложнении обмотки якоря за счет большого количества выводов.

Для снижения уровня вибраций в первой промышленной

установке бесщеточного возбудителя турбогенератора типа ТВВ-320-2 был предложен и реализован демпферный подшипник возбудителя со стороны турбогенератора. Такой подшипник отли­

ствия диодной бесщеточной системы возбуждения, приближаю­ щейся к быстродействию тиристорной системы и позволяющего применить APB сильного действия. Обычная диодная бесщеточная система возбуждения является инерционной системой. Ее постоян­ ная времени Te 0.5 сек. и в основном определяется параметрами обмотки возбуждения возбудителя переменного тока. При таком

значении постоянной времени сйижается эффективность форсиро­

вания возбуждения генератора и исключается возможность приме­ нения сильного регулирования с целью повышения пределов устойчивости [33]. В этих условиях искусственное уменьшение

постоянной времени возбудительной системы до значения Te ≤ ≤ 0.1 сек. приблизило бы ее по своей эффективности к тиристор­ ным системам возбуждения.

Включение добавочного сопротивления в цепь обмотки возбу­ ждения возбудителя переменного тока связано с большими поте­

рями. В связи с этим было предложено другое решение, основанное на использовании тиристорного выпрямителя в цепи возбуж­

дения возбудителя с высокими кратностями форсирования и введе­ нии жесткой отрицательной обратной связи. При форсировании

возбуждения APB открывает тиристорный выпрямитель и на об­ мотке возбуждения возбудителя появляется полное напряжение.

Ток возбуждения возбудителя, а следовательно, и напряжение на обмотке ротора турбогенератора увеличивается с постоянной времени Te возбудителя. Однако в связи с большой кратностью форсирования можно получить высокую скорость изменения

напряжения на обмотке ротора турбогенератора. Это в свою оче­ редь позволяет повысить уровень динамической устойчивости турбогенератора. Для обеспечения высокого уровня статической устойчивости и возможности использования APB сильного дейст­

189