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

вия необходимо существенно уменьшить эквивалентную постоян­

ную времени возбудителя. Это достигается за счет жесткой обрат­

ной связи, охватывающей возбудитель и тиристорный выпрями­

тель.

Для ограничения напряжения на обмотке ротора турбогене­ ратора двухкратной его величиной во время форсирования воз­

форсирование возбуждения и осуществлялась 5-кратная жесткая отрицательная обратная связь.

Исследования показали, что быстродействующая диодная си­ стема обеспечивает предельные значения мощностей по условиям

статической и динамической устойчивости, близкие к пределам

тиристорной системы возбуждения. Однако демпфирование ка­

чаний в послеаварийном режиме получается хуже. Это объясня­ ется невозможностью создания в диодной бесщеточной системе отрицательного напряжения на обмотке ротора турбогенератора после прекращения форсировки возбуждения.

190

В заключение необходимо отметить, что в 1970—1971 гг. фирма «Вестингауз» провела разработку быстродействующей диодной системы возбуждения. При этом в основу разработки были поло­ жены те же принципы, что и во ВНИИэлектромаше, а именно:

высокая кратность форсирования и снижение эквивалентной

постоянной времени возбудителя за счет обратной связи [36].

Первая возбудительная система такого типа введена в эксплуата­ цию в 1973 г. на четырехполюсном турбогенераторе мощностью

с постоянными магнитами, мощность 383 кВА, напряжение 352 В, частота 420 Гц, трехфазная обмотка на статоре, скорость враще­

ния 1800 об./мин.; 2) возбудитель — мощность 800 кВт, напря­ жение 570 В, скорость вращения 1800 об./мин. К числу крупных достижений фирмы следует отнести создание трехфазного гене­ ратора с постоянными магнитами мощностью 383 кВА при ско­

рости вращения 1800 об./мин.

Бесщеточная система возбуждения ЛЭО «Элек­ тр о с и л а » — В H И И Э л е к т р о м а ш. Разработка диодной бес­

щеточной системы возбуждения проводилась для турбогене­

ными кольцами для подвода трехфазного питания и двумя кон­ тактными кольцами для выпрямленного тока. Далее была изго­ товлена и испытана на заводском стенде бесщеточная система

возбуждения, которая позднее была установлена, испытана и

введена в эксплуатацию на Киришской ГРЭС на блоке мощностью

300 МВт (рис. 12-4).

Питание обмотки ротора турбогенератора обеспечивается воз­

будителем переменного тока через диодный вращающийся выпря­ митель. Регулирование возбуждения турбогенератора осуществ­ ляется воздействием автоматического регулятора возбуждения через управляемый преобразователь на обмотку возбуждения

возбудителя. Питание регулятора обеспечивается от подвозбу­

дителя — высокочастотного индукторного генератора. При этом напряжение на зажимах подвозбудителя поддерживается на за­ данном уровне с помощью собственного автоматического регуля­

тора напряжения. В связи с большим диапазоном изменения тока возбуждения управляемый преобразователь в цепи обмотки возбуждения возбудителя выполнен двухгрупповым. Рабочий выпрямитель обеспечивает возбуждение в нормальных реяшмах работы турбогенератора, а форсированный — при аварийном сни­ жении напряжения на шинах станции. Для создания необходи­ мого закопа регулирования на вход автоматического регулятора

191

подаются сигналы, пропорциональные напряжению статора, то­ кам статора и ротора турбогенератора, а также току возбуждения возбудителя.

Рассмотрим более подробно возбудитель и вращающийся вы­ прямитель.

В качестве возбудителя выбран трехфазный синхронный гене­ ратор мощностью 1230 кВт обращенного исполнения, у которого

Рис. 12-4. Принципиальная схема диодной бесщеточной системы возбуждения ВНИИэлектромаш-ЛЭО «Электросила».

1 — турбогенератор; 2 — бесщеточный возбудитель; 3 — подвозбудитель; 4 — устройство начального возбуждения; 5 — автоматический регулятор напряжения подвозбудителя; 6 — тиристорный преобразователь; 7 — APB; 8 — добавочное сопротивление; 9 — устройство бесконтактного контроля предохранителей и измерения тока ротора.

якорная обмотка вращается, а индукторная неподвижна. При раз­ работке были рассмотрены несколько вариантов исполнения синхронного генератора с разными частотами. Наиболее приемле­ мым как по затратам активных материалов, так и по параметрам оказался вариант с частотой 150 Гц.

Шихтованный сердечник якоря генератора, состоящий из

10 пакетов, между которыми установлены вентиляционные рас­ порки, насажен на ребристую часть вала возбудителя. Трехфаз­ ная обмотка возбудителя (якорная), двухслойная петлевая с уко­

роченным шагом, уложена на якоре. Каждая фаза обмотки со­ ставлена из шести параллельных ветвей, по шесть витков в каж­ дой ветви. Лобовые части обмотки располагаются на нажимных дисках сердечника якоря и укрепляются проволочными бан­ дажами. Полюса генератора выполнены шихтованными. На по­ люсах предусмотрена демпферная обмотка. Обмотка возбуждения, расположенная на шести полюсах, состоит из шести полюсных

192

катушек, соединенных последовательно. Сварная станина, ма­

плиту.

Конструкция якоря возбудителя предусматривает два способа питания вращающегося выпрямителя: от предварительно объеди­

ненных в фазы параллельных ветвей якорной обмотки и каждой параллельной ветви выпрямителя от отдельной ветви якорной обмотки генератора.

Окончательный выбор способа питания вращающегося выпря­

мителя может быть сделан после проведения испытаний на опытно­ промышленном образце.

Перейдем далее к рассмотрению вращающегося выпрямителя. Все элементы вращающегося выпрямителя размещены на двух то­ коведущих колесах из немагнитной стали,* причем одно из них имеет положительную, второе — отрицательную полярность. Оба колеса насажены с натягом горячей посадки на изолирован­ ную втулку и отделены друг от друга в аксиальном направлении воздушным промежутком. Втулка с колесами насаживается на вал с натягом прессовой посадки.

В ободе каждого из колес имеется по 36 наклоненных к про­ дольной оси радиальных отверстий, являющихся напорным эле­ ментом вентиляционной цепи вращающегося выпрямителя. 18 ди­ одов прямой проводимости располагаются на кольцевом силуми­ новом радиаторе одного колеса, а 18 диодов обратной проводи­

мости располагаются на таком же радиаторе другого колеса. Силуминовые радиаторы в виде кольца, имеющего 180 вентиля­

ционных аксиальных отверстий прямоугольного сечения (по 10 от­ верстий на каждый диод), запрессовываются в вентильные колеса. Диоды крепятся к радиаторам винтами.

Переменный ток от обмотки якоря синхронного генератора

подводится по шинам токопровода к шпилькам и перемычкам

через предохранители, которые располагаются на уступах вен­ тильных колес против каждого из диодов. Предохранители изо­

лированы от вентильных колес текстолитовыми прокладками.

Изолированные шпильки токоподвода переменного тока рас­ полагаются в отверстиях вентильных колес.

Постоянный ток отводится от вентильных колес по шинам токо­ подвода постоянного тока и токоведущим болтам, которые соеди­

няются со стержнями токоподвода, расположенными в осевом от­ верстии вала.

* Дальнейшие исследования показали возможность использования для колес обычной стали.

Вращающийся выпрямитель располагается в разъемном кор­ пусе, имеющем внутренние щитки и воздухоразделительные пере­ городки. При вращении охлаждающий воздух прогоняется через воздухоохладители, расположенные в фундаметной плите, заса­ сывается в радиаторы и снимает тепловые потери.

Использование вентильных колес в качестве токоведущих элементов и вентилятора, а также рациональное размещение диодов и предохранителей на вентильных колесах дали возможность по­ лучить компактную конструкцию вращающегося выпрямителя

с минимальным количеством токоведущих перемычек и изоляции.

Синхронный генератор и вращающийся выпрямитель обособ­ лены друг от друга и имеют собственные корпуса и автономные замкнутые вентиляционные системы. Водяные воздухоохладители выпрямителя и синхронного генератора располагаются в фунда­ ментной плите возбудителя.

Подвозбудитель, установленный за подшипником возбудителя на фундаментной подставке, имеет с валом возбудителя эластич­ ное соединение посредством торсионного валика.

Для снижения уровня шума возбудительных агрегатов при­ меняется наружный кожух.

Бесщеточная система возбуждения за­

вода Электротяжма ш—ЭНИН [36, 37 ]. В возбу­ дительной системе турбогенератора типа ТТВ-300 мощностью 300 МВт (рис. 12-5) обмотка ротора получает питание от вращаю­ щегося выпрямительного блока, имеющего многофазную мосто­ вую схему. В данном случае в каждом плече 16-фазной мостовой схемы имеется только один диод. Поэтому общее число диодов

равно 32. В рассматриваемой системе, как и в системе ЛЭО

«Электросила»—ВНИИЭлектромаш, применены кремниевые диоды типа ВКС-500 со средним током 500 А и напряжением около 2000 В.

Диоды и предохранители крепятся к радиаторам, расположенным

на несущем колесе с двух сторон от центрирующего кольца. Несущее колесо в средней части опирается на центрирующее кольцо, которое имеет горячую посадку на вал. Радиаторы вы­ полняются в виде полуколец, которые изолируются от несущего и центрирующего колец. Полукольца соединяются между собою, образуя с одной стороны от центрирующего кольца положитель­ ный, а с другой стороны отрицательный полюс выпрямителя. В несущем кольце имеются радиальные отверстия. Поэтому не­

сущее кольцо служит центробежным вентилятором, который обес­ печивает циркуляцию охлаждающего воздуха через каналы

радиатора.

Для защиты от коммутационных перенапряжений параллельно каждому вентилю подключается цепь R—C, конструктивно вы­ полненная в виде отдельного блока, крепящегося к торцу ради­ атора.

194

Для измерения тока обмотки ротора турбогенератора приме­ няется индуктивный датчик тока. В качестве индуктора исполь­

зуется муфта электромеханического соединения валов. Сердеч­

ник статора, охватывающий муфту, выполняется из листовой стали. В пазах сердечника располагается обмотка, эдс которой является пропорциональной току.

Измеритель сопротивления изоляции и напряжения возбужде­ ния турбогенератора представляет электромашинную систему,

Рис. 12-5. Принципиальная схема диодной бесщеточной системы возбуждения завода «Электротяжмаш» им. В. И. Ленина—ЭНИН.

1 — турбогенератор; 2 — бесщеточный возбудитель; 3 — подвозбудитель; 4 — устрой­ ство начального возбуждения; S — автоматический регулятор напряжения подвозбуди­ теля; в — APB с тиристорным преобразователем; 7 — устройство измерения сопротивле­ ния изоляции и напряжения ротора; S — добавочное сопротивление; 9 — устройство бесконтактного контроля предохранителей; 10 — панель измерения сопротивления изо­ ляции ротора; 11 — индуктивный датчик тока ротора; 12 — панель измерения тока

ротора.

которая совместно с панелью измерений позволяет сигнализиро­ вать наличие пробоя изоляции в одной точке, защищать ротор турбогенератора от замыканий в двух точках, измерять сопротив­ ление изоляции обмотки ротора по отношению к корпусу и на­ пряжение возбуждения турбогенератора.

Контроль за состоянием предохранителей, установленных в каждом плече вращающегося выпрямителя, выполняется с по­ мощью бесконтактного защитного устройства, которое совместно с панелью защитного устройства обеспечивает непрерывную сигнализацию с указанием номера вышедшего из строя предохра­ нителя. При выходе из строя двух предохранителей в APB вво­ дится сигнал, запрещающий форсирование возбуждения.

Вспомогательный генератор-возбудитель состоит из неподвиж­ ного неявнополюсного индуктора и вращающегося якоря. Число

13* 195

полюсов генератора равно 10. Индуктор собирается из листовой электротехнической стали. В пазах индуктора расположены две последовательно соединенные смещенные по отношению к друг другу на 90 эл. град, обмотки: главная и вспомогательная. Глав­ ная обмотка служит для создания магнитного поля, а вспомога­

тельная — для компенсации реакции якоря, основанной на том, что в связи с использованием диодного выпрямителя токи якоря и возбуждения являются пропорциональными (при отсутствии

насыщения) и, кроме того, коэффициент мощности якоря близок к единице.

Наличие компенсационной обмотки позволяет решить две задачи: сохранить трапецеидальную форму магнитного потока, создаваемого главной обмоткой при нагрузке, и увеличить быстро­ действие возбудительной системы в режиме форсирования воз­ буждения. Возможность увеличения быстродействия базируется на том, что в связи с большой электромагнитной инерционностью обмотки ротора турбогенератора ток якоря не успевает следовать за магнитным потоком. Поэтому мдс компенсационной обмотки в режиме форсирования возбуждения будет превышать мдс реак­ ции якоря. Поскольку магнитный поток возбудителя определяется

геометрической суммой всех трех мдс, то указанный небаланс

в мдс компенсационной обмотки якоря приведет к повышению магнитного потока, напряжения якоря, а следовательно, и на­ пряжения на обмотке возбуждения турбогенератора.

Якорь имеет многофазную обмотку. Благодаря равномерному воздушному зазору и наличию компенсационной обмотки, кривая эдс якоря имеет трапецеидальную форму. В результате этого

длительность протекания токов в диодах получается близкой к 180 эл. град., что создает наиболее благоприятные условия

для их работы.

Сердечник якоря собирается из электротехнической стали.

В пазах якоря укладывается многофазная обмотка, линейные выводы которой с помощью шин подсоединяются к вращающемуся выпрямительному блоку. Нулевые выводы обмотки объединены

с помощью кольцевой шины. Лобовые части удерживаются от действия центробежных сил бандажными кольцами, выполнен­ ными из немагнитного материала.

Подвозбудитель — синхронный генератор индукторного типа повышенной частоты, напряжение которого поддерживается авто­ матическим регулятором напряжения. Начальное возбуждение

осуществляется от аккумуляторной батареи.

Регулирование возбуждения турбогенератора выполняется ав­ томатическим регулятором сильного действия (APB), воздействую­

щим на систему управления тиристорным преобразователем ТП-1. Последний включен на последовательно соединенные обмотки возбуждения и компенсационную обмотку возбудителя. Кроме того, имеется резервное ручное регулирование, которое осуще­

196

ствляется управлением тиристорного преобразователя ТП-2.

В цепи выпрямленного тока преобразователя включается доба­ вочное сопротивление. При значительном понижении напряжения турбогенератора срабатывает реле минимального напряжения, которое включает контактор, обеспечивая тем самым релейную

форсировку. Переход от автоматического регулирования к ручному

и обратно достигается с помощью ключа и контакторов.

Для повышения быстродействия в цепь возбуждения возбу­ дителя включается добавочное сопротивление.

Гашение поля турбогенератора осуществляется за счет отклю­ чения обмотки возбуждения возбудителя и шунтированием ее через диод и разрядное сопротивление.

Основные технические показатели бесщеточной системы воз­ буждения турбогенератора ТГВ-300, 3000 об./мин.: мощность

1. Некоторым недостатком диодных бесщеточных систем воз­

буждения является медленное гашение поля и недостаточно

эффективное демпфирование качаний роторов турбогенераторов в послеаварийных режимах. Эти недостатки могут быть преодо­ лены за счет применения во вращающихся выпрямительных блоках тиристоров вместо диодов. В этом случае для интенсив­ ного гашения поля и демпфирования качаний может быть исполь­ зован инверторный режим. Однако при этом необходимо иметь

Кроме того, возбудитель будет работать с полным магнитным по­ током, а следовательно, с увеличенными потерями в стали якоря.

Тем не менее как в СССР, так и за рубежом ведутся интенсивные

работы по исследованиям тиристорных бесщеточных систем воз­ буждения.

В СССР разработаны специальные тиристоры для вращаю­ щихся выпрямительных блоков с повышенными значениями напря­ жений и токов, ведется изучение устройств для передачи управ­

ляющих импульсов, электромагнитных процессов и др.

Работы по тиристорным бесщеточным системам возбуждения ведутся также в Англии, где на макетах отрабатываются основные

элементы конструкции тиристорного блока и устройства его уп­

равления [76]. Изучаются передачи управляющих импульсов

с помощью радио, оптическими методами, с помощью управляю­

щей машины с регулированием возбуждения в двух осях, с по­ мощью динамического трансформатора и конструктивных колец.

В связи с необходимостью разработки мощных тиристорных блоков

(3000—4000 кВт) рассматривается передача управляющих на-

197

пряжений с довольно большой мощностью, требующихся для управления тиристорами, а также передача маломощных сигна­ лов с последующим их усилением во вращающемся блоке. В Анг­

лии создается бесщеточная тиристорная система возбуждения для турбогенератора мощностью 60 МВт [95]. Эта установка будет являться прототипом бесщеточного тиристорного возбудителя

турбогенератора мощностью 660 МВт. Следует заметить, что ос­ новная проблема, в решении которой заинтересовано энергетиче­

ское управление Англии, заключается в использовании тиристо­ ров для быстрого гашения поля.

2. В связи с рассмотрением проблем создания тиристорных

бесщеточных систем возбуждения известный интерес может иметь

проблема о таких возбудительных системах со сверхпроводящей обмоткой возбуждения [26].

Если возбудитель будет иметь сверхпроводящую обмотку (раз­

мещается в неподвижном криостате), то появляется возможность в несколько раз увеличить магнитную индукцию, а следовательно,

существенно уменьшить размеры якоря. Это позволит решить очень трудную проблему создания одноякорного возбудителя для мощных турбогенераторов. Мощность возбудителя обычной кон­ струкции ограничена диаметром якоря, выполняемого, по усло­ виям механической прочности, из листовой электротехнической стали. При обычных значениях индукции не удается получить большой мощности от одного якоря обращенной синхронной ма­ шины. Поэтому для мощных турбогенераторов, например мощ­ ностью 1200 МВт, 3000 об./мин., приходится рассматривать воз­ будительную систему с двумя якорями. Эта проблема становится еще более трудной для турбогенераторов мощностью 2000 МВт

и более.

Однако преимуществом сверхпроводящей обмотки возбужде­

ния является не только возможность получения существенно большей мощности в одной машине, но и радикальное упрощение возбудительной системы за счет отказа от подвозбудителя с его системой регулирования и от преобразователя. Вместо этого

потребуется специальный источник питания небольшой мощ­ ности для первоначальной подачи тока в сверхпроводящую об­ мотку и для его поддержания.

3. Для создания бесщеточных возбудителей для турбогенера­

торов мощностью 2000 МВт и более с весьма простыми и надеж­

ными выпрямительными блоками необходима разработка и созда­ ние кремниевых роторных тиристоров на токи 1000 А и обратное напряжение 5000 В. Применение таких тиристоров позволит исклю­ чить возможность возникновения внутренних коротких замыканий

в выпрямительной установке и тем самым применение предохра­ нителей.

4. Очень важное значение имеет проблема выбора наиболее

выгодной частоты возбудителя переменного тока и его оптималь-

19§